بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی عملکرد غشاهاي پلیمري و تحلیل آنها در جداسازي گازها
چکیده
امروزه غشاهاي پلیمري در بسیاري از فرایندهاي جداسازي همچون جداسازي گازها، شیرین سازي گاز طبیعی، رطوبت زدایی و ... استفاده می شوند. فرآیندهاي غشایی با مصرف انرژي پایین و عملیات جداسازي راحتتر، اهمیت چشمگیري در مقایسه با دیگر فرآیندهاي جداسازي دارند. اختلاف فشار مهمترین نیرو محرکه در غشاها محسوب می شود. تراوش پذیري و انتخابپذیري به عنوان دو خاصیت اساسی غشاها با دما و فشار در ارتباط میباشند. دراینکارکاربردها، مزایا و معایب غشاهاي پلیمري جهت جداسازي گازها بررسی میشوند. سپس به مقایسه فرایندهاي غشایی و آمینی پرداخته می شود. بررسی نقاط ضعف و قوت این فرآیندها نشان داد که بکارگیري هر کدام از آنها به تنهایی بازدهی لازم را ندارد. در نتیجه جهت جداسازي گازها از یک فرآیند ترکیبی با کارایی بالا استفاده می شود. این مورد یک حالت بهینه ایجاد می کند.
واژههاي کلیدي: غشاهاي پلیمري، جداسازي گازها، فرآیندهاي غشایی، فرآیند
– 1 مقدمه
مفهوم جداسازي گازها با استفاده از غشاهاي پلیمري به 175 سال پیش برمی گردد. اولین موضوعات در رابطه با غشاهاي پلیمري توسط افرادي چون میشل و گراهام در سالهاي 1830،1833و1866 منتشر شد. میشل مشاهده کرد که بالونهاي لاستیکی که با هیدرون پرشدهاند با گذشت زمان خالی می شوند. او به این نتیجه رسید که این پدیده با نفوذ گاز در میان دیواره بالون در ارتباط می باشد.گراهام آزمایشهاي میشل را با فیلم هاي لاستیکی تکرار نمود و متغیرهاي موثر در سرعت نفوذ گاز در میان این فیلم ها را گزارش داد. البته در سال 1980 اولین سیستم غشاهاي پلیمري براي جداسازي گاز ساخته شد. جداسازي گاز توسط غشاها به دلیل عملیات آسان، واحدهاي کوچک، هزینه انرژي پایین و قابلیت گذردهی بالا نسبت به دیگر روشهاي جداسازي از اهمیت ویژه اي برخوردار است .[1-4] پلیمرهاي سیلوکسان یکی از پلیمرهاي به کار رفته در ساخت غشاهاي مورد استفاده در جداسازي گاز می باشند که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. سیلوکسانها بر اساس خاصیت کشسانی داراي موادي با عملکرد بالا، پایدار در برابر دما و اکسیداسیون و همچنین نفوذ پذیري بالاي گاز می باشند. این پلیمرها به وسیله پلیمریزاسیون یک تريمر یا تترامر تولید می شوند. از مهمترین سیلوکسانها می توان به پلی دي متیل سیلوکسان (PDMS) اشاره کرد. این پلیمر داراي زنجیره هاي انعطاف پذیر با حجم آزاد زیاد می باشد بهطوريکه قابلیت نفوذپذیري بالاي آنها را امکان پذیر کرده است .[5-9] شکل (1) برش عرضی غشاي PDMS با روکش پلی اتر سولفون (PES) را نشان می دهد که وضعیت قرار گیري حفره هاي آن به خوبی نمایان است .[10]
روش کلی جداسازي توسط غشاء به این ترتیب است که ابتدا غشاي از قبل ساخته شده در مدول قرار میگیرد و خوراك به صورت عمودي یا افقی با یک فشار و دماي مشخص از روي غشاء عبور داده می شود. در نهایت قسمتی از جریان به صورت باقیمانده و قسمت دیگر جریان استخراجی خواهد بود. جریان گازي هم گاهی جهت کاهش غلظت اجزاء سمت جریان عبوري و یا افزایش نیرو محرکهي جداسازي اضافه میگردد که می تواند به شکل جریان مایع نیز باشد .[9]
شکل (2) نحوه خوراك دهی و مسیر ورود خوراك و خروج محصولات را در غشاء پلیمري نشان می دهد. در این شکل خوراك دهی به شکل موازي می باشد که از گرمکن و جریان گازي جهت عملیات جداسازي بهتر استفاده شده است.
-2 معادلات حاکم بر فرآیند جداسازي غشاهاي پلیمري
نفوذ در میان یک غشاي متراکم پلیمري متخلخل درحد نانو با استفاده از مدل نفوذ- محلول با یک ضریب تراوش پذیري که با PA نشان می دهند براي مولکول گازي A که محصول به شمار می رود با ضریب نفوذ DA و ضریب حلالیت S A به صورت زیر می باشد .[11]
معادله فوق اولین بار توسط گراهام به کار برده شدکه یک رابطه اصولی در مورد مکانیسم نفوذ گازها در میان غشاهاي متراکم پلیمري می باشد. نفوذ یک فرایند مولکولی میباشد (براي گاز، بخار و...)که در یک سیستم با حرکت تصادفی مولکولی انجام می گیرد.
حلالیت بستگی به به غلظت موضعی ( ( C گاز نامحلول در پلیمر در دماي داده شده و ضریب حلالیت Sc داردکه به صورت تابعی از فشار به شکل زیر می باشد :[11]
(2)
پارامتر مهم دیگري که در رابطه با نفوذ گازها در غشاهاي پلیمري مطرح است انتخاب پذیري) گاز A نسبت به گاز (Bمیباشدکه در واقع اشاره به تفاوت در ضریب حلالیت یا تفاوت در ضریب نفوذ دارد:
با توجه به رابطه فوق جداسازي به دلیل اختلاف در حلالیت و میزان تحرك پذیري متفاوت عناصر نفوذي انجام می گیرد 12]و.[ 11
-3 اثر دما بر انتقال گاز
به طور کلی در یک فشار مشخص، نفوذ گاز در میان یک غشاي پلیمري با دما افزایش می یابد. وابستگی نفوذ به دما توسط رابطهاي مشابه با رابطه آرنیوس به شکل زیر بیان می شود:
در رابطه فوق DA ضریب نفوذ برحسب فاکتور پیش نمایی، ED انرژي فعالسازي نفوذ ثابت عمومی گازها و Tدما بر حسب کلوین( K )می باشد.
همچنین وابستگی دمایی حلالیت در یک سیستم نفوذ- پلیمري می تواند به فرم رابطه وانت هوف توصیف شود:
در معادله ي فوق آنتالپی محلول نفوذي و S A0 فاکتور پیش نمایی می باشد. در نهایت با استفاده از معادله هاي 4و5 به معادله زیر می رسیم:
EP انرژي فعال سازي نفوذ می باشد .[12-13]
-4 اثر فشار بر انتقال گاز
نفوذ گاز در یک پلیمر بر اساس تغییرات فشار خوراك تحت تاثیر قرار می گیرد. الگوهاي مشاهده شده را براساس وابستگی انتقال گاز به چهار دسته طبقه بندي می شوند:
