مقدمه
اهمیت فرآیندهای جداسازی مبتنی بر انتقال جرم برای مهندسین شیمی به خوبی روشن اس ت. امروزه بهندرت می توان یک فرآیند شیمیایی را یافت که در آن به خالص سازی و یا جداسازی نهایی محصولاتاز فرآورده های جانبی حاصل از واکنش نیاز نباشد. همچنین در دهه های اخیر نیاز روزافزونی برای به کارگیری این فرآیندها در جهت کنترل آلودگی و حفاظت محیط زیست احساس شده است و این کنترلخصوصاً در مورد خود صنایع شیمیایی که از عمده ترین منابع آلوده کننده محیط هستند با جدیت بیشتریصورت می گیرد.
تعداد قابل توجهی از روش های جداسازی با ایجاد یک فاز دوم و انتقال جرم بین این دو فاز انجام می گیرن د. روش هایی چ ون تقطیر و تبلور از این جمله به شمار می آیند. در این روش ها برای ایجاد فازدوم به مصرف انرژی قابل توجهی نیاز می باشد. از سوی دیگر در برخی از روش های جداسازی فاز دومیک ماده شیمیایی ثانویه است که به فاز خوراک افزوده می شود. در این فرآیندها که جذب سطحی واستخراج مثال های بارز آن به شمار می روند ، اگر چه انتقال جرم به عنوان عامل اصلی برای جداسازیشناخته می شود اما در نهایت این فرآیندها نیز برای جداسازی نهایی و بازیافت فاز دوم نیازمند فرآیندهایدسته اول و در نتیجه نیازمند به صرف انرژی قابل ملاحظه ای هستند.

تکنولوژی فرآیندهای غشایی و بررسی فرآیند اسمزمعکوس و بررسی مدل های مختلف کاهش فلاکس و انتقال در اسمزمعکوس

تکنولوژی فرآیندهای غشایی و بررسی فرآیند اسمزمعکوس و بررسی مدل های مختلف کاهش فلاکس و انتقال در اسمزمعکوس

فهرست مطالب

چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………..1
مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………….2

فصل اول – تکنولوژی فرآیندهای غشایی

1-1- هدف……………………………………………………………………………………………………………………….2
1-2- غشاء چیست؟…………………………………………………………………………………………………………….3
1-3- مروری بر تاریخچه پیشرفت و توسعه تکنولوژی غشایی……………………………………………………………….3
1-4- مروری بر فرآیند جداسازی غشایی………………………………………………………………………………………..6
1-5- پدیده انتقال جرم در فرآیندهای غشایی…………………………………………………………………………………..8
1-6- تقسیم بندی غشاها……………………………………………………………………………………………………….11
1-6-1- تقسیم بندی بر اساس جنس غشاء……………………………………………………………………………………11
1-6-2- تقسیم بندی بر اساس ساختمان غشاء………………………………………………………………………………..11
1-6-3- تقسیم بندی بر اساس ساختار دانه بندی غشاء……………………………………………………………………….12
1-6-4- تقسیم بندی بر اساس شکل هندسی سطح غشاء………………………………………………………………….13
1-7- مدول های فرآیندهای غشایی……………………………………………………………………………………………….13
1-8- مزایای کاربرد تکنولوژی غشاء……………………………………………………………………………………………….16
1-9-کاربردهای فرآیندهای جداسازی توسط غشاء………………………………………………………………………………17
1-01- محدودیت های کاربرد تکنولوژی غشاء…………………………………………………………………………………….19
1-01-1- پلاریزاسیون غلظتی…………………………………………………………………………………………………….19
1-01-2- گرفتگی غشاء……………………………………………………………………………………………………………19
1-01-3- مد ل سازی و پیش بینی رفتار غشاء………………………………………………………………………………….19
1-01-4- پایداری غشاء……………………………………………………………………………………………………………20
1-01-5- جداسازی ناقص…………………………………………………………………………………………………………20
1-11- نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………20

فصل دوم – برسی فرآیند اسمزمعکوس

2-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………… 22
2-2- تاریخچه…………………………………………………………………………………………………………………… 22
2-3- اسمزواسمزمعکوس……………………………………………………………………………………………………. 23
2-4- پتانسیل شیمیایی……………………………………………………………………………………….ا……………… 27
2-5- پلاریزاسیون غلظتی…………………………………………………………………………………………………….. 28
2-6- اثرات پلاریزاسیون غلظتی درRO ………………..ا…………………………………………………………………… 29
2-7- نیروی محرکهRO ………………ا………………………………………………………………………………………. 30
2-8- جداسازی و ضریب انتقال جرم ………………………………………………………………………………………..32
2-9- بازیافت…………………………………………………………………………………………………………………… 34
2-01- مکانیسم های انتقال جرم درRO ………………………ا ………………………………………….………………………. 35
2-11- مراحل تصفیه به روشRO ………ا………………………………………………………………………………….. 36
2-21- مقایسهRO با سایر روش های تصفیه……………………………………………………………………………… 42
2-31- کاربرد فرآیندهای غشایی………………………………………………………………………………………….. 48
2-41- کاربردهای RO در فرآیندهای صنعتی…………………………………………………………………………….. 50
2-51- غشاهای RO……………….ا……………………………………………………………………………………….51
2-61- خواص ساختمانی ………………………………………………………………………………………………… 52
2-71- خواص فیزیکی و شیمیایی …………………………………………………………………………………….. 52
2-81- جنس غشاها …………………………………………………………………………………………………….. 53
2-91- انواع مدول ها………………………………………………………………………………………………………. 54
2-02- مقایسه مدول ها…………………………………………………………………………………………………… 63
2-12- انتخاب مدول ها……………………………………………………………………………………………………. 66
2-22- گرفتگی غشاء………………………………………………………………………………………………………. 66
2-32- آلودگی ناشی از اکسیداسیون روی غشاء………………………………………………………………………..68

فصل سوم – بررسی مدل های مختلف کاهش فلاکس و انتقال در اسمزمعکوس

3-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………….. 70
3-2- مدل های مختلف کاهش فلاکس درRO ……………………ا……………………………………………………… 70
3-2-1- مدل انحلال – نفوذ …………………………………………………………………………………………………. 70
3-2-2- مدل انحلال – نفوذ غیرایده آل………………………………………………………………………………………. 27
3-2-3- مدل جذب ترجیحی – جریان مویینگی ……………………………………………………………………………. 72
3-2-4- مدل هرمی ا………………………………………………………………………………………………………….. 73
3-2-4-1- مکانیسم فیلتراسیون با گرفتگی کل حفرات……………………………………………………………………… 74
3-2-4-2- مکانیسم فیلتراسیون با گرفتگی استاندارد حفرات …………………………………………………………….. 74
3-2-4-3- مکانیسم فیلتراسیون با گرفتگی متوسط حفرات………………………………………………………………….74
3-2-4-4- مکانیسم مدل فیلتراسیون کیک…………………………………………………………………………………… 75
3-2-5- مدل نوشوندگی سطح ………………………………………………………………………………………………. 76
3-2-6- مدل ژل………………………………………………………………………………………………………………… 77
3-2-7- مدل انتقال و فیلتراسیون پایدار……………………………………………………………………………………… 77
3-3- مدل های انتقال در اسمزمعکوس ……………………………………………………………………………………. 78
3-3-1- مدل های انتقال بر اساس ترمودینامیک غیربرگشتی……………………………………………………………. 78
3-3-1-1- مدل کدم – کاتچالسکی………………………………………………………………………………………… 97
3-3-1-2- مدل کدم – اشپیگلر…………………………………………………………………………………………….. 81
3-4- مدل های انتقال بر اساس دیدگاه تخلخل در غشاء………………………………………………………………. 83
3-4-1- مدل انحلال- نفوذ…………………………………………………………………………………………………. 83
3-4-2- مدل انحلال – نفوذ غیرایده آل ………………………………………………………………………………….. 84
3-4-3- مدل انحلال نفوذ توسعه یافته………………………………………………………………………………………84
3-5- مدل های انتقال بر اساس دیدگاه تخلخل در غشاء………………………………………………………………..85
3-5-3- مدل نیروی سطحی – جریان حفره ای (SF-PF )………ا……………………………………………………….87
3-5-3-1- بررسی شارهای جزء حل شونده در جهت شعاعی………………………………………………………….89
3-5-3-2- بررسی شارهای جزء حل شونده در جهت محوری………………………………………………………….90
3-6- ارائه یک مدل عددی مناسب جهت کنترل پارامترهای عملیاتی………………………………………………….91
3-6-1- چکیده………………………………………………………………………………………………………………..91
3-6-2- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………….91
3-6-3- تئوری ……………………………………………………………………………………………………………….92
1-3-6-3 معادلات حاکم……………………………………………………………………………………………………92
3-6-3-2- حل عددی……………………………………………………………………………………………………….93
3-6-4- شبیه سازی……………………………………………………………………………………………………….96
3-6-4-1- روابط غیرخطی در فرآیندهایRO …….ا……………………………………………………………………..96
3-7- بحث و نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………….97

فصل چهارم – راه اندازی Set up و انجام آزمایش ها

4-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………….100
4-2- سیستم آزمایشگاهی مورد استفاده در بررسی های تجربی ………………………………………………100
3-4 روش بررسی………………………………………………………………………………………………………..104
4-3-1- اندازه گیری فلاکس آب خالص……………………………………………………………………………………105
4-3-2- بررسی آماری نتایج آزمایش آب مقطر……………………………………………………………………………106
4-4- انجام آزمایشهایRO …………..ا……………………………………………………………………………………108
4-4-1- بررسی آماری نتایج………………………………………………………………………………………………108
5-4 – نتیجه گیری ……………………………………………………………………………………………………… 113

فصل پنجم – بررسی نتایج آزمایشگاهی و ارزیابی مدل

5-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………. 115
2-5 – تعیین شرایط بهینه عملیاتی………………………………………………………………………………………. 115
5-2-1- اثر فشار بر میزان تراوش آب مقطر…………………………………………………………………………. 115
5.-2-2- بررسی اثر فشار بر میزان تراوش خوراک…………………………………………………………………… 116
. 3-2-5 – بررسی اثر دما بر میزان تراوش………………………………………………………………………….. 117
5-2-3-1- بررسی اثر دما بر میزان تراوش آب مقطر………………………………………………………………… 117
5-2-3-2- اثر دما بر میزان تراوش خوراک…………………………………………………………………………… 118
5-2-6- اثر غلظت بر میزان تراوش خوراک…………………………………………………………………………… 119
5-2-7- اثرسرعت بر میزان تراوش خوراک…………………………………………………………………………… 119
5-3- آزمایش تأیید کننده روش تاگوچی…………………………………………………………………………….. ١٢٠
5-4- نتیجه گیری و پیشنهاد………………………………………………………………………………………… 121.
پیوست…………………………………………………………………………………………………………………. 122
.فهرست منابع فارسی……………………………………………………………………………………………………134
.فهرست منابع غیرفارسی……………………………………………………………………………………………….1.35

فهرست جداول

جدول 1-1- توسعه تاریخی غشاها…………………………………………………………………………………………….6
1 جدول 1-2- مثال هایی از کاربردهای جاری فرآیندهای جداسازی توسط غشاء………………………………………..17
جدول 1-3- فرآیندهای غشایی و خصوصیات آنها…………………………………………………………………………….18
جدول 1-4- بازار جهانی غشاها و مدول ها برای برخی فرآیندهای غشایی………………………………………………19
جدو ل2-1- فشار اسمزی برخی از محلول ها درºC 25 برحسب(psi) ………………ا……………………..……………….. 72
جدول 2-2- تقسیم بندی روشهای جداسازی بر اساس نیروی محرکه…………………………………………………… 31
جدول 2-3- مواد شیمیایی مورد استفاده در تصفیه مقدماتی آب…………………………………………………………. 38
. جدول 2-4- مشخصات فرآیندهای جدا سازی………………………………………………………………………………..43
.جدو ل2-5- هزینه آب شیرین به روشRO……ا………………………………………………………………………………44
. جدول2-6- مقایسه انرژی مصرفی درروش های نمک زدایی……………………………………………………………….46
.جدول 2-7- قابلیت فرآیندهای جداسازی در زمینه های مختلف…………………………………………………………….47
جدول 2-8- محدوده عملکرد فرآیندهای غشایی………………………………………………………………………….. 53
جدول 2-9- تولیدکنندگان مدول های لوله ای…………………………………………………………………………….. 55
جدول 2-10 تولیدکنندگان مدول های قاب و صفحه………………………………………………………………………. 57
جدول 2-11- تولیدکنندگان مدول های الیاف توخالی……………………………………………………………………… 59
جدول 2-21- تولیدکنندگان غشاهای حلزونی…………………………………………………………………………….. 63
جدول 2-31- مقایسه مدولهای RO………………ا……………………………………………………………………….. 65
جدول 2-41- مزایا و معایب ماجول های مختلف ………………………………………………………………………… 65
جدول 2-51- روش های کاهش رسوب …………………………………………………………………………………….67
جدول 3-1- مقایسه بین مقادیر بازیافت ……………………………………………………………………………………97
جدول 4-1- سطوح مختلف عوامل مورد بررسی برای آب مقطر در آزمایش هایRO ….ا……………………………….105
جدول 4-2- مقدار سطوح مختلف در آزمایش های طراحی شدهRO برای آب مقطر……………………………………..105
جدول 4-3- نتایج حاصل از انجام آزمایش های آب مقطر ، تکرار اول………………………………………………………106
جدول 4-4- نتایج حاصل از انجام آزمایش های آب مقطر ، تکرار دوم………………………………………………………106
جدول 4-5- نتایج آماری ارائه شده توسط نرم افزار تاگوچی در مورد آب مقطر……………………………………………107
جدول 4-6- نتایج متوسط آماری ارائه شده توسط نرم افزار تاگوچی برای آب مقطر …………………………………….107
جدول 4-7- سطوح مختلف عوامل مورد بررسی در آزمایش هایRO ……….ا……………………………………………108
جدول 4-8- مقدار سطوح مختلف در آزمایش های طراحی شده RO توسط نرم افزار تاگوچی……………………….. 109
جدول 4-9- نتایج حاصله از انجام آزمایش هایRO ، تکرار اول…………………………………………………………… 109
جدول 4-01- نتایج حاصله از انجام آزمایش هایRO ، تکرار دوم……………………………………………………………109
جدول 4-11- نتایج آماری ارائه شده توسط نرم افزار تاگوچی در آزمایش هایRO ……..ا………………………………110
جدول 4-21- نتایج متوسط آماری ارائه شده توسط نرم افزار تاگوچی درمورد …………………………………………. 110
جدول 4-31- میزان اثر عوامل مختلف بر شار عبوری از غشاءRO ……..ا…………………………………………………111
جدول 4-41- مقادیر غلظت محصول و میزان دفع نمک در هر مرحله از آزمایش…………………………………………..112
جدول 5-1- آزمایش تأیید کننده روش تاگوچی………………………………………………………………………………. 120

فهرست شکلها

شکل 1-1 – نمایش ترسیمی دو فاز جدا شده توسط یک غشاء………………………………………………………………3
شکل 1-2- ساختمان یک غشاء نامتقارن…………………………………………………………………………………………4
شکل 1-3- ابعاد ذرات جداسازی توسط فرآیندهای غشایی………………………………………………………………….. 7
شکل 1-4- نمایش روند انتقال جرم از میان یک غشاء نامتقارن…………………………………………………………….. 10
شکل 1-5- تقسیم بندی غشاها بر اساس دانه بندی …………………………………………………………………….. 13
شکل 1-6- چهار نوع طرح اصلی مدول غشایی………………………………………………………………………………15
شکل 1-7- نمای شماتیک از یک فرآیند غشایی……………………………………………………………………………….16
شکل 2-1- a) نمای شماتیک اسمز و فشار اسمزی b) پدیده اسمزمعکوس…………………………………………… 25
شکل 2-2- نیروی محرکه RO ….ا…………………………………………………………………………………………… 29
شکل 2-3- شمای کلی یک واحدRO …………..ا………………………………………………………………………….. 36
.شکل 2-4- تغییرات دبی آب تصفیه شده با زمان………………………………………………………………………….39
. شکل 2-5- RO یک مرحله ای……………………………………………………………………………………………….40
شکل 2-6- یک نمونه طراحی شده واحد RO……….ا………………………………………………………………………41
شکل 2-7- مقایسه هزینه های نمک زدایی بر حسب غلظت ……………………………………………………………42
شکل 2-8- فرآیندهای مناسب فیلتراسیون برای جداسازی ، شفاف کردن و تغلیظ…………………………………….43
شکل 2-9- اثر غلظت ناخالصی های آب ورودی روی اتلاف انرژی در فرآیند RO….ا……………………………………. 45
شکل 2-01- محدوده انتخاب فرآیندهای نمک زدایی ………………………………………………………………………..48
.شکل 2-11- محدوده pH مجاز برای چند نوع غشاء………………………………………………………………………..57
.شکل 2-21- مدول لوله ای…………………………………………………………………………………………………….58
.شکل 2-31 – مدول قاب و صفحه…………………………………………………………………………………………….59
..شکل 2-14- مدول الیاف توخالی…………………………………………………………………………………………….60
.شکل2-51 – ساختمان مدول حلزونی……………………………………………………………………………………….61
شکل 2-61- طرحی از یک المانRO ………ا…………………………………………………………………………………61
شکل 2-71- جریان خوراک و محصول در یک مدول RO……….ا…………………………………………………………….62
شکل2-81- نسبت حجم hold up به سطح غشاء بر حسب طول جداسازی(mm )………ا…………………………. 64
شکل 3-1- سیستم محور استوانه ای در یک حفره غشاء ………………………………………………………………. 87
شکل 3-2- a ) مدول حلزونی b ) مقطع عرضی در یک کانال حاوی فاصله انداز ………………………………………. 92
..شکل 3-3- فلاکس بر حسب فشار در غلظت های کم نمک……………………………………………………………..97
.شکل 3-4- مقادیر بازیافت بر حسب فشار در غلظت های زیاد نمک در خوراک…………………………………………98
.RO آزمایشگاهی Set up ، PFD-1-4 شکل……………………………………………………………………………….101
.شکل 4-2- نمای واقعی RO ، Set up (نمای کلی)………………………………………………………………………102
.شکل 4-3- مدول مورد استفاده در Set up فرآیند اسمزمعکوس…………………………………………………………103
.شکل 4-4- نمای واقعی مدول مورد استفاده در Set up ، اسمزمعکوس………………………………………………103
.شکل 4-5- نمای واقعی مخزن خوراک به همراه دو کویل سرمایشی از جنس برنج………………………………….104
شکل 4-6- اثر غلظت برمیزان هدایت محلول…………………………………………………………………………….. 111
شکل 4-7- اثر دما بر مقاومت ذاتی غشاء………………………………………………………………………………… 113
.شکل 5-1- بررسی اثر فشار بر میزان تراوش آب مقطر………………………………………………………………….116
شکل 5-2- تأثیر فشار بر میزان تراوش خوراک درغلظت gr/lit10 و سرعت m/s2 در دماهای متفاوت با استفاده از مدل و مقایسه آن با نتایج حاصل از مدل……………………………………………………………………………………………………..117
شکل 5-3- تأثیر دما بر روی میزان تراوش آب مقطر………………………………………………………………………118
شکل 5-4- تأثیر دما بر میزان تراوش خوراک درفشار و سرعت ثابت در غلظتهای مختلف با استفاده از مدل و مقایسه آن با نتایج حاصل از مدل…………………………………………………………………………………………………………………118
شکل 5-5- اثر غلظت بر شار خوراک از غشاء RO در دما و سرعت ثابت در فشارهای مختلف با استفاده از مدل و مقایسه آن با نتایج حاصل از مدل…………………………………………………………………………………………………………..119
شکل 5-6- اثر سرعت بر شار خوراک از غشاء RO………..ا…………………………………………………………….120

فصل اول
1-1- هدف :
اهمیت فرآیندهای جداسازی مبتنی بر انتقال جرم برای مهندسین شیمی به خوبی روشن است.
امروزه به ندرت می توان یک فرآیند شیمیایی را یافت که در آن به خالص سازی و یا جداسازینهایی محصولات از فرآورده های جانبی حاصل از واکنش نیاز نباشد. همچنین در دهه های اخیر نیازروزافزونی برای به کارگیری این فرآیندها در جهت کنترل آلودگی و حفاظت محیط زیست احساسشده است و این کنترل خصوصاً در مورد خود صنایع شیمیایی که از عمده ترین منابع آلوده کنندهمحیط هستند با جدیت بیشتری صورت می گیرد.
تعداد قابل توجهی از روش های جداسازی با ایجاد یک فاز دوم و انتقال جرم بین این دو فاز انجام می گیرن د. روش هایی چون تقطیر و تبلور از این جمله به شمار می آیند. در این روش ها برای ایجادفاز دوم به مصرف انرژی قابل توجهی نیاز می باشد. از سوی دیگر در برخی از روش های جداسازی فاز دوم یک ماده شیمیایی ثانویه است که به فاز خوراک افزوده می شود. در این فرآیندها که جذبسطحی و استخراج مثال های بارز آن به شمار می روند ، اگر چه انتقال جرم به عنوان عامل اصلی برایجداسازی شناخته می شود اما در نهایت این فرآیندها نیز برای جداسازی نهایی و بازیافت فاز دوم نیازمند فرآیندهای دسته اول و در نتیجه نیازمند به صرف انرژی قابل ملاحظه ای هستند.
توجهی که در دهه های اخیر به صرفه جویی در میزان مصرف انرژی صنایع معطوف شده درمهندسی شیمی نیز جایگاه ویژه ای یافته است. در موضوع مورد بحث یعنی فرآیندهای جداسازیاین انگیزه در طراحی فرآیندها تقویت شده است که تا حد امکان از تشکیل فاز دوم اجتناب شود بهاین صورت در مصرف انرژی تا حد امکان ، صرفه جویی قابل ملاحظه ای به عمل آید. بدین ترتیبتوجه به گروهی از فرآیندها معطوف گردیده که جداسازی را بدون تغییر فاز انجام می دهن د. عنصراصلی در این نوع فرآیندها یک فیلتر می باشد. فیلتراسیون در یک تعریف کلیعبارت است از جداسازی مواد از یک سیال به وسیله عبور دادن آن سیال از یک جسم متخلخل کهبطور نسبی برخی از اجزای مخلوط را نگهداری می کند و به سایر اجزاء اجازه عبور می دهد. اگر چهفرآیند فیلتراسیون ساده که در آن از صافی هایی نظیر بسترهای شن، پارچه های کتان ، پشم شیشه وسایر مواد متخلخل برای جداسازی ذرات از مخلوط ها استفاده می شود، مدتهای مدید در صنایعشیمیایی مورد استفاده قرار گرفته و می گیرد اما موردی که سابقه کاربرد صنعتی آن تنها به دهه هایاخیر باز می گردد و قادر است جداسازی ذرات را در ابعادی کوچکتر از فیلتراسیون معمولی انجامدهد، تکنولوژی جداسازی توسط غشاء می باشد. برخی از فرآیندهای وابسته به این تکنولوژی قادرندجداسازی را در ابعاد مولکول ها و یون ها انجام دهند.

1-2- غشاء1 چیست؟
اشکال تعریف غشاء از تنوع استفاده هایی است که می توان از غشاء داشت. در واقع شاید یکتعریف ساده از غشاء بهترین تعریف باشد. یک غشاء عبارت است از یک مانع نازک کهبین دو سیالحد واسط شده است و حرکت یک یا چند جزء از یک یا هر دو سیال را از درون مان ع محدود کردهاست. یک غشاء می تواند از گستره وسیعی از مواد، آلی یا معدنی، نامتقارن یا متقارن، مسطح یا لولهای، با ضخامتnm 100 تا حدودmm 1، خالص یا کامپوزیتی و حفره دار یا فشرده (به صورت یکجامد بسیار تراوا در درون یک ماتریس با تراوایی کمتر) ساخته شده باشد. یک شمای کلی فرآیندغشایی در شکل (1-1) ارائه شده است [٢۶].

تکنولوژی غشاء
1-3- مروری بر تاریخچه پیشرفت و توسعه تکنولوژی جداسازی غشایی
نخستین مورد از به کارگیری غشاها در دهه 1920 در مقیاس آزمایشگاهی ملاحظه شد. این غشاءبرای عملیات میکروفیلتراسیون (MF)2 و به منظور جداسازی باکتریها مورد استفاده قرار گرفت.
کاربرد غشاها در مقیاس آزمایشگاهی تا دهه 1960 ادام ه یافت تا اینکه غشاهای نامتقارن از جنساستات سلول ز3 توسط لوئب1 و سوریراجان2 برای فرآیند اسمزمعکوس3 (RO) ساخته شدن د. آنها
توانستند با ساختن یک لایه نازک به ضخامت (µm 0/1 – 1/0 ) بر روی یک پایه متخلخل غشاءنامتقارنی از استات سلولز مانند شکل (1-1) تولید کنند 1[].

این غشاها از یک سو دارای ضخامت زیاد و مقاومت مکانیکی مناسب بودند و از سوی دیگر میزانتراوش سیال از میان آنها در حد قابل قبولی بود. درهمین دهه غشاهای نامتقارن پلیمری برای فرآینداولترافیلتراسیون4 (UF) توسط میکائیل5 ساخته شدند و سپس بارر6 یک نوع غشاء پلیمری را برایفرآیند جداسازی گازها تحت عنوان نفوذ گاز7(GP) ابداع کردند. تا قبل از آن فرآیند جداسازیگازها تنها توسط غشاهای سرامیکی و برای غنی سازی اورانیوم 235 صورت می پذیرفت [1].
در اواسط دهه 1960 فرآیندMF برای استریل کردن مایعات و گازها بکار گرفته ش د. مزیت اینروش استریل کردن نسبت به سایر روش های فیزیکی و شیمیایی این است که در این روش سیالکاملاً عاری از باکتری می شود در حالی که در سایر روش ها تنها به کشتن باکتری ها اکتفا می گرددو بدین ترتیب در سیال اجزای مرده باکتری ها باقی می مانند که در برخی موارد می تواند مشکلآفرین باشد. در همین دهه فرآیند الکترودیالیز8 (ED) نیز برای نخستین بار ابداع گردید. در دهه1970UF برای اولین بار در صنایع لبنی مورد استفاده قرار گرفت. با توجه به این که عمده ترینترکیبات با ارزش مواد لبنی مولکول های پروتئین هستند، استفاده از این فرآیند می تواند برای بازیافت آنها از مواد فرعی این صنعت ( نظیر آب پنیر ) و یا تغلیظ مواد لبنی مفید باشد [1].
در دهه 1970 تحقیقات زیادی در زمینه فرآیند های مختلف غشایی صورت گرفت و این گستردگیوجود یک مجله تخصصی در این زمینه را الزامی نمود. از این رو در سال 1973 مجلهJournal of Membrane Science انتشار یافت که اکنون مرجع اصلی تحقیقات در این زمینه می باشد.
در نخستین غشاهای ساخته شده عمدتاً مشکلات به ناهمگن بودن غشاها مربوط می شد. یعنی ابعادحفره های غشاء یکسان نبودند و پراکندگی توزیع اندازه آنها بسیار زیاد بود. همچنین این غشاها عمرمفید بسیار کوتاهی ( در حدود یک ماه ) داشتند. امروزه صرف نظر از ساخت غشاهایی با ابعاد همسانحفره ها عمر مفید آنها نیز افزایش قابل ملاحظه ای یافته است. در حال حاضر عمر مفید غشاهایUF در حدود 2 سال و عمر مفید غشاهای RO در حدود 5 سال می باشد1[].
در دهه 1980 واحد های صنعتی و بزرگ جداسازی گازها توسط غشاء ساخته شد. این دهه همچنینشاهد ابداع یکی دیگر از فرآیند های این تکنولوژی با عنوان تراوش تبخیری1(PV) توسط جان نیل2 بود. با ساخت غشاهای جدید فشار لازم برای انجام جداسازی و بنابراین میزان مصرف انرژی به مقدارقابل ملاحظ ه ای کاهش یافته است. امروزه همچنین فرآیند های ترکیبی3 با ترکیب فرآیند های غشاییو سایر فرآیندهای جداسازی ( از جمله تقطیرغشایی4 )(MD) ابداع شده اند که باعث افزایش قابلقبولی در راندمان جداسازی گشته اند. جهت گیری بسیاری از تحقیقات اخیر به سمت توسعه روشهای تولید و به کارگیری غشاهای معدنی(سرامیکی) و فلزی به جای غشاهای پلیمری می باشد.
جدول1-1- توسعه تاریخی غشاها
توسعه مهم سال
اب نولت نفوذ آب از محلول غلیظ به محلول رقیق را انجام داد. 1748
اولین پلیمر مصنوعی (یا نیمه مصنوعی) که توسط شون بین1 مورد مطالعه قرار گرفت و در سال 1869 به تولید تجاری رسید. 1846فیک2 غشاء نیترات سلولز را در مطالعات کلاسیکش در مورد نفوذ Ueber به کار گرفت. 1855
غشاء های مصنوعی فیک و تراوب3 (نیترات سلولز) تهیه شدند. 1855
بچهولد4 اندازه حفرات در غشاءهای UF را کنترل کرد. 1907
شرکت سارتوریوس5، غشاءهای تجاری را تهیه کرد. 1927
روشهای کشت باکتری توسط دانشمندان آلمانی انجام شد. 1945
غشاءها به طور رسمی توسط USPH پذیرفته شدند. 1957
ساوریراجان اولین موفقیت در نمک زدایی آب را به دست آورد. 1958
1-4 – مروری بر فرآیند جداسازی غشایی
فرآیند های جداسازی توسط غشاها بسته به نوع جداسازی مورد نظر، انواع متنوعی دارند اما در همهآنها وجه مشترک، وجود غشایی است که مانع از مخلوط شدن دو فاز با یکدیگر است. این غشاء اگرچه از اختلاط مستقیم دو فاز جلوگیری می کند اما انتقال جرم مورد نظر (ذرات ریز مولکول هایکوچک و یا حتی یون ها) از طریق نفوذ از یک سوی غشاء به سمت دیگر آن صورت می گیرد و بههمین علت از اصطلاح » نیمه تراوا « برای توصیف این غشاها استفاده می گردد [3].
فرآیندهای جداسازی توسط غشاء بسته به ماهیت دو فازی که توسط غشاء از یکدیگر جدا نگهداشته می شوند به سه گروه عمده ذیل طبقه بندی می گردند :
1- فرآیندهای گاز – گاز
2- فرآیندهای مایع – گاز
3- فرآیندهای مایع – مایع
مهم ترین فرآیند گاز – گاز در تکنولوژی غشاء تراوش گاز است. غشاء م ورد استفاده در این فرآیندفاقد تخلخل است. اجزای گازی مورد نظر برای عبور از غشاء ابتدا در آن حل می شوند و سپسنفوذکرده و در سوی دیگر به صورت گاز آزاد می گردند. مشخص است که در این حالت جداسازی اجزای مخلوط گاز بر اساس اختلاف حلالیت آنها در غشاء صورت خواهد گرف ت. مثالی از کاربرد فرآیند تراوش گاز ، جداسازی هلیوم از گاز طبیعی است.
در فرآیند گاز – مایع ، جزء مورد نظر از یک محلول مایع، در یک غشاء غیر متخلخل حل شده و پساز نفوذ از آن ، در داخل یک فاز گازی با فشار کم ، تبخیر می گردد. مهم ترین کاربرد صنعتی اینفرآیند آبگیری از اتانول 94 % به منظور تغلیظ آن است.
فرآیندهای مایع – مایع دارای تنوع بیشتری هستند. دیالیز2RO ، ED ، (D) ، نانوفیلتراسیون3(NF) UF وMF همگی در این دسته جای می گیرند. در تمامی این فرآیند ها ، یک غشاء برخی ازمولکول ها یا ذرات را به طور انتخابی از یک محلول به یک فاز مایع دیگر در آن سوی خود انتقال می دهد. نیروی محرکه لازم برای این انتقال، وجه تمایز این فرآیند هاست. در دیالیز نیرویمحرکه برای انتقال جرم ، اختلاف غلظت جزء حل شده در دو سوی غشاء است. در الکترودیالیزنیروی محرکه ، یک میدان الکتریکی است که سبب می شود ذرات باردار از غشاء عبور کنند. در UF ، NF ، RO وMF ، نیروی محرکه اختلاف فشاری است که به سیستم تحمیل می گردد.

تکنولوژی فرآیندهای غشایی و بررسی فرآیند اسمزمعکوس و بررسی مدل های مختلف کاهش فلاکس و انتقال در اسمزمعکوس

تکنولوژی فرآیندهای غشایی و بررسی فرآیند اسمزمعکوس و بررسی مدل های مختلف کاهش فلاکس و انتقال در اسمزمعکوس

فصل دوم

معرفی اسمزمعکوس
2-1 – مقدمه
روش های گوناگونی برای تصفیه و خالص سازی آب جهت مصارف گوناگون خصوصاً مصارف صنعتی وجود دارد که هریک دارای معایب و مزایای خود بوده و برحسب شرایط اقتصادی ونیازهای مصرف کننده نسبت به سایر روش ها ارجحیت یافته و توسط مهندسین برای پروژه موردنظر انتخاب وطراحی می گردند.
RO نیز یکی از این رو ش ها می باشد که توانایی تولید آب باخلوص بسیار بالا ( جدا سازی 99% مواد معدنی حل شده ، 97% مواد آلی وکلوئیدی ) را دارد.
این رو ش حتی برای شیرین نمودن آب دریا به طور وسیعی کاربرد داشته و روز به روز جذابیت بیشتری می یاب د.RO د ر تصفیه آب صنایع نیز به دلیل تهیه آب با کیفیت مناسب از جایگاه ویژ ه ایبرخوردار می باشد. از معایب این سیستم تنها می توان هزینه اولیه تهیه مواد آن را نام برد که حتیکیفیت آب خروجی این تصفیه را تاحدی تحت الشعاع قرار خواهد داد.
دراین بخش به بررسی دقیق این سیستم که دارای تکنولوژی بسیار بالایی می باشد پرداخته وتا حد ممکن جزئیات این سیستم را روشن خواهیم نمود.
2-2 – تاریخچــه
پدیده اسمز درسال 1748 توسط فیزیکدان فرانسوی نولت1 کشف ش د. او دریافت، آب از میانغشاء ساخته شده از مثانه خوک به داخل الکل نفوذ می کند. پس از گذشت یک قرن درسال 1867 شیمیدان آلمانی به نام تراوب2 آزمایشاتی با غشاهایی مصنوعی انجام داد. ولی از ابتد ای کشفپدیده اسمز، تا استفاده از اسمزمعکوس حدود 200 سال طول کشید. درسال 1950 دو دانشمند به نامهای برتون3 و رید4 دردانشگاه فلوریدا ، غشاهایی از استات سلولز ساختند وگا م مهم ی درپیشرفت
اسمز معکوس برداشتند.
دراوایل دهه 60 دو دانشمند دیگر به نام های لوئ ب و سوریراجان از دانشگاه کالیفرنیا واقع درلوس آ نجلس روی تکنولوژی غشاها کار کرده و غشایی از استات سلولز تهیه نمودند که نه تنهاجریان آب زیادی از خود عبور می داد، بلکه خاصیت کاهش نمک ها را نیز داشته و تولید تجاری آن را امکان پذیر نمودند.
غشاء این دو دانشمند نسبت به دو دانشمند فلوریدایی 10 برابر بیشتر آب را از خود عبور می دا د ودرعین حال بازدهی نزدیک به 95% داشت.
دانشمندان مت عدد دیگری نیز روی این موضوع کارکرده و با انتشارکتب و مقالات گوناگون بهپیشرفت ف رآیند اسمز معکوس سرعت بخشیدند که می توان از مرتن1 با کتابی تحت عنوان »حذف نمک با استفاده از اسمز معکوس « یا از اشپیگلر2 وکتب او با نام » تصفیه آب دریا « و » اصول نمک گیری « نام برد.
بعد ها بر اساس نظریات دانشمندی به نام دابی3 ،لوئب و سوریراجان دریافتند که می توان با افزودننمک های کلره محلول درآب، خصوصیات غشاء استات سلولزی را بهبود بخشید. آنها برهمیناساس ساختمان غشاء خود را به صورتی بهینه ساختند که بدون کاهش کیفیت آب خروجی میتوانست جریان آب بیشتری را ازخود عبور دهد.
درسال های بعد منجیکیان4 و همکاران وی کشف کردند که با جایگزینی فورمامید درساختمان غشاءمی توانند عمل تصفیه رادردمای معمولی نیز انجام دهند، روند توسعه هم چنان طی سال های 1972 و 1973 ادامه یافت و دانشمندان و آزمایشگاههای بسیاری موفق به توسعه وپیشبرد سیستم هایRO شدند.
درنتیجه ای ن مطالعات و پیشرفت ها واحد هایRO با ابعاد بسیار بزرگ ساخته شده وجهت استفادهعمومی به بازار عرضه شدند. امروزه غشاهایی با کیفیت بسیار بالااز جنس پلی آمید5 (PA) وجود داردکه دارای مزایای بسیار زیادی نسبت به غشاهایی از نوع استات سلولز6 (CA)می باشد از آن جمله می توان فشار کم بسیار کمتر، حساسی ت کمتر به تغییراتpH = 4-11) pH) مقاومت بیشتر دربرابردرجه حرارت عملیاتی، مقاومت دربرابر هیدرولیز و حمله باکتریها دوام وطول عمر بیشتر را ذکر
نمود.
نسبت آب تصفیه شده به آب ورودی دراین سیستم ها ت ا بیش از 90 % نیز می باشد. درعین حال اینغشاها دربرابر کلر و سایر اکسید کننده ها بسیار حساس هستند.

2-3- اسمز و اسمز معکوس
پدیده اسمز تمایل حلال خالص برای وارد شدن درمحلول است که توسط یک غشاء نیمه تراوا( غشایی که نسبت به حلال تراوا و نسبت به حل شونده ناتراواست ) از حلال جدا شده باشد.

بدین ترتیب آب خالص که توسط یک غشاء نیمه تراو ا ا ز محلول آب نمک جدا شده است، بهطرف محلول آب نمک جریان می یابد (اسمز طبیعی ).
از آ ن جایی که مواد حل شده درمحلول غلیظ تر نمی تواند از درون غشاء عبور کند وبه محلولرقیق تر نفوذ نماید (زیرا غشا ءآن مواد را ازخود دفع می کند ) لذا با حرکت حلال از محلول رقیق تر و افزایش پتانسیل شیمیایی حلال درمحلول غلیظ تر سیستم به سوی تعادل پیش می رود. این عمل (انتقال حلال به محلول غلیظ تر) تا زمانی که پتانسیل شیمیایی حلال در هر دو محلول غلیظ و رقیق با هم برابرشود، ادامه می یابد، این تعادل نهایی را اصطلاحاً (تعادل اسمزی 1 ) می نامند.
اختلاف سطحی که پس ازبرقراری حالت تعادل در دو محلول غلیظ و رقیق مشاهده می شود را فشاراسمزی2 می نامند . در جدول 1-2( ) فشار اسمزی بعضی از محلول ها ارائه شده است.
برای محلول خیلی رقیق فشار اسمزی همانند فشار درگازهای ایده آل عمل می کند پس خواهیمداشت : (2-1) πv =nRT
که د رمعادله فوقπ فشار اسمزی ،v حجم مولی محلول ،n تعداد مول های ناخالصی ( حل شونده) R ثابت گازها وT دمای مطلق است. فشار اسمزی محلول ها درحالت کلی از رابطه زیرمحاسبه می شود :
πv =ΦnRT (2-2)

که در معادله بالا Φ ضریب فشار اسمزی است. برای بسیاری از محلول هاФ کمتر از 1 اس ت.
فشار اسمزی را می توان طبق رابطه ذیل تخمین زد :
π = ١/١٩(T+٢٧٣)ΣMi ( 3-2)
که درآنMi غلظت مولی (mol/lit ) هریک از یون ها وT دمای آب برحسب درجه سانتیگراد می باش د. طبق ی ک محاسبه سرانگشتی به ازای هر( TDS3 ) 100 ppm فشار اسمزی به اندازه psia1 افزایش می یابد.
حال اگر فشاری بیشتر از فشار اسمزی(π) به محلول رقیق شده وارد شود سیستم از حالت تعادلخارج و حالت تعادلی جدیدی را می طلبد این امر تنها با عبور معکوس حلال از محلول غلیظ به محلول رقیق امکان پذیر است. این پدیده به اسمز معکوس یا RO معروف است.

بنابراینRO یک روش جدا سازی ناخالصی ها از آب می باشد که نیروی محرکه جداسازی اعمالفشار مکانیکی است.
این فرآیند را گاهی فرافیلتراسیون1 می نامند. با این تفاوت که درفیلتراسیون، فشار اسمزی بسیار ناچیزاست واصولاً نقشی ندارد. درفیلتراسیون اندازه ذرات مهم است ولی درRO علاوه بر اندازه ذرات فاکتورهای دیگری هم مطرح است. هر چه اندازه مولکول های ناخالصی بزرگتر باشد فشاراسمزیهم بیشتر است. دما باعث افزایش فشار اسمزی می گردد و درهمان حال موجب کاهش ویسکوزیتهمحلول نیز می شود.
واحدRO به صورت پیوسته کار می کند و میتواندTDS آب خام را تا99% کاهش دهد. درعمل کاهشTDS تا 95% طبیعی است. حذف باکتری ها، ویروس ها و دیگر میکروب ها با اسمز معکوس صد درصد است. اما به علت عدم آب بندی کامل مدولRO ، مقدار کمی از اینگونه ناخالصی ها ممکن است درآب تصفیه شده دیده شود. این فرآیند برای تهیه آب آشامیدنی از آب هایی که حاوی املاح زیاد و ناخالصی های آلی می باشد بسیار مناسب است و حتی قادر استکه ازآب دریا باppm 50000 ناخالص ی و آبهای شور ، آب آشامیدنی تهیه کند. بازده یک فرآیندRO با توجه به شکل ذیل چنین تعریف می شود [81].
2- 4 – پتانسیل شیمیایی
پتانسیل شیمیایی مادهµi) i ) در یک محلول به صورت ترمی از انرژی آزاد گ یبس تعری ف می شود که بعد از دیفرانسیل گیری از رابطه انرژی آزاد گیبس به صورت زیر در می آید :
µi = µi° + RTlnai ( 5-2)
که د رمعادله فو ق °µi پتانسیل شیمیایی مادهi درحالت استاندارد وai اکتیوتیه مادهi درمحلول می باش د. شرط تعادل ترمودینامیکی این است که پتانسیل شیمیایی هریک از اجزای محلول درتمامیفازها یکسان باشند که در این حالت هر ج ز به گونه ای در بین فازهای موجود در سیستم توزیع می شود که پتانسیل شیمیایی آن در تمام فازها با هم برابر باشد. دراسمز معکوس که دو فاز عبارتند از : دو محلول در دوطرف غشاء که هر دو محلول تمایل به یافتن حالت تعادل ترمودینامیکی دارند.
درحالی که ماده حل شده درمحلول غلیظ تر به دلیل وجود مقاومت غشاء نمی تواند به سمت تعادلترمودینامیکی در دو فاز دو طرف غشاء میل کند. لذا حلال با عبور خود از محلول رقیق تر به محلولغلیظ تر درنتیجه رقیق کردن محلول غلیظ تر وبالا بردن پتانسیل شیمیایی حلال درمحلول غلیظ تر سیستم را به حالت تعادل خود نزدیک می کند. معلوم است که پتانسیل شیمیایی تابعی از فشا ر، د ما، غلظت ، اجزاء محلول ( جزء مولی ) وجرم مولکولی آنهاست. با افزایش غلظت حلال در محلولغلیظ تر وهمچنین با افزایش فشار کل بر محلول غلیظ تر و پتانسیل شیمیایی حلال افزایش می یابد.
لذا زمانی که حلال از محلول رقیق تر به طرف محلول غلیظ تر می رود ، با رقیق کردن محلول
وهمچنین با ایجاد فشار اسمزی باعث افزایش پتانسیل شیمیایی درمحلول غلیظ تر شده و این عمل تازمانی که پتانسیل شیمیایی دو طرف غشاء یکسان شوند، ادامه می یابد.
2-5- پلاریزاسیون غلظتی]8[
پلاریزاسیون غل ظتی عبارت است از افزایش غلظت ماده حل شده در پشت غشاء به علت دفع ماده حل شده توسط غشاء و تجمع آن در نزدیکی سطح غشاء. این اثر از جهات مختلف می تواند بر انتقالمواد از درون غشا ء تاثیر بگذارد.
به عبارت دیگر وقتی ماده حل شده نتواند از غشاء عبور کند، غلظت آن درنزدیکی غشاء افزایش یافتهو از مقدار غلظت درتوده محلول خوراک، بیشتر می شود. درنتیجه یک لایه مرزی غلظتی درمجاورتسطح غشا ء تشکیل می شود که سبب نفوذ ماده حل شده از قسمت غشا ءبه سوی توده خوراک ( نفوذ رو به عقب ) می شو د. به این پدیده پلاریزاسیون غلظتی می گویند که می توان آنرا توسط تئوریفیلمی تفسیر کرد.
در شکل 2-2 نمایی از پلاریزاسیون غلظتی در سطح غشاء RO دیده می شود.
اثرات پلاریزاسیون غلظتی عبارتند از :
الف – فشار اسمزی محلول درفصل مشترک خوراک و غشاء نسبت به فشار اسمزی در توده خوراکزیادتر می شود.
ب- اگر غلظت ماده حل شده در لایه مرزی فو ق، از حد حلالیت بیشتر شود، امکان ایجاد رسوب و تهنشین شدن روی سطح غشاء وجود دارد. درنتیجه میزان رسوب نمک های کم محلول وترکیبات آلیبا وزن مولکولی بالا (پروتئین ها و پلیمرها) بر روی سطح غشاء افزایش و بازد ه کاهش می یابد. پدیده پلاریزاسیون غلظتی رانمی توا ن به طور کامل حذف نمود. اما از روش های زیر می توان جه ت به حداقل رساندن این پدیده، سود جست :

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان