انتخاب صفحه
فهرست مطالب

 فصل اوّل: کلیات و مباحث نظری

میعانات گازی[1] مایع­های هیدروکربنی از ترکیبات نفت خام خیلی سبک هستند که در پی تغییرات فشار و دما در گاز تولیدی از میدان­های گازی، پس از انتقال به جداکننده­های سطحی حاصل می­شوند. میعانات گازی به طور معمول از مایعات بی­رنگ تا مایعات با رنگ روشن با ته­رنگ­هایی از قرمز، سبز یا آبی درجه­بندی می­شوند. میعانات گازی AIP°بالایی در محدوده 40 تا 60 دارند و از نظر تجاری بسیار ارزشمند هستند[1].منطقه خاورمیانه به عنوان یکی از قطب­های تولید میعانات گازی در جهان به شمار می­آید، که بیشترین سهم در این زمینه از آن ایران و قطر است. میعانات گازی یکی از منابع مهم برای تولید بنزین و سوخت­های میان تقطیر است. همچنین بر اساس اصل یکصد و بیست و هفتم قانون جمهوری اسلامی ایران در مورد نحوه اجرای قانون توسعه حمل و نقل عمومی و مدیریت مصرف سوخت – مصوب سال 1386 – وزارت نفت مکلف به اجرای سریع­تر طرح تولید بنزین از میعانات گازی شد. بنابراین با توجه به شرایط کنونی کشور تولید بیشتر بنزین به عنوان یکی از مهم­ترین دغدغه­های کشور مطرح است. از طرفی واحدهایی که از میعانات گازی به عنوان خوراک استفاده می­کنند دارای راکتورها و کاتالیست­هایی هستند که به علت وجود یون کلر دچار مسمومیت و خوردگی می­شوند. در نتیجه مسمومیت کاتالیست­ها و خوردگی دستگاه­ها کارایی و بازده کاهش و هزینه­ها افزایش می­یابد. روش­های مختلفی از جمله تثبیت pH و ایجاد فیلم بازدارنده­های خوردگی[2]و پوشش­های مقاوم در برابر خوردگی[3] برای کاهش خوردگی انجام گرفته است. اما این روش­ها فقط مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می­دهند و یون­های خورنده کلر را از میعانات حذف نمی­کنند. یکی از بهترین روش­ها برای کاهش یون کلر در میعانات گازی استفاده از غشاهای سرامیکی نانوفیلتراسیون[2] است.غشاهای سرامیکی نانوفیلتراسیون به دلیل ویژگی­های مکانیکی، شیمیایی و دمایی مناسب به عنوان یکی از ابزارهای موفق برای جداسازی مطرح هستند. بنابراین هدف از انجام این پایان نامه جداسازی یون کلر با استفاده از غشاهای نانوفیلتزاسیون آلومینا-تیتانیا است. برای این کار ابتدا با استفاده از روش­های پرس کردن، سل-ژل و غوطه­وری غشاهای دولایه ساخته شد. سپس با استفاده از دستگاه­های فیلتراسیون غشایی عملکرد این غشاها به منظور جداسازی یون کلر در دمای محیط مورد بررسی قرار گرفت. همچنین اثر پارامترهای مختلف pH، غلظت و فشار نیز بررسی شد.

1-2- جداسازی تعادلی و جداسازی کنترل کننده سرعت

به طور کلی فرایندهای جداسازی مخلوط­های سیال می­تواند به دو دسته تقسیم شود: جداسازی تعادلی و جداسازی کنترل کننده سرعت. فرایندهای جداسازی متداول مانند تبخیر، تقطیر، استخراج، جذب سطحی و جذب، که در صنعت نیز استفاده می­شوند، بر اساس توزیع تعادلی بنا شده­اند. یک فاز اولیه که متشکل از مخلوطی از اجزاء به منظور جداسازی است، با یک فاز ثانویه در تماس مستقیم قرار می­گیرد. بعد از مدت زمان معینی، تعادل ترمودینامیکی بین دو فاز برقرار می­شود. این امر حاکی از آن است که هر دو فاز دمای یکسانی دارند و همه اجزاء دارای پتانسیل یکسانی در دو فاز می­باشند. گرچه ممکن است غلظت­های تحلیلی یک جزء در دو فاز متفاوت باشد، به عنوان مثال یک جزء می­تواند در یک فاز غنی باشد اما مقدارآن در فاز دیگر بسیار کم باشد. پس اساساً تعادل فاز به معنای برابری یک جزء در دو فاز نیست. حال اگر دو فاز توسط یک وسیله مناسب از هم جدا شده باشند، جزء غنی شده معمولاً با ایجاد یک تعادل جدید در فشار یا درجه حرارتمختلف می­تواند بازیافت شود. این روش می­تواند برای به دست آوردن فازی که در آن یکی از اجزاء با خلوص موردنظر وجود دارد، تکرار شود.

از سوی دیگر، اگر جداسازی ناشی از اختلاف در نرخ انتقال از طریق برخی واسطه­ها و تحت تأثیر نیرومحرکه­های اختلاف فشار، دما، غلظت یا میدان الکتریکی باشد، فرآیند جداسازی کنترل کننده سرعت نامیده می­شود. غشاء چنین واسطه ای است که یک فاز را از دیگری جدا می­کند. در شکل 1-1 تصویری از یک غشاء سلولی همزن­دار نشان داده شده است. غشاء بر روی یک صفحه نگهدارنده صلب و با تخلخل زیاد بین دو محفظه بالایی و پایینی قرار داده شده است. خوراک ورودی که شامل اجزاء A و B است وارد محفظه بالایی می­شود و بر روی غشاء جریان پیدا می­کند. قسمتی از جریان خوراک به محفظه پایینی منتقل می­شود. با یک غشاء مناسب، فقط جزء A می­تواند از غشاء عبور کند (نفوذ کننده[3])، در حالی که جزء B در محفظه بالایی باقی خواهد ماند. (باقی­مانده[4]). هر کدام از A یا B می­توانند محصول مورد نظر باشند. به عبارت دیگر بسته به شرایط، نفوذ­کننده یا باقی­مانده محصول مورد نظر خواهد بود. همزن برای بهبود سرعت انتقال جرم استفاده می­شود[4].

-1- مقدمه 2
1-2- جداسازی تعادلی و جداسازی کنترل کننده سرعت 3
1-3- فرایندهای جداسازی غشایی 5
1-4- تعریف غشاء 6
1-5- غشاهای سرامیکی 8
1-5-1- مزایای غشاهای سرامیکی 16
1-5-2- روش­های ساخت غشاهای سرامیکی 17
1-5-2-1- روش سل-ژل 20
1-5-2-2- روش غوطه­وری 23
1-5-2-3- روش ریخته­گری لغزشی 24
1-5-2-4- پرس کردن 25
1-5-2-5- ریخته­گری نواری 26
1-5-2-6- اکستروژن 27
1-5-2-7- رسوب شیمیایی بخار 28
1-5-3- مشخصه­یابی غشاهای سرامیکی 30
1-5-3-1- مورفولوژی مقاطع عرضی و سطوح غشاء 31
1-5-3-2- ایزوترم­های جذب/دفع گاز 32
1-6- نانوفیلتراسیون 32
1-6-1- اصول نانوفیلتراسیون 33
1-6-2- غشاهای نانوفیلتراسیون 33
1-6-3- کاربردهای صنعتی نانوفیلتراسیون 34

 

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل دوّم: مروری بر تحقیقات گذشته

جداسازی یون­ها توسط غشاهای سرامیکی نانوفیلتراسیون در طی دو دهه اخیر بسیار مورد توجه بوده است. با توجه به اینکه اندازه حفره­های این گونه غشاها بیشتر از اندازه یون­ها می­باشد، برهمکنش­های یونی نقش موثر و قابل توجهی را برای جداسازی ایفا می­کنند. از جمله یون­هایی که تقریباً در اکثر مطالعات مورد بررسی قرار گرفته،یون کلر می­باشد. مطالعات گوناگونی به منظور جداسازی بیشتر این یون و یون­های تک ظرفیتی مشابه صورت گرفته است. در حالت کلی این مطالعات را می­توان به سه بخش غشاهای تک لایه، غشاهای اصلاح شده و غشاهای چند لایه تقسیم کرد. در ادامه به کارهای انجام گرفته و نتایج خاصل از آنها به طور خلاصه اشاره خواهد شد.

2-2- غشاهای تک لایه

در سال 1995 سارازین[1] و همکارانش عملکرد جداسازی را برای نمک­های معدنی به وسیله غشاهای نانوفیلتراسیون گاما آلومینا مورد بررسی قرار دادند. آنها از روش سل-ژل برای ساخت این نوع غشاء استفاده کردند. نتایج نشان داد که جداسازی وابسته به بار یون­ها بوده و مشخص شد که برای آنیون­ها جداسازی در حضور کاتیون­های با ظرفیت بالاتر، بیشتر است. همچنین میزان جداسازی آنیون­های تک ظرفیتی نسبت به آنیون­های دو ظرفیتی در حضور کاتیون­های مشابه به مراتب بیشتر بود. بار سطحی غشاء برای محلول­های بررسی شده در این مطالعه تقریباً در کل محدوده pH مثبت بود، به همین دلیل میزان جداسازی برای کاتیون­های دو ظرفیتی نسبت به کاتیون­های تک ظرفیتی در حضور آنیون­های مشابه بیشتر بود. در مورد کاتیون­های مختلف با ظرفیت یکسان در حضور آنیون مشابه، میزان جداسازی بیشتری برای کاتیون با شعاع کاتیونی کمترحاصل شد. میزان دفع اجزای یونی در جدول 2-1 نشان داده شده است[56].

در سال 1998 لاربوت[1] و همکارانش ساخت و مشخصه­یابی غشاهای سرامیکی نانوفیلتراسیون هافنیا را مورد بررسی قرار دادند. در این مورد نیز از روش سل-ژل برای ساخت غشاء استفاده شد. برای مشخصه­یابی از روش­های نظیر XRD، SEM، آنالیز حرارتی  و اندازه­گیری­های BET استفاده شد. به منظور بررسی ویژگی­های جداسازی نیز محلول­های نمک، پلی اتیلن گلایکول و ساکاروز مورد استفاده قرار گرفت. نتایج تحقیق نشان داد که برای محلول کلرید سدیم اگر بارسطحی غشاء مثبت باشد میزان دفع بالا خواهد بود. این امر برای pH اسیدی و خنثی به دلیل مثبت بودن بار غشاء کاملاً صادق بود. اما برای pH بازی به دلیل بار منفی غشاء میزان دفع کمی برای کلریدکلسیم حاصل شد. این نتایج برای محلول­های سولفات سدیم و کلرید کلسیم نیز صادق بود. در مورد محلول سولفات سدیم به دلیل این که بار غشاء در pH اسیدی و خنثی نزدیک به صفر بود، میزان دفع بسیار کمی به دست آمد. در مقابل به دلیل بار منفی غشاء در pH بازی میزان دفع بسیار بالا بود. بنابراین نتایج تحقیق بلانک و همکارانش نشان می­دهد که میزان دفع محلول­های نمک وابسته به بار غشاء یا pH محلول می­باشد. در شکل 2-1 مکانیسم جذب غشاء به صورت شماتیک نشان داده شده است. این شکل نحوه عملکرد غشاء در برابر محلول سولفات کلسیم را نشان می­دهد[57].

در سل 1999شایپ[2] و همکارانش عملکرد جداسازی را برای نمک­های کلرید سدیم، کلرید منیزیم و کلرید لانتانیم در غلضت­های مختلف به وسیله غشاهای مزومتخلخل گاما آلومینا مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که جداسازی تا حدود زیادی وابسته به pH محلول است. در غلظت ثابت محلول کلرید سدیم با افزایش فشار میزان جداسازی افزایش پیدا کرد. در pH بین 7 تا 8 به علت خنثی بودن غشاء میزان جداسازی به حداقل رسید و با افزایش غلظت محلول کلرید سدیم میزان جداسازی کاهش پیدا کرد. همچنین نتایج نشان داد که غشاها به علت مشکلات ناشی از خوردگی در pH کمتر از 2 قابل استفاده نیستند. در این تحقیق اثر اندازه حفره بر روی میزان دفع نیز مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد که با کاهش اندازه حفره در فشار ثابت میزان دفع افزایش می­یابد[58].در سال 2001 تسورو[3] و همکارانش از غشاهای نانوفیلتراسیون تیتانیا ساخته شده به روش سل-ژل برای جداسازی فاز مایع استفاده و اثر بار سطحی، غلظت خوراک و فشار را روی جداسازی و شار بررسی کردند. آزمایشات نانوفیلتراسیون برای محلول­های الکترولیت کلرید سدیم، سولفات سدیم، کلرید منیزیم و سولفات منیزیم مورد استفاده قرار گرفت. نتایج برای محلول کلرید سدیم نشان داد که در pH و اختلاف فشار یکسان با افزایش غلظت خوراک میزان دفع کاهش پیدا می­کند. همچنین مشخص شد که در pH و غلظت یکسان با افزایش فشار میزان دفع افزایش پیدا می­کند. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش فشار و همچنین کاهش غلظت خوراک میزان شار افزایش پیدا می­کند. در 5/6 = pH به دلیل خنثی بودن سطح غشاء جداسازی حداقل و شار حداکثر و برای سایر مقادیر pH جداسازی بیشتر و شار نیز به دلیل باردار شدن غشاء کمتر بود. برای سایر نمک­ها نیز نتایج مشابهی به دست آمد، با این تفاوت که نقطه ایزوالکتریک در حضور این نمک­ها با نقطه ایزوالکتریک کلرید سدیم متفاوت بود[59].

در سال  2002  لابز[4] و همکارانش از غشاهای نانوفیلتراسیون تیتانیا برای جداسازی یونی محلول­های  کلرید سدیم، کلرید لیتیم، سولفات پتاسیم، کلرید منیزیم و سولفات منیزیم استفاده کردند. نتایج آنها نشان داد که جداسازی تابع pH و غلظت محلول نمک و بار موثر غشاء است. همچنین غشاء یک رفتار آمفوتریک را نشان داد که نقطه ایزوالکتریک آن در 2/6 = pH بود، که در این نقطه میزان جداسازی به حداقل رسید. به علاوه مشخص شد که با افزایش غلظت محلول نمک جداسازی یونی کاهش می­یابد. یکی دیگر از نتایج این تحقیق افزایش میزان دفع با افزایش شار در pH ثابت بود[60 و 61].در سال 2003 اشمایل[5] و همکارانش عملکرد جداسازی و ویژگی­های یک غشاء سرامیکی نانوفیلتراسیون با لایه فعال تیتانیا را برای محلول­های کلرید سدیم و سولفات سدیم مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل نشان داد که جداسازی یونی غشاهای سرامیکی نانوفیلتراسیون به وسیله بار غشاء کنترل می­شود و تا حدود زیادی وابسته به نوع نمک، غلظت نمک و مقدار pH محلول است. در این مورد نیز جداسازی در نقطه ایزوالکتریک به حداقل رسید و با افزایش غلظت محلول نمک جداسازی کاهش پیدا کرد. شکل 2-2 میزان دفع کلرید سدیم 01/0 مولار را بر حسب pH در فشارهای 6 و 15 بار نشان می­دهد. همانطور که مشاهده می­شود با افزایش فشار میزان جداسازی افزایش پیدا می­کند[62].

2-1- مقدمه 38
2-2- غشاهای تک لایه 38
2-3- غشاهای اصلاح شده 44
2-4- غشاهای چند لایه 49

فصل سوّم: مواد و روش­ها

در این کار تحقیقاتی با توجه به مطالعات انجام شده بر روی انواع غشاهای سرامیکی نانوفیلتراسیون، ساخت و عملکرد جداسازی یک غشاء دو لایه گاما آلومینا-تیتانیا بر پایه نگهدارنده آلفا آلومینا مورد بررسی قرار می­گیرد. همان طور که در فصل مروری بر تحقیقات گذشته اشاره شد غشاهای دو لایه نسبت به غشاهای تک لایه عملکرد جداسازی بهتری را دارا می­باشند. دلیل این امر هم یکسان نبودن نقطه ایزوالکتریک مربوط به هر لایه می­باشد. این عامل باعث می­شود که غشاها در کل محدوده pHعملکردی، میزان دفع بالاتری را نشان دهند. در مورد غشاهای چند لایه، لایه بالایی در واقع نقش اصلی را برای جداسازی ایفا می­کند. یکی دیگر از دلایل ساخت غشاهای چند لایه نقش لایه یا لایه­های میانی هم در هنگام ساخت و هم در هنگام عملیات جداسازی است. لایه میانی هم از نفوذ مواد تشکیل دهنده لایه بالایی به درون حفره­های نگهدارنده و هم از فروریختن لایه بالایی به درون نگهدارنده جلوگیری می­کند.

تقریباً در اکثر موارد برای ساخت غشاهای سرامیکی نانوفیلتراسیون چند لایه از نگهدارنده آلفا آلومینا استفاده می­شود. در این تحقیق نیز این نگهدارنده مورد استفاده قرار می­گیرد. برای ساخت غشاء دو لایه گاما آلومینا-تیتانیا بر پایه نگهدارنده آلفا آلومینا، ابتدا نگهدارنده میکروفیلتراسیون آلفا آلومینا تهیه و سپس با استفاده از روش­های سل-ژل و غوطه­وری لایه­های گاما آلومینا و تیتانیا بر روی این نگهدارنده لایه نشانی می­شود.

 

56 3-1- مقدمه
57 3-2-ساخت نگهدارنده غشایی آلفا آلومینا
57 3-2-1-مواد و دستگاه­های مورد نیاز
57 3-2-1-1-پودر آلفا آلومینا
58 3-2-1-2-اتانول
58 3-2-1-3- پلی وینیل الکل
59 3-1-2-4- دستگاه شیکر
59 3-1-2-5- دستگاه پرس و قالب دیسکی
61 3-2-2-روش­های آماده سازی پودر آلفا آلومینا
61     3-2-2-1-استفاده از اتانول جهت آماده سازی پودر آلفا آلومینا
 

62

3-2-2-2-استفاده از ماده چسبان پلی وینیل الکل جهت آماده سازی پودر آلفا آلومینا
63 3-2-3-تعیین مشخصات نگهدارنده
 

63

3-3-ساخت غشاهای دولایه آلومینا-تیتانیا  بر پایه نگهدارنده­های آلفا آلومینا با استفاده از روش­های سل-ژل و غوطه­وری
63 3-3-1-مواد مورد نیاز
63 3-3-1-1-آلومینیوم تری سک بوت­اکساید
64 3-3-1-2-تیتانیوم تترا ایزوپروپکساید
65 3-3-1-3- حلال­ها
65 3-3-1-4- اسید نیتریک
66 3-3-1-5-پلی وینیل الکل و هیدروکسی پروپیل سلولز
66 3-3-2-آماده سازی سل آلومینا
68 3-3-3-آماده سازی سل تیتانیا
72 3-3-4-ساخت لایه­های نازک غشایی آلومینا-تیتانیا بر پایه آلفا آلومینا
73 3-3-5-ساخت غشاهای آلومینا-تیتانیا بدون نگهدارنده
 

74

3-3-6-مشخصه­یابی لایه­های غشایی پوشش داده شده بر روی نگهدارنده
74 3-4-آزمایشات نانوفیلتراسیون
75 3-4-1-دستگاه­های فیلتراسیون غشایی
81 3-4-2-نفوذپذیری آب خالص
82 3-4-3- اندازه­گیری میزان دفع نمک

    فصل چهارم: نتایج و بحث

در فرآیندهای جداسازی میزان جداسازی و نفوذ پذیری به عواملی از قبیل اندازه حفره­ها، تخلخل و ویژگی­های سطحی نگهدارنده بستگی دارد. شکل­های 4-1 و 4-2 به ترتیب تصاویر میکروسکوپ الکترونی از نگهدارنده غشایی آلفا آلومینا با استفاده از افزودنی­های اتانول و پلی وینیل الکل در دماها و فشارهای مختلف را نشان می­دهد. این تصاویر نشان می­دهد که نگهدارنده آلفا آلومینا دارای سطح صاف و بدون ترک می­باشد. به منظور بررسی عوامل تاثیر گذار بر روی نگهدارنده­های غشایی، در ادامه اثر فشار اعمالی، دمای زینترینگ و افزودنی­هایآلی در فرآیند آماده سازی پودر آلفا آلومینا مورد بررسی قرار می­گیرد.

4-1-1- اثر فشار اعمالی

شکل­های 4-1-الف و 4-1-ب تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نگهدارنده غشایی دیسکی ساخته شده با استفاده از اتانول را در دمای زینترینگ 1100 درجه سانتی گراد و فشارهای اعمالی 70 و 90 کیلو نیوتن نشان می­دهد. مقادیر تخلخل و اندازه حفره این نگهدارنده غشایی در جدول 4-1 داده شده است. این مقادیر نشان می­دهد که تخلخل و اندازه حفره با افزایش فشار اعمالی کاهش می­یابد. در واقع فشار اعمالی نگهدارنده­های چگال­تر را ایجاد می­کند، و به این ترتب استحکام پیوند بین ذرات افزایش می­یابد. شکل­های 4-2-الف و 4-2-ب تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نگهدارنده­های غشایی دیسکی ساخته شده با استفاده از پلی وینیل الکل را نشان می­دهد. مقادیر تخلخل و اندازه حفره این نگهدارنده غشایی در جدول 4-2 داده شده است. همانند نتایج حاصل برای اتانول، شکل­ها و مقادیر حاصل نشان دهنده کاهش تخلخل و اندازه حفره با افزایش فشار می­باشد.

4-1- مشخصه یابی نگهدارنده غشایی آلفا آلومینا                  85
4-1-1- اثر فشار اعمالی 85
4-1-2- اثر دمای زینترینگ 88
4-1-3- اثر افزودنی­های آلی 88
4-2-خواص سل­های کلوئیدی آلومینا و تیتانیا 89
4-3- مشخصه­یابی غشاهای دولایه آلومینا-تیتانیا 91
4-3-1- میکروسکوپ الکترونی روبشی 91
4-3-2- پراش اشعه ایکس 93
4-3-3- ایزوترم جذب/دفع نیتروژن 96
4-3-4- نفوذپذیری آب خالص برای غشاهای دولایه 97
4-4- دفع غشایی 98
4-4-1- میزان دفع یون کلر در غلظت­های مختلف محلول کلرید سدیم  

98

4-4-2- میزان دفع کلر در فشارهای مختلف 99

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

   فصل پنجم: نتیجه­گیری

5-1- نتیجه­گیری 102
5-2- پیشنهادات 104
فهرست منابع و مآخذ 105

Abstract

 n this research the separation of chloride ion by means of bi-layered alumina-titania nanofiltration membrane was studied. In order to do this first bi-layered alumina-titania membrane was made on the α-alumina membrane support. For the preparation of the support, the pressing method, and for coating on the support the sol-gel and dip-coating methods were used. Then the efficiency of the membrane for the retention of chloride by dead-end and crossflow membrane filtration set-ups in environment temperature was studied. Filtration tests for different values of pressure, pH and salt concentration were done and the results were studied and compared. Dead-end and crossflow membrane filtration set-ups by means of  gas and the piston engine pump respectively, produced different pressures for the permeation and convection of solutions through membrane. For the characterization of membranes, scanning electron microscope micrograph, X-ray diffraction and  adsorption/desorption were used. Calcined membrane at the temperature of 600 °C showed different crystal structures including brookite phase of titanium oxide, gama phase of aluminum oxide and combined phase of aluminum-titanium oxide. Average pore size of 1.6 nm was obtained for the membranes. The results of filtration tests showed that the prepared membrane due to having two layers with different isoelectric points, in the total area of studied pH, showed a good performance. Of course the amount of chloride retention depended on pH, in a way that the retention in acidic zone of pH was more than in the basic zone. With the increase of sodium chloride salt concentration, the amount of chloride retention decreases due to the increase of electrical double layer. Also results showed with the increase of pressure, the amount of chloride retention increases for sodium chloride solution.



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان

فهرست جدول­ها