مقدمه
اهميت فرآيندهاي جداسازي مبتني بر انتقال جرم براي مهندسين شيمي به خوبي روشن اس ت. امروزه بهندرت مي توان يك فرآيند شيميايي را يافت كه در آن به خالص سازي و يا جداسازي نهايي محصولاتاز فرآورده هاي جانبي حاصل از واكنش نياز نباشد. همچنين در دهه هاي اخير نياز روزافزوني براي به كارگيري اين فرآيندها در جهت كنترل آلودگي و حفاظت محيط زيست احساس شده است و اين كنترلخصوصاً در مورد خود صنايع شيميايي كه از عمده ترين منابع آلوده كننده محيط هستند با جديت بيشتريصورت مي گيرد.
تعداد قابل توجهي از روش هاي جداسازي با ايجاد يك فاز دوم و انتقال جرم بين اين دو فاز انجام مي گيرن د. روش هايي چ ون تقطير و تبلور از اين جمله به شمار مي آيند. در اين روش ها براي ايجاد فازدوم به مصرف انرژي قابل توجهي نياز مي باشد. از سوي ديگر در برخي از روش هاي جداسازي فاز دوميك ماده شيميايي ثانويه است كه به فاز خوراك افزوده مي شود. در اين فرآيندها كه جذب سطحي واستخراج مثال هاي بارز آن به شمار مي روند ، اگر چه انتقال جرم به عنوان عامل اصلي براي جداسازيشناخته مي شود اما در نهايت اين فرآيندها نيز براي جداسازي نهايي و بازيافت فاز دوم نيازمند فرآيندهايدسته اول و در نتيجه نيازمند به صرف انرژي قابل ملاحظه اي هستند.

تكنولوژي فرآيندهاي غشايي و بررسي فرآيند اسمزمعكوس و بررسي مدل هاي مختلف كاهش فلاكس و انتقال در اسمزمعكوس

تكنولوژي فرآيندهاي غشايي و بررسي فرآيند اسمزمعكوس و بررسي مدل هاي مختلف كاهش فلاكس و انتقال در اسمزمعكوس

فهرست مطالب

چكيده ………………………………………………………………………………………………………………………..1
مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………….2

فصل اول – تكنولوژي فرآيندهاي غشايي

1-1- هدف……………………………………………………………………………………………………………………….2
1-2- غشاء چيست؟…………………………………………………………………………………………………………….3
1-3- مروري بر تاريخچه پيشرفت و توسعه تكنولوژي غشايي……………………………………………………………….3
1-4- مروري بر فرآيند جداسازي غشايي………………………………………………………………………………………..6
1-5- پديده انتقال جرم در فرآيندهاي غشايي…………………………………………………………………………………..8
1-6- تقسيم بندي غشاها……………………………………………………………………………………………………….11
1-6-1- تقسيم بندي بر اساس جنس غشاء……………………………………………………………………………………11
1-6-2- تقسيم بندي بر اساس ساختمان غشاء………………………………………………………………………………..11
1-6-3- تقسيم بندي بر اساس ساختار دانه بندي غشاء……………………………………………………………………….12
1-6-4- تقسيم بندي بر اساس شكل هندسي سطح غشاء………………………………………………………………….13
1-7- مدول هاي فرآيندهاي غشايي……………………………………………………………………………………………….13
1-8- مزاياي كاربرد تكنولوژي غشاء……………………………………………………………………………………………….16
1-9-كاربردهاي فرآيندهاي جداسازي توسط غشاء………………………………………………………………………………17
1-01- محدوديت هاي كاربرد تكنولوژي غشاء…………………………………………………………………………………….19
1-01-1- پلاريزاسيون غلظتي…………………………………………………………………………………………………….19
1-01-2- گرفتگي غشاء……………………………………………………………………………………………………………19
1-01-3- مد ل سازي و پيش بيني رفتار غشاء………………………………………………………………………………….19
1-01-4- پايداري غشاء……………………………………………………………………………………………………………20
1-01-5- جداسازي ناقص…………………………………………………………………………………………………………20
1-11- نتيجه گيري…………………………………………………………………………………………………………………20

فصل دوم – برسي فرآيند اسمزمعكوس

2-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………… 22
2-2- تاريخچه…………………………………………………………………………………………………………………… 22
2-3- اسمزواسمزمعكوس……………………………………………………………………………………………………. 23
2-4- پتانسيل شيميايي……………………………………………………………………………………….ا……………… 27
2-5- پلاريزاسيون غلظتي…………………………………………………………………………………………………….. 28
2-6- اثرات پلاريزاسيون غلظتي درRO ………………..ا…………………………………………………………………… 29
2-7- نيروي محركهRO ………………ا………………………………………………………………………………………. 30
2-8- جداسازي و ضريب انتقال جرم ………………………………………………………………………………………..32
2-9- بازيافت…………………………………………………………………………………………………………………… 34
2-01- مكانيسم هاي انتقال جرم درRO ………………………ا ………………………………………….………………………. 35
2-11- مراحل تصفيه به روشRO ………ا………………………………………………………………………………….. 36
2-21- مقايسهRO با ساير روش هاي تصفيه……………………………………………………………………………… 42
2-31- كاربرد فرآيندهاي غشايي………………………………………………………………………………………….. 48
2-41- كاربردهاي RO در فرآيندهاي صنعتي…………………………………………………………………………….. 50
2-51- غشاهاي RO……………….ا……………………………………………………………………………………….51
2-61- خواص ساختماني ………………………………………………………………………………………………… 52
2-71- خواص فيزيكي و شيميايي …………………………………………………………………………………….. 52
2-81- جنس غشاها …………………………………………………………………………………………………….. 53
2-91- انواع مدول ها………………………………………………………………………………………………………. 54
2-02- مقايسه مدول ها…………………………………………………………………………………………………… 63
2-12- انتخاب مدول ها……………………………………………………………………………………………………. 66
2-22- گرفتگي غشاء………………………………………………………………………………………………………. 66
2-32- آلودگي ناشي از اكسيداسيون روي غشاء………………………………………………………………………..68

فصل سوم – بررسي مدل هاي مختلف كاهش فلاكس و انتقال در اسمزمعكوس

3-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………….. 70
3-2- مدل هاي مختلف كاهش فلاكس درRO ……………………ا……………………………………………………… 70
3-2-1- مدل انحلال – نفوذ …………………………………………………………………………………………………. 70
3-2-2- مدل انحلال – نفوذ غيرايده آل………………………………………………………………………………………. 27
3-2-3- مدل جذب ترجيحي – جريان مويينگي ……………………………………………………………………………. 72
3-2-4- مدل هرمي ا………………………………………………………………………………………………………….. 73
3-2-4-1- مكانيسم فيلتراسيون با گرفتگي كل حفرات……………………………………………………………………… 74
3-2-4-2- مكانيسم فيلتراسيون با گرفتگي استاندارد حفرات …………………………………………………………….. 74
3-2-4-3- مكانيسم فيلتراسيون با گرفتگي متوسط حفرات………………………………………………………………….74
3-2-4-4- مكانيسم مدل فيلتراسيون كيك…………………………………………………………………………………… 75
3-2-5- مدل نوشوندگي سطح ………………………………………………………………………………………………. 76
3-2-6- مدل ژل………………………………………………………………………………………………………………… 77
3-2-7- مدل انتقال و فيلتراسيون پايدار……………………………………………………………………………………… 77
3-3- مدل هاي انتقال در اسمزمعكوس ……………………………………………………………………………………. 78
3-3-1- مدل هاي انتقال بر اساس ترموديناميك غيربرگشتي……………………………………………………………. 78
3-3-1-1- مدل كدم – كاتچالسكي………………………………………………………………………………………… 97
3-3-1-2- مدل كدم – اشپيگلر…………………………………………………………………………………………….. 81
3-4- مدل هاي انتقال بر اساس ديدگاه تخلخل در غشاء………………………………………………………………. 83
3-4-1- مدل انحلال- نفوذ…………………………………………………………………………………………………. 83
3-4-2- مدل انحلال – نفوذ غيرايده آل ………………………………………………………………………………….. 84
3-4-3- مدل انحلال نفوذ توسعه يافته………………………………………………………………………………………84
3-5- مدل هاي انتقال بر اساس ديدگاه تخلخل در غشاء………………………………………………………………..85
3-5-3- مدل نيروي سطحي – جريان حفره اي (SF-PF )………ا……………………………………………………….87
3-5-3-1- بررسي شارهاي جزء حل شونده در جهت شعاعي………………………………………………………….89
3-5-3-2- بررسي شارهاي جزء حل شونده در جهت محوري………………………………………………………….90
3-6- ارائه يك مدل عددي مناسب جهت كنترل پارامترهاي عملياتي………………………………………………….91
3-6-1- چكيده………………………………………………………………………………………………………………..91
3-6-2- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………….91
3-6-3- تئوري ……………………………………………………………………………………………………………….92
1-3-6-3 معادلات حاكم……………………………………………………………………………………………………92
3-6-3-2- حل عددي……………………………………………………………………………………………………….93
3-6-4- شبيه سازي……………………………………………………………………………………………………….96
3-6-4-1- روابط غيرخطي در فرآيندهايRO …….ا……………………………………………………………………..96
3-7- بحث و نتيجه گيري………………………………………………………………………………………………….97

فصل چهارم – راه اندازي Set up و انجام آزمايش ها

4-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………….100
4-2- سيستم آزمايشگاهي مورد استفاده در بررسي هاي تجربي ………………………………………………100
3-4 روش بررسي………………………………………………………………………………………………………..104
4-3-1- اندازه گيري فلاكس آب خالص……………………………………………………………………………………105
4-3-2- بررسي آماري نتايج آزمايش آب مقطر……………………………………………………………………………106
4-4- انجام آزمايشهايRO …………..ا……………………………………………………………………………………108
4-4-1- بررسي آماري نتايج………………………………………………………………………………………………108
5-4 – نتيجه گيري ……………………………………………………………………………………………………… 113

فصل پنجم – بررسي نتايج آزمايشگاهي و ارزيابي مدل

5-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………. 115
2-5 – تعيين شرايط بهينه عملياتي………………………………………………………………………………………. 115
5-2-1- اثر فشار بر ميزان تراوش آب مقطر…………………………………………………………………………. 115
5.-2-2- بررسي اثر فشار بر ميزان تراوش خوراك…………………………………………………………………… 116
. 3-2-5 – بررسي اثر دما بر ميزان تراوش………………………………………………………………………….. 117
5-2-3-1- بررسي اثر دما بر ميزان تراوش آب مقطر………………………………………………………………… 117
5-2-3-2- اثر دما بر ميزان تراوش خوراك…………………………………………………………………………… 118
5-2-6- اثر غلظت بر ميزان تراوش خوراك…………………………………………………………………………… 119
5-2-7- اثرسرعت بر ميزان تراوش خوراك…………………………………………………………………………… 119
5-3- آزمايش تأييد كننده روش تاگوچي…………………………………………………………………………….. ١٢٠
5-4- نتيجه گيري و پيشنهاد………………………………………………………………………………………… 121.
پيوست…………………………………………………………………………………………………………………. 122
.فهرست منابع فارسي……………………………………………………………………………………………………134
.فهرست منابع غيرفارسي……………………………………………………………………………………………….1.35

فهرست جداول

جدول 1-1- توسعه تاريخي غشاها…………………………………………………………………………………………….6
1 جدول 1-2- مثال هايي از كاربردهاي جاري فرآيندهاي جداسازي توسط غشاء………………………………………..17
جدول 1-3- فرآيندهاي غشايي و خصوصيات آنها…………………………………………………………………………….18
جدول 1-4- بازار جهاني غشاها و مدول ها براي برخي فرآيندهاي غشايي………………………………………………19
جدو ل2-1- فشار اسمزي برخي از محلول ها درºC 25 برحسب(psi) ………………ا……………………..……………….. 72
جدول 2-2- تقسيم بندي روشهاي جداسازي بر اساس نيروي محركه…………………………………………………… 31
جدول 2-3- مواد شيميايي مورد استفاده در تصفيه مقدماتي آب…………………………………………………………. 38
. جدول 2-4- مشخصات فرآيندهاي جدا سازي………………………………………………………………………………..43
.جدو ل2-5- هزينه آب شيرين به روشRO……ا………………………………………………………………………………44
. جدول2-6- مقايسه انرژي مصرفي درروش هاي نمك زدايي……………………………………………………………….46
.جدول 2-7- قابليت فرآيندهاي جداسازي در زمينه هاي مختلف…………………………………………………………….47
جدول 2-8- محدوده عملكرد فرآيندهاي غشايي………………………………………………………………………….. 53
جدول 2-9- توليدكنندگان مدول هاي لوله اي…………………………………………………………………………….. 55
جدول 2-10 توليدكنندگان مدول هاي قاب و صفحه………………………………………………………………………. 57
جدول 2-11- توليدكنندگان مدول هاي الياف توخالي……………………………………………………………………… 59
جدول 2-21- توليدكنندگان غشاهاي حلزوني…………………………………………………………………………….. 63
جدول 2-31- مقايسه مدولهاي RO………………ا……………………………………………………………………….. 65
جدول 2-41- مزايا و معايب ماجول هاي مختلف ………………………………………………………………………… 65
جدول 2-51- روش هاي كاهش رسوب …………………………………………………………………………………….67
جدول 3-1- مقايسه بين مقادير بازيافت ……………………………………………………………………………………97
جدول 4-1- سطوح مختلف عوامل مورد بررسي براي آب مقطر در آزمايش هايRO ….ا……………………………….105
جدول 4-2- مقدار سطوح مختلف در آزمايش هاي طراحي شدهRO براي آب مقطر……………………………………..105
جدول 4-3- نتايج حاصل از انجام آزمايش هاي آب مقطر ، تكرار اول………………………………………………………106
جدول 4-4- نتايج حاصل از انجام آزمايش هاي آب مقطر ، تكرار دوم………………………………………………………106
جدول 4-5- نتايج آماري ارائه شده توسط نرم افزار تاگوچي در مورد آب مقطر……………………………………………107
جدول 4-6- نتايج متوسط آماري ارائه شده توسط نرم افزار تاگوچي براي آب مقطر …………………………………….107
جدول 4-7- سطوح مختلف عوامل مورد بررسي در آزمايش هايRO ……….ا……………………………………………108
جدول 4-8- مقدار سطوح مختلف در آزمايش هاي طراحي شده RO توسط نرم افزار تاگوچي……………………….. 109
جدول 4-9- نتايج حاصله از انجام آزمايش هايRO ، تكرار اول…………………………………………………………… 109
جدول 4-01- نتايج حاصله از انجام آزمايش هايRO ، تكرار دوم……………………………………………………………109
جدول 4-11- نتايج آماري ارائه شده توسط نرم افزار تاگوچي در آزمايش هايRO ……..ا………………………………110
جدول 4-21- نتايج متوسط آماري ارائه شده توسط نرم افزار تاگوچي درمورد …………………………………………. 110
جدول 4-31- ميزان اثر عوامل مختلف بر شار عبوري از غشاءRO ……..ا…………………………………………………111
جدول 4-41- مقادير غلظت محصول و ميزان دفع نمك در هر مرحله از آزمايش…………………………………………..112
جدول 5-1- آزمايش تأييد كننده روش تاگوچي………………………………………………………………………………. 120

فهرست شكلها

شكل 1-1 – نمايش ترسيمي دو فاز جدا شده توسط يك غشاء………………………………………………………………3
شكل 1-2- ساختمان يك غشاء نامتقارن…………………………………………………………………………………………4
شكل 1-3- ابعاد ذرات جداسازي توسط فرآيندهاي غشايي………………………………………………………………….. 7
شكل 1-4- نمايش روند انتقال جرم از ميان يك غشاء نامتقارن…………………………………………………………….. 10
شكل 1-5- تقسيم بندي غشاها بر اساس دانه بندي …………………………………………………………………….. 13
شكل 1-6- چهار نوع طرح اصلي مدول غشايي………………………………………………………………………………15
شكل 1-7- نماي شماتيك از يك فرآيند غشايي……………………………………………………………………………….16
شكل 2-1- a) نماي شماتيك اسمز و فشار اسمزي b) پديده اسمزمعكوس…………………………………………… 25
شكل 2-2- نيروي محركه RO ….ا…………………………………………………………………………………………… 29
شكل 2-3- شماي كلي يك واحدRO …………..ا………………………………………………………………………….. 36
.شكل 2-4- تغييرات دبي آب تصفيه شده با زمان………………………………………………………………………….39
. شكل 2-5- RO يك مرحله اي……………………………………………………………………………………………….40
شكل 2-6- يك نمونه طراحي شده واحد RO……….ا………………………………………………………………………41
شكل 2-7- مقايسه هزينه هاي نمك زدايي بر حسب غلظت ……………………………………………………………42
شكل 2-8- فرآيندهاي مناسب فيلتراسيون براي جداسازي ، شفاف كردن و تغليظ…………………………………….43
شكل 2-9- اثر غلظت ناخالصي هاي آب ورودي روي اتلاف انرژي در فرآيند RO….ا……………………………………. 45
شكل 2-01- محدوده انتخاب فرآيندهاي نمك زدايي ………………………………………………………………………..48
.شكل 2-11- محدوده pH مجاز براي چند نوع غشاء………………………………………………………………………..57
.شكل 2-21- مدول لوله اي…………………………………………………………………………………………………….58
.شكل 2-31 – مدول قاب و صفحه…………………………………………………………………………………………….59
..شكل 2-14- مدول الياف توخالي…………………………………………………………………………………………….60
.شكل2-51 – ساختمان مدول حلزوني……………………………………………………………………………………….61
شكل 2-61- طرحي از يك المانRO ………ا…………………………………………………………………………………61
شكل 2-71- جريان خوراك و محصول در يك مدول RO……….ا…………………………………………………………….62
شكل2-81- نسبت حجم hold up به سطح غشاء بر حسب طول جداسازي(mm )………ا…………………………. 64
شكل 3-1- سيستم محور استوانه اي در يك حفره غشاء ………………………………………………………………. 87
شكل 3-2- a ) مدول حلزوني b ) مقطع عرضي در يك كانال حاوي فاصله انداز ………………………………………. 92
..شكل 3-3- فلاكس بر حسب فشار در غلظت هاي كم نمك……………………………………………………………..97
.شكل 3-4- مقادير بازيافت بر حسب فشار در غلظت هاي زياد نمك در خوراك…………………………………………98
.RO آزمايشگاهي Set up ، PFD-1-4 شكل……………………………………………………………………………….101
.شكل 4-2- نماي واقعي RO ، Set up (نماي كلي)………………………………………………………………………102
.شكل 4-3- مدول مورد استفاده در Set up فرآيند اسمزمعكوس…………………………………………………………103
.شكل 4-4- نماي واقعي مدول مورد استفاده در Set up ، اسمزمعكوس………………………………………………103
.شكل 4-5- نماي واقعي مخزن خوراك به همراه دو كويل سرمايشي از جنس برنج………………………………….104
شكل 4-6- اثر غلظت برميزان هدايت محلول…………………………………………………………………………….. 111
شكل 4-7- اثر دما بر مقاومت ذاتي غشاء………………………………………………………………………………… 113
.شكل 5-1- بررسي اثر فشار بر ميزان تراوش آب مقطر………………………………………………………………….116
شكل 5-2- تأثير فشار بر ميزان تراوش خوراك درغلظت gr/lit10 و سرعت m/s2 در دماهاي متفاوت با استفاده از مدل و مقايسه آن با نتايج حاصل از مدل……………………………………………………………………………………………………..117
شكل 5-3- تأثير دما بر روي ميزان تراوش آب مقطر………………………………………………………………………118
شكل 5-4- تأثير دما بر ميزان تراوش خوراك درفشار و سرعت ثابت در غلظتهاي مختلف با استفاده از مدل و مقايسه آن با نتايج حاصل از مدل…………………………………………………………………………………………………………………118
شكل 5-5- اثر غلظت بر شار خوراك از غشاء RO در دما و سرعت ثابت در فشارهاي مختلف با استفاده از مدل و مقايسه آن با نتايج حاصل از مدل…………………………………………………………………………………………………………..119
شكل 5-6- اثر سرعت بر شار خوراك از غشاء RO………..ا…………………………………………………………….120

فصل اول
1-1- هدف :
اهميت فرآيندهاي جداسازي مبتني بر انتقال جرم براي مهندسين شيمي به خوبي روشن است.
امروزه به ندرت مي توان يك فرآيند شيميايي را يافت كه در آن به خالص سازي و يا جداسازينهايي محصولات از فرآورده هاي جانبي حاصل از واكنش نياز نباشد. همچنين در دهه هاي اخير نيازروزافزوني براي به كارگيري اين فرآيندها در جهت كنترل آلودگي و حفاظت محيط زيست احساسشده است و اين كنترل خصوصاً در مورد خود صنايع شيميايي كه از عمده ترين منابع آلوده كنندهمحيط هستند با جديت بيشتري صورت مي گيرد.
تعداد قابل توجهي از روش هاي جداسازي با ايجاد يك فاز دوم و انتقال جرم بين اين دو فاز انجام مي گيرن د. روش هايي چون تقطير و تبلور از اين جمله به شمار مي آيند. در اين روش ها براي ايجادفاز دوم به مصرف انرژي قابل توجهي نياز مي باشد. از سوي ديگر در برخي از روش هاي جداسازي فاز دوم يك ماده شيميايي ثانويه است كه به فاز خوراك افزوده مي شود. در اين فرآيندها كه جذبسطحي و استخراج مثال هاي بارز آن به شمار مي روند ، اگر چه انتقال جرم به عنوان عامل اصلي برايجداسازي شناخته مي شود اما در نهايت اين فرآيندها نيز براي جداسازي نهايي و بازيافت فاز دوم نيازمند فرآيندهاي دسته اول و در نتيجه نيازمند به صرف انرژي قابل ملاحظه اي هستند.
توجهي كه در دهه هاي اخير به صرفه جويي در ميزان مصرف انرژي صنايع معطوف شده درمهندسي شيمي نيز جايگاه ويژه اي يافته است. در موضوع مورد بحث يعني فرآيندهاي جداسازياين انگيزه در طراحي فرآيندها تقويت شده است كه تا حد امكان از تشكيل فاز دوم اجتناب شود بهاين صورت در مصرف انرژي تا حد امكان ، صرفه جويي قابل ملاحظه اي به عمل آيد. بدين ترتيبتوجه به گروهي از فرآيندها معطوف گرديده كه جداسازي را بدون تغيير فاز انجام مي دهن د. عنصراصلي در اين نوع فرآيندها يك فيلتر مي باشد. فيلتراسيون در يك تعريف كليعبارت است از جداسازي مواد از يك سيال به وسيله عبور دادن آن سيال از يك جسم متخلخل كهبطور نسبي برخي از اجزاي مخلوط را نگهداري مي كند و به ساير اجزاء اجازه عبور مي دهد. اگر چهفرآيند فيلتراسيون ساده كه در آن از صافي هايي نظير بسترهاي شن، پارچه هاي كتان ، پشم شيشه وساير مواد متخلخل براي جداسازي ذرات از مخلوط ها استفاده مي شود، مدتهاي مديد در صنايعشيميايي مورد استفاده قرار گرفته و مي گيرد اما موردي كه سابقه كاربرد صنعتي آن تنها به دهه هاياخير باز مي گردد و قادر است جداسازي ذرات را در ابعادي كوچكتر از فيلتراسيون معمولي انجامدهد، تكنولوژي جداسازي توسط غشاء مي باشد. برخي از فرآيندهاي وابسته به اين تكنولوژي قادرندجداسازي را در ابعاد مولكول ها و يون ها انجام دهند.

1-2- غشاء1 چيست؟
اشكال تعريف غشاء از تنوع استفاده هايي است كه مي توان از غشاء داشت. در واقع شايد يكتعريف ساده از غشاء بهترين تعريف باشد. يك غشاء عبارت است از يك مانع نازك كهبين دو سيالحد واسط شده است و حركت يك يا چند جزء از يك يا هر دو سيال را از درون مان ع محدود كردهاست. يك غشاء مي تواند از گستره وسيعي از مواد، آلي يا معدني، نامتقارن يا متقارن، مسطح يا لولهاي، با ضخامتnm 100 تا حدودmm 1، خالص يا كامپوزيتي و حفره دار يا فشرده (به صورت يكجامد بسيار تراوا در درون يك ماتريس با تراوايي كمتر) ساخته شده باشد. يك شماي كلي فرآيندغشايي در شكل (1-1) ارائه شده است [٢٦].

تكنولوژي غشاء
1-3- مروري بر تاريخچه پيشرفت و توسعه تكنولوژي جداسازي غشايي
نخستين مورد از به كارگيري غشاها در دهه 1920 در مقياس آزمايشگاهي ملاحظه شد. اين غشاءبراي عمليات ميكروفيلتراسيون (MF)2 و به منظور جداسازي باكتريها مورد استفاده قرار گرفت.
كاربرد غشاها در مقياس آزمايشگاهي تا دهه 1960 ادام ه يافت تا اينكه غشاهاي نامتقارن از جنساستات سلول ز3 توسط لوئب1 و سوريراجان2 براي فرآيند اسمزمعكوس3 (RO) ساخته شدن د. آنها
توانستند با ساختن يك لايه نازك به ضخامت (µm 0/1 – 1/0 ) بر روي يك پايه متخلخل غشاءنامتقارني از استات سلولز مانند شكل (1-1) توليد كنند 1[].

اين غشاها از يك سو داراي ضخامت زياد و مقاومت مكانيكي مناسب بودند و از سوي ديگر ميزانتراوش سيال از ميان آنها در حد قابل قبولي بود. درهمين دهه غشاهاي نامتقارن پليمري براي فرآينداولترافيلتراسيون4 (UF) توسط ميكائيل5 ساخته شدند و سپس بارر6 يك نوع غشاء پليمري را برايفرآيند جداسازي گازها تحت عنوان نفوذ گاز7(GP) ابداع كردند. تا قبل از آن فرآيند جداسازيگازها تنها توسط غشاهاي سراميكي و براي غني سازي اورانيوم 235 صورت مي پذيرفت [1].
در اواسط دهه 1960 فرآيندMF براي استريل كردن مايعات و گازها بكار گرفته ش د. مزيت اينروش استريل كردن نسبت به ساير روش هاي فيزيكي و شيميايي اين است كه در اين روش سيالكاملاً عاري از باكتري مي شود در حالي كه در ساير روش ها تنها به كشتن باكتري ها اكتفا مي گرددو بدين ترتيب در سيال اجزاي مرده باكتري ها باقي مي مانند كه در برخي موارد مي تواند مشكلآفرين باشد. در همين دهه فرآيند الكترودياليز8 (ED) نيز براي نخستين بار ابداع گرديد. در دهه1970UF براي اولين بار در صنايع لبني مورد استفاده قرار گرفت. با توجه به اين كه عمده ترينتركيبات با ارزش مواد لبني مولكول هاي پروتئين هستند، استفاده از اين فرآيند مي تواند براي بازيافت آنها از مواد فرعي اين صنعت ( نظير آب پنير ) و يا تغليظ مواد لبني مفيد باشد [1].
در دهه 1970 تحقيقات زيادي در زمينه فرآيند هاي مختلف غشايي صورت گرفت و اين گستردگيوجود يك مجله تخصصي در اين زمينه را الزامي نمود. از اين رو در سال 1973 مجلهJournal of Membrane Science انتشار يافت كه اكنون مرجع اصلي تحقيقات در اين زمينه مي باشد.
در نخستين غشاهاي ساخته شده عمدتاً مشكلات به ناهمگن بودن غشاها مربوط مي شد. يعني ابعادحفره هاي غشاء يكسان نبودند و پراكندگي توزيع اندازه آنها بسيار زياد بود. همچنين اين غشاها عمرمفيد بسيار كوتاهي ( در حدود يك ماه ) داشتند. امروزه صرف نظر از ساخت غشاهايي با ابعاد همسانحفره ها عمر مفيد آنها نيز افزايش قابل ملاحظه اي يافته است. در حال حاضر عمر مفيد غشاهايUF در حدود 2 سال و عمر مفيد غشاهاي RO در حدود 5 سال مي باشد1[].
در دهه 1980 واحد هاي صنعتي و بزرگ جداسازي گازها توسط غشاء ساخته شد. اين دهه همچنينشاهد ابداع يكي ديگر از فرآيند هاي اين تكنولوژي با عنوان تراوش تبخيري1(PV) توسط جان نيل2 بود. با ساخت غشاهاي جديد فشار لازم براي انجام جداسازي و بنابراين ميزان مصرف انرژي به مقدارقابل ملاحظ ه اي كاهش يافته است. امروزه همچنين فرآيند هاي تركيبي3 با تركيب فرآيند هاي غشاييو ساير فرآيندهاي جداسازي ( از جمله تقطيرغشايي4 )(MD) ابداع شده اند كه باعث افزايش قابلقبولي در راندمان جداسازي گشته اند. جهت گيري بسياري از تحقيقات اخير به سمت توسعه روشهاي توليد و به كارگيري غشاهاي معدني(سراميكي) و فلزي به جاي غشاهاي پليمري مي باشد.
جدول1-1- توسعه تاريخي غشاها
توسعه مهم سال
اب نولت نفوذ آب از محلول غليظ به محلول رقيق را انجام داد. 1748
اولين پليمر مصنوعي (يا نيمه مصنوعي) كه توسط شون بين1 مورد مطالعه قرار گرفت و در سال 1869 به توليد تجاري رسيد. 1846فيك2 غشاء نيترات سلولز را در مطالعات كلاسيكش در مورد نفوذ Ueber به كار گرفت. 1855
غشاء هاي مصنوعي فيك و تراوب3 (نيترات سلولز) تهيه شدند. 1855
بچهولد4 اندازه حفرات در غشاءهاي UF را كنترل كرد. 1907
شركت سارتوريوس5، غشاءهاي تجاري را تهيه كرد. 1927
روشهاي كشت باكتري توسط دانشمندان آلماني انجام شد. 1945
غشاءها به طور رسمي توسط USPH پذيرفته شدند. 1957
ساوريراجان اولين موفقيت در نمك زدايي آب را به دست آورد. 1958
1-4 – مروري بر فرآيند جداسازي غشايي
فرآيند هاي جداسازي توسط غشاها بسته به نوع جداسازي مورد نظر، انواع متنوعي دارند اما در همهآنها وجه مشترك، وجود غشايي است كه مانع از مخلوط شدن دو فاز با يكديگر است. اين غشاء اگرچه از اختلاط مستقيم دو فاز جلوگيري مي كند اما انتقال جرم مورد نظر (ذرات ريز مولكول هايكوچك و يا حتي يون ها) از طريق نفوذ از يك سوي غشاء به سمت ديگر آن صورت مي گيرد و بههمين علت از اصطلاح » نيمه تراوا « براي توصيف اين غشاها استفاده مي گردد [3].
فرآيندهاي جداسازي توسط غشاء بسته به ماهيت دو فازي كه توسط غشاء از يكديگر جدا نگهداشته مي شوند به سه گروه عمده ذيل طبقه بندي مي گردند :
1- فرآيندهاي گاز – گاز
2- فرآيندهاي مايع – گاز
3- فرآيندهاي مايع – مايع
مهم ترين فرآيند گاز – گاز در تكنولوژي غشاء تراوش گاز است. غشاء م ورد استفاده در اين فرآيندفاقد تخلخل است. اجزاي گازي مورد نظر براي عبور از غشاء ابتدا در آن حل مي شوند و سپسنفوذكرده و در سوي ديگر به صورت گاز آزاد مي گردند. مشخص است كه در اين حالت جداسازي اجزاي مخلوط گاز بر اساس اختلاف حلاليت آنها در غشاء صورت خواهد گرف ت. مثالي از كاربرد فرآيند تراوش گاز ، جداسازي هليوم از گاز طبيعي است.
در فرآيند گاز – مايع ، جزء مورد نظر از يك محلول مايع، در يك غشاء غير متخلخل حل شده و پساز نفوذ از آن ، در داخل يك فاز گازي با فشار كم ، تبخير مي گردد. مهم ترين كاربرد صنعتي اينفرآيند آبگيري از اتانول 94 % به منظور تغليظ آن است.
فرآيندهاي مايع – مايع داراي تنوع بيشتري هستند. دياليز2RO ، ED ، (D) ، نانوفيلتراسيون3(NF) UF وMF همگي در اين دسته جاي مي گيرند. در تمامي اين فرآيند ها ، يك غشاء برخي ازمولكول ها يا ذرات را به طور انتخابي از يك محلول به يك فاز مايع ديگر در آن سوي خود انتقال مي دهد. نيروي محركه لازم براي اين انتقال، وجه تمايز اين فرآيند هاست. در دياليز نيرويمحركه براي انتقال جرم ، اختلاف غلظت جزء حل شده در دو سوي غشاء است. در الكترودياليزنيروي محركه ، يك ميدان الكتريكي است كه سبب مي شود ذرات باردار از غشاء عبور كنند. در UF ، NF ، RO وMF ، نيروي محركه اختلاف فشاري است كه به سيستم تحميل مي گردد.

تكنولوژي فرآيندهاي غشايي و بررسي فرآيند اسمزمعكوس و بررسي مدل هاي مختلف كاهش فلاكس و انتقال در اسمزمعكوس

تكنولوژي فرآيندهاي غشايي و بررسي فرآيند اسمزمعكوس و بررسي مدل هاي مختلف كاهش فلاكس و انتقال در اسمزمعكوس

فصل دوم

معرفي اسمزمعكوس
2-1 – مقدمه
روش هاي گوناگوني براي تصفيه و خالص سازي آب جهت مصارف گوناگون خصوصاً مصارف صنعتي وجود دارد كه هريك داراي معايب و مزاياي خود بوده و برحسب شرايط اقتصادي ونيازهاي مصرف كننده نسبت به ساير روش ها ارجحيت يافته و توسط مهندسين براي پروژه موردنظر انتخاب وطراحي مي گردند.
RO نيز يكي از اين رو ش ها مي باشد كه توانايي توليد آب باخلوص بسيار بالا ( جدا سازي 99% مواد معدني حل شده ، 97% مواد آلي وكلوئيدي ) را دارد.
اين رو ش حتي براي شيرين نمودن آب دريا به طور وسيعي كاربرد داشته و روز به روز جذابيت بيشتري مي ياب د.RO د ر تصفيه آب صنايع نيز به دليل تهيه آب با كيفيت مناسب از جايگاه ويژ ه ايبرخوردار مي باشد. از معايب اين سيستم تنها مي توان هزينه اوليه تهيه مواد آن را نام برد كه حتيكيفيت آب خروجي اين تصفيه را تاحدي تحت الشعاع قرار خواهد داد.
دراين بخش به بررسي دقيق اين سيستم كه داراي تكنولوژي بسيار بالايي مي باشد پرداخته وتا حد ممكن جزئيات اين سيستم را روشن خواهيم نمود.
2-2 – تاريخچــه
پديده اسمز درسال 1748 توسط فيزيكدان فرانسوي نولت1 كشف ش د. او دريافت، آب از ميانغشاء ساخته شده از مثانه خوك به داخل الكل نفوذ مي كند. پس از گذشت يك قرن درسال 1867 شيميدان آلماني به نام تراوب2 آزمايشاتي با غشاهايي مصنوعي انجام داد. ولي از ابتد اي كشفپديده اسمز، تا استفاده از اسمزمعكوس حدود 200 سال طول كشيد. درسال 1950 دو دانشمند به نامهاي برتون3 و ريد4 دردانشگاه فلوريدا ، غشاهايي از استات سلولز ساختند وگا م مهم ي درپيشرفت
اسمز معكوس برداشتند.
دراوايل دهه 60 دو دانشمند ديگر به نام هاي لوئ ب و سوريراجان از دانشگاه كاليفرنيا واقع درلوس آ نجلس روي تكنولوژي غشاها كار كرده و غشايي از استات سلولز تهيه نمودند كه نه تنهاجريان آب زيادي از خود عبور مي داد، بلكه خاصيت كاهش نمك ها را نيز داشته و توليد تجاري آن را امكان پذير نمودند.
غشاء اين دو دانشمند نسبت به دو دانشمند فلوريدايي 10 برابر بيشتر آب را از خود عبور مي دا د ودرعين حال بازدهي نزديك به 95% داشت.
دانشمندان مت عدد ديگري نيز روي اين موضوع كاركرده و با انتشاركتب و مقالات گوناگون بهپيشرفت ف رآيند اسمز معكوس سرعت بخشيدند كه مي توان از مرتن1 با كتابي تحت عنوان »حذف نمك با استفاده از اسمز معكوس « يا از اشپيگلر2 وكتب او با نام » تصفيه آب دريا « و » اصول نمك گيري « نام برد.
بعد ها بر اساس نظريات دانشمندي به نام دابي3 ،لوئب و سوريراجان دريافتند كه مي توان با افزودننمك هاي كلره محلول درآب، خصوصيات غشاء استات سلولزي را بهبود بخشيد. آنها برهميناساس ساختمان غشاء خود را به صورتي بهينه ساختند كه بدون كاهش كيفيت آب خروجي ميتوانست جريان آب بيشتري را ازخود عبور دهد.
درسال هاي بعد منجيكيان4 و همكاران وي كشف كردند كه با جايگزيني فورماميد درساختمان غشاءمي توانند عمل تصفيه رادردماي معمولي نيز انجام دهند، روند توسعه هم چنان طي سال هاي 1972 و 1973 ادامه يافت و دانشمندان و آزمايشگاههاي بسياري موفق به توسعه وپيشبرد سيستم هايRO شدند.
درنتيجه اي ن مطالعات و پيشرفت ها واحد هايRO با ابعاد بسيار بزرگ ساخته شده وجهت استفادهعمومي به بازار عرضه شدند. امروزه غشاهايي با كيفيت بسيار بالااز جنس پلي آميد5 (PA) وجود داردكه داراي مزاياي بسيار زيادي نسبت به غشاهايي از نوع استات سلولز6 (CA)مي باشد از آن جمله مي توان فشار كم بسيار كمتر، حساسي ت كمتر به تغييراتpH = 4-11) pH) مقاومت بيشتر دربرابردرجه حرارت عملياتي، مقاومت دربرابر هيدروليز و حمله باكتريها دوام وطول عمر بيشتر را ذكر
نمود.
نسبت آب تصفيه شده به آب ورودي دراين سيستم ها ت ا بيش از 90 % نيز مي باشد. درعين حال اينغشاها دربرابر كلر و ساير اكسيد كننده ها بسيار حساس هستند.

2-3- اسمز و اسمز معكوس
پديده اسمز تمايل حلال خالص براي وارد شدن درمحلول است كه توسط يك غشاء نيمه تراوا( غشايي كه نسبت به حلال تراوا و نسبت به حل شونده ناتراواست ) از حلال جدا شده باشد.

بدين ترتيب آب خالص كه توسط يك غشاء نيمه تراو ا ا ز محلول آب نمك جدا شده است، بهطرف محلول آب نمك جريان مي يابد (اسمز طبيعي ).
از آ ن جايي كه مواد حل شده درمحلول غليظ تر نمي تواند از درون غشاء عبور كند وبه محلولرقيق تر نفوذ نمايد (زيرا غشا ءآن مواد را ازخود دفع مي كند ) لذا با حركت حلال از محلول رقيق تر و افزايش پتانسيل شيميايي حلال درمحلول غليظ تر سيستم به سوي تعادل پيش مي رود. اين عمل (انتقال حلال به محلول غليظ تر) تا زماني كه پتانسيل شيميايي حلال در هر دو محلول غليظ و رقيق با هم برابرشود، ادامه مي يابد، اين تعادل نهايي را اصطلاحاً (تعادل اسمزي 1 ) مي نامند.
اختلاف سطحي كه پس ازبرقراري حالت تعادل در دو محلول غليظ و رقيق مشاهده مي شود را فشاراسمزي2 مي نامند . در جدول 1-2( ) فشار اسمزي بعضي از محلول ها ارائه شده است.
براي محلول خيلي رقيق فشار اسمزي همانند فشار درگازهاي ايده آل عمل مي كند پس خواهيمداشت : (2-1) πv =nRT
كه د رمعادله فوقπ فشار اسمزي ،v حجم مولي محلول ،n تعداد مول هاي ناخالصي ( حل شونده) R ثابت گازها وT دماي مطلق است. فشار اسمزي محلول ها درحالت كلي از رابطه زيرمحاسبه مي شود :
πv =ΦnRT (2-2)

كه در معادله بالا Φ ضريب فشار اسمزي است. براي بسياري از محلول هاФ كمتر از 1 اس ت.
فشار اسمزي را مي توان طبق رابطه ذيل تخمين زد :
π = ١/١٩(T+٢٧٣)ΣMi ( 3-2)
كه درآنMi غلظت مولي (mol/lit ) هريك از يون ها وT دماي آب برحسب درجه سانتيگراد مي باش د. طبق ي ك محاسبه سرانگشتي به ازاي هر( TDS3 ) 100 ppm فشار اسمزي به اندازه psia1 افزايش مي يابد.
حال اگر فشاري بيشتر از فشار اسمزي(π) به محلول رقيق شده وارد شود سيستم از حالت تعادلخارج و حالت تعادلي جديدي را مي طلبد اين امر تنها با عبور معكوس حلال از محلول غليظ به محلول رقيق امكان پذير است. اين پديده به اسمز معكوس يا RO معروف است.

بنابراينRO يك روش جدا سازي ناخالصي ها از آب مي باشد كه نيروي محركه جداسازي اعمالفشار مكانيكي است.
اين فرآيند را گاهي فرافيلتراسيون1 مي نامند. با اين تفاوت كه درفيلتراسيون، فشار اسمزي بسيار ناچيزاست واصولاً نقشي ندارد. درفيلتراسيون اندازه ذرات مهم است ولي درRO علاوه بر اندازه ذرات فاكتورهاي ديگري هم مطرح است. هر چه اندازه مولكول هاي ناخالصي بزرگتر باشد فشاراسمزيهم بيشتر است. دما باعث افزايش فشار اسمزي مي گردد و درهمان حال موجب كاهش ويسكوزيتهمحلول نيز مي شود.
واحدRO به صورت پيوسته كار مي كند و ميتواندTDS آب خام را تا99% كاهش دهد. درعمل كاهشTDS تا 95% طبيعي است. حذف باكتري ها، ويروس ها و ديگر ميكروب ها با اسمز معكوس صد درصد است. اما به علت عدم آب بندي كامل مدولRO ، مقدار كمي از اينگونه ناخالصي ها ممكن است درآب تصفيه شده ديده شود. اين فرآيند براي تهيه آب آشاميدني از آب هايي كه حاوي املاح زياد و ناخالصي هاي آلي مي باشد بسيار مناسب است و حتي قادر استكه ازآب دريا باppm 50000 ناخالص ي و آبهاي شور ، آب آشاميدني تهيه كند. بازده يك فرآيندRO با توجه به شكل ذيل چنين تعريف مي شود [81].
2- 4 – پتانسيل شيميايي
پتانسيل شيميايي مادهµi) i ) در يك محلول به صورت ترمي از انرژي آزاد گ يبس تعري ف مي شود كه بعد از ديفرانسيل گيري از رابطه انرژي آزاد گيبس به صورت زير در مي آيد :
µi = µi° + RTlnai ( 5-2)
كه د رمعادله فو ق °µi پتانسيل شيميايي مادهi درحالت استاندارد وai اكتيوتيه مادهi درمحلول مي باش د. شرط تعادل ترموديناميكي اين است كه پتانسيل شيميايي هريك از اجزاي محلول درتماميفازها يكسان باشند كه در اين حالت هر ج ز به گونه اي در بين فازهاي موجود در سيستم توزيع مي شود كه پتانسيل شيميايي آن در تمام فازها با هم برابر باشد. دراسمز معكوس كه دو فاز عبارتند از : دو محلول در دوطرف غشاء كه هر دو محلول تمايل به يافتن حالت تعادل ترموديناميكي دارند.
درحالي كه ماده حل شده درمحلول غليظ تر به دليل وجود مقاومت غشاء نمي تواند به سمت تعادلترموديناميكي در دو فاز دو طرف غشاء ميل كند. لذا حلال با عبور خود از محلول رقيق تر به محلولغليظ تر درنتيجه رقيق كردن محلول غليظ تر وبالا بردن پتانسيل شيميايي حلال درمحلول غليظ تر سيستم را به حالت تعادل خود نزديك مي كند. معلوم است كه پتانسيل شيميايي تابعي از فشا ر، د ما، غلظت ، اجزاء محلول ( جزء مولي ) وجرم مولكولي آنهاست. با افزايش غلظت حلال در محلولغليظ تر وهمچنين با افزايش فشار كل بر محلول غليظ تر و پتانسيل شيميايي حلال افزايش مي يابد.
لذا زماني كه حلال از محلول رقيق تر به طرف محلول غليظ تر مي رود ، با رقيق كردن محلول
وهمچنين با ايجاد فشار اسمزي باعث افزايش پتانسيل شيميايي درمحلول غليظ تر شده و اين عمل تازماني كه پتانسيل شيميايي دو طرف غشاء يكسان شوند، ادامه مي يابد.
2-5- پلاريزاسيون غلظتي]8[
پلاريزاسيون غل ظتي عبارت است از افزايش غلظت ماده حل شده در پشت غشاء به علت دفع ماده حل شده توسط غشاء و تجمع آن در نزديكي سطح غشاء. اين اثر از جهات مختلف مي تواند بر انتقالمواد از درون غشا ء تاثير بگذارد.
به عبارت ديگر وقتي ماده حل شده نتواند از غشاء عبور كند، غلظت آن درنزديكي غشاء افزايش يافتهو از مقدار غلظت درتوده محلول خوراك، بيشتر مي شود. درنتيجه يك لايه مرزي غلظتي درمجاورتسطح غشا ء تشكيل مي شود كه سبب نفوذ ماده حل شده از قسمت غشا ءبه سوي توده خوراك ( نفوذ رو به عقب ) مي شو د. به اين پديده پلاريزاسيون غلظتي مي گويند كه مي توان آنرا توسط تئوريفيلمي تفسير كرد.
در شكل 2-2 نمايي از پلاريزاسيون غلظتي در سطح غشاء RO ديده مي شود.
اثرات پلاريزاسيون غلظتي عبارتند از :
الف – فشار اسمزي محلول درفصل مشترك خوراك و غشاء نسبت به فشار اسمزي در توده خوراكزيادتر مي شود.
ب- اگر غلظت ماده حل شده در لايه مرزي فو ق، از حد حلاليت بيشتر شود، امكان ايجاد رسوب و تهنشين شدن روي سطح غشاء وجود دارد. درنتيجه ميزان رسوب نمك هاي كم محلول وتركيبات آليبا وزن مولكولي بالا (پروتئين ها و پليمرها) بر روي سطح غشاء افزايش و بازد ه كاهش مي يابد. پديده پلاريزاسيون غلظتي رانمي توا ن به طور كامل حذف نمود. اما از روش هاي زير مي توان جه ت به حداقل رساندن اين پديده، سود جست :

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان