بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، با توجه به معایب غشاهای پلیمری مرسوم و تلاش برای بهبود فرآیند جداسازی گازها با استفاده از آنها؛ سازوکار، روابط مربوطه و عامل های موثر بر عملکرد غشا انتقال تسهیل یافته به منظور جداسازی گازها مورد ارزیابی قرار گرفته است. مزیت اصلی غشاهای انتقال تسهیل یافته نسبت به غشاهای پلیمری، فلاکس بالاتر برای جزء گازی مورد نظر و نهاتاًی گزینش پذیری بسیار بالاتر نسبت به سایر اجزاء همراه در مخلوط گازی می باشد. این نفوذپذیری و گزینش پذیری بالای غشاهای انتقال تسهیل یافته، ضرورت استفاده از آنها را جهت جداسازی گازها ایجاب کرده است.
1. مقدمه
جداسازی توسط غشا به دلیل هزینه های پایین سرمایه گذاری و انرژی مصرفی کم، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. با این همه، تا امروز فرآیند های غشایی اندکی کاربردهای صنعتی پیدا کرده اند و این به دلیل مشکلات سرعت و گزینش پذیری در جداسازی است. ضریب نفوذ بیشتر مولکول ها در پلیمرها چنان اندک است که لازم است برای دستیابی به شارهای قابل قبول صنعتی، غشاهای بسیار نازک ساخته شوند. این غشاهای پلیمری نازک دارای مشکلات ساخت، انسجام و استحکام هستند. معمولاً گزینش پذیری در این سیستم ها ضعیف است، مگر اینکه اجزای مخلوط از نظر اندازه شعاع تفاوت قابل توجهی داشته باشند، مانند نمک زادیی و یا بازیافت هیدروژن از آمونیاک. در غشاهای پلیمری تضاد رفتاری بین گزینش پذیری و تراوایی غشا نیز امری اجتناب ناپذیر است، به طوریکه با افزایش تراوایی، گزینش پذیری غشا کاهش می یابد. یک روش جدید تر برای ایجاد غشاهایی با عملکرد بهتر، استفاده از غشاء های انتقال تسهیل یافته است. غشاهای انتقال تسهیل یافته،خصوصاً در مبحث جداسازی گاز توجه بسیاری از محققین را به علت گزینش پذیری بالا در مقایسه با غشاهای پلیمری به خود جلب کرده اند.
2. سازوکار انتقال در غشاهای انتقال تسهیل یافته
سازوکار متداول انتقال اجزای نفوذ کننده در غشا های پلیمری متراکم، انحلال-نفوذ است که در شکل شماره 1 نشان داده شده است. در این سازوکار، مولکول های گازی ابتدا جذب شبکه پلیمر شده - انحلال - ، سپس در شبکه نفوذ نموده و در طرف دیگر غشا دفع می شوند. تراوش پذیری، توسط نفوذ مولکول های گاز در شبکه غشا کنترل می شود. همچنین اجزاء یک مخلوط گازی، در اثر اختلاف در حلالیت و دفع اجزای گازی در شبکه پلیمر جدا می شوند.
شکل -1سازوکار انتقال انحلال-نفوذ در شبکه پلیمر .[1]
نفوذ گاز در یک غشا یکنواخت و غیر متخلخل در حالت پایدار توسط قانون اول فیک1 توصیف می شود. این قانون برای نفوذ یک بعدی در غشا با رابطه - 1 - بیان می شود :
در رابطه - 1 - ، N شار نفوذی بر حسب mol/cm2.s، C غلظت جزء نفوذ کننده و حل شده در غشا بر حسب mol/cm3 و D ضریب نفوذ بر حسب cm2/s است. غلظت تعادلی C به فشار گاز مطابق با رابطه - 2 - ، بستگی دارد :[3] - 2 - & 6 - & - .3 که در رابطه - 2 - ، S - C - ثابت بی بعد حلالیت است. در حالت هایی که غلظت نفوذ کننده در پلیمر ناچیز باشد. رابطه فوق از قانون هنری تبعیت می کند و S یک ثابت است. به ازای ضریب نفوذ ثابت و با جایگذاری رابطه - 2 - در رابطه - 1 - شار نفوذی مطابق با رابطه - 3 - برابر است با :[4] -
1 در رابطه - 3 - ، P تراوش پذیری بر حسب cm3 - STP - /cm2.s.cmHg، P1 و P2 به ترتیب فشارهای بالادست و پایین دست غشا بر حسب cmHg و L ضخامت غشا بر حسب cm است. میزان عبوردهی یا تراوایی و گزینش پذیری مولکول های گازی دو عامل تعیین کننده در عملکرد غشا هستند. تراوایی از خاصیت های ماده پلیمری بوده و به میزان سرعت عبور مولکول های گازی در شبکه پلیمر وابسته است. مطابق با رابطه - 3 - ، حاصلضرب حل شوندگی و نفوذپذیری مولکول ها برابر با تراوایی است و توسط رابطه - 4 - تعریف می شود:
همچنین با توجه به رابطه - 3 - ، میزان تراوایی غشا بطور تجربی از مقدار شار عبوری نرمال شده توسط ضخامت و اختلاف فشار دو طرف غشا با رابطه - 5 - محاسبه می شود:
معمولاً واحد تراوایی بر حسب Barrer می باشد و به صورت رابطه - 6 - تعریف می شود :[5]
نسبت تراوش پذیری دو جزء گازی - i و - j به عنوان فاکتور جداسازی یا گزینش پذیری غشا توسط رابطه - 7 - ، تعریف می شود :[6]
که نسبت های Di/Dj و Si/Sj، به ترتیب گزینش پذیری نفوذی - فراریت - ، که نشان دهنده اختلاف در اندازه مولکولی دو جزء گازی است، و گزینش پذیری حلالیت، که نشان دهنده اختلاف تراکم پذیری دو جزء است، را نشان می دهد. این نسبت ها سهم مراحل نفوذ و انحلال در گزینش پذیری کل که مربوط به اختلاف در نفوذ پذیری و حلالیت دو گاز در شبکه غشا است را نشان می دهد. در جداسازی بوسیله انتقال تسهیل یافته، گزینش پذیری و برگشت پذیری واکنش کمپلکسی، عوامل مهمی هستند. برای گزینش پذیر بودن، سازوکار واکنش انتقالی نباید با دیگر حل شونده ها در فاز خوراک واکنشی داشته باشد .[7] انتقال از میان غشا انتقال تسهیل یافته به صورت یک فرآیند چهار مرحله ای بیان می شود:
· حل شونده در طرف خوراک - فشار بالا - بوسیله واکنش با حامل، یک کمپلکس تشکیل می دهد.
· کمپلکس حامل-حل شونده از میان غشا عبور می کند.
· حل شونده در سمت جریان محصول - فشار پایین - آزاد می شود.
· حامل به حالت اول برگشته یا احیا می شود .[8]
شدت انتقال جرم کلی گاز واکنش دهنده با حامل برابر با مجموع شار حامل-کمپلکس گاز و شار گاز آزاد - گاز واکنش نداده - است - شکل شماره . - 2 در این شکل، مقدار شار مربوط به خط - a - میزان انتقال توسط انحلال-نفوذ را نشان می دهد. فاصله عمودی بین خط - a - و - b - برای یک نیرو محرکه داده شده 3 - - ، نقش تسهیل را نشان می دهد.
شکل -2 نمودار شار در مقابل نیروی محرکه .[7]
در غشا انتقال تسهیل یافته، در نیروی محرکه بالا، تمامی مولکول های حامل با مولکول های حل شونده تشکیل پیوند می دهند و لذا افزایش نیروی محرکه تاثیری بر افزایش شار ندارد؛ این حالت را اشباعیت حامل می نامند. در نیروی محرکه پایین، شار عبوری ناشی از سازوکار انحلال-نفوذ ناچیز بوده و انتقال جرم ناشی از تشکیل کمپلکس گاز-حامل است .[7] از دیگر نکات قابل توجه در مورد انتقال تسهیل یافته، انرژی پیوندی بین حامل-حل شونده است. بطوریکه اگر انرژی پیوند خیلی ضعیف باشد، حل شونده های کمی از مسیر واکنشی انتقال می یابند و اگر انرژی پیوندی خیلی قوی باشد، حل شونده ها در سمت پایین دستی غشا زدوده نمی شوند. چند مشخصه کلی غشاهای انتقال تسهیل یافته عبارتست از:
