بخشی از مقاله
چکیده
بیودیزل، سوختی است که از مواد گیاهی یا حیوانی تولید می شود، این سوخت می تواند جایگزین سوخت دیزل پایه نفتی شود که در موتورهای دیزل استفاده می شود. یکی از روش های تولید بیودیزل استفاده از ریزجلبک ها است. در سامانه کشت ریزجلبک ها، افزایش غلظت اکسیژن یکی از مشکلاتی است که در این صنعت با آن روبرو هستند. پیشنهاداتی جهت حل این مشکل ارائه شد، اما هیچ یک تا به حال عملی نبوده است. در این مقاله استفاده از غشاء جهت کنترل غلظت اکسیژن در فتوبیوراکتور به عنوان یک پیشنهاد جهت رفع مشکل افزایش غلظت اکسیژن مورد بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: جداسازی غشائی، ریزجلبک، فتوبیوراکتور، کنترل غلظت اکسیژن.
.1 مقدمه
غلظت بالای اکسیژن برای ریزجلبکها1 بسیار مضر است. در زیر تابش شدید نور خورشید، برخی از مواد اکسیژندار واکنشپذیر و فعال، مانند رادیکالهای اکسیژن ممکن است تشکیل شود که باعث تخریب برخی از اجزای سلولی ریزجلبکها میشود. دماهای بالا و شدت نوری زیاد به همراه کمبود دی اکسید کربن نیز ممکن است اثرات بازدارندگی فیزیولوژیکی را شدت بخشد. گزارش شده است که تجمع اکسیژن ناشی از عمل فتوسنتز، میتواند باعث ممانعت شدید از رشد ریزجلبکها شود. این مشکل به خصوص در سامانههای بسته مانند فتوبیوراکتورهای لولهای که اکسیژن در طول فتوبیوراکتور تشکیل شده و فقط در قسمت گاززدایی جدا میشود، نمود پیدا میکند .[1]
دی اکسید کربن به عنوان منبع کربن برای ریزجلبکهای درون بستر مصرف میشود. در صورتی که غلظت CO2 در خوراک گاز پایین باشد و یا اختلاط کافی نباشد، CO2 میتواند یک عامل کنترل کننده رشد ریزجلبک باشد. از سوی دیگر غلظت بالای CO2 باعث پایین آمدن pH بستر نیز میشود که میتواند مانعی برای رشد ریزجلبک باشد. بنابراین حفظ غلظت CO2 در یک محدوده مناسب بسیار حائز اهمیت است .[2] جهت حفظ یک تعادل بهینه بین غلظت CO2 و O2، یک فضای مشخصی برای تبادل گاز در فتوبیوراکتور در نظر گرفته میشود. علاوه براین، یک سامانه اختلاط مناسب میتواند روشی موثر تلقی شود، چرا که باعث ایجاد اختلاط در سامانه و انتقال جرم مناسب بین فاز گاز و مایع درون فتوبیوراکتور میشود. بنابراین، غنی کردن محیط از CO2 و زدودن O2، میتواند تعادل CO 2 /O2 را درون بستر بهبود بخشد. با بهره گیری از یک غشای مناسب میتوان اکسیژن تولید شده درون فتوبیوراکتور را از محیط آن خارج کرد و همچنین CO2 مورد نیاز را به درون فتوبیوراکتور انتقال داد. فرآیندهای جداسازی توسط غشاء دارای مزیتهای قابل توجهی شامل موارد زیر است:
1. انرژی مصرفی و در برخی موارد، سرمایه گذاری اولیه کمتر نسبت به روش های معمول جداسازی برای برخی کاربردهای صنعتی.
2. تجهیزات فرآیندی مورد نیاز بسیار ساده، کم حجم و همچنین دارای انعطاف پذیری در نحوه عملکرد و کنترل ساده.
3. تجهیزات این سامانهها به راحتی در مقیاس بزرگتر و یا در ظرفیت کمتر تولید منطبق خواهد شد.
وجود مزیتهای فوق و همچنین پیشرفتهای صورت گرفته و مورد انتظار در این زمینه موجب شده است که تحقیقات گسترده ای در زمینه توسعه و گسترش مواد پلیمری مختلف جهت بهینه سازی روش جداسازی غشایی و همچنین توسعه روشهای نوین برای ساخت غشاءهای با کارایی بالا صورت پذیرد.
.2 جداسازی غشائی
جداسازی گازها با استفاده از غشاء در 30 سال گذشته کاربردهای صنعتی بسیاری یافته است، اما مطالعات در این زمینه تاریخچه طولانی دارد. ایده جداسازی گازها با غشاء به صد سال پیش برمیگردد، اما استفاده از آنها در جداسازی گازها تنها 25 تا 30 سال است که رواج پیدا کرده است. توماس گراهام هو1 در حدود 30 سال پیش شدت نفوذپذیری تمامی گازها را اندازه گیری کرد. وی اولین کسی بود که مدل انحلال نفوذ را توصیف کرد و تحقیقات این دانشمند در زمینه غشاءهای متخلخل به ثبت قانون نفوذ گراهام منجر شد .[3]
بنا به تعریف، غشاء لایه نازکی است که میتواند اجزای یک سیال را به صورت انتخابی از یکدیگر جدا کند. به عبارت دیگر، غشاء وسیله ای است که جداسازی مواد را عموما بر اساس اندازهی ملکولی آنها ممکن میسازد. در این فرآیند علاوه بر اندازه، عوامل دیگری نیز دخالت دارند. در یک فرآیند غشائی عموما دو فاز وجود دارد که به وسیله فاز سوم - غشاء - به طور فیزیکی از هم جدا شده اند. در شکل یک شمایی از نحوه عملکرد غشاء ارائه شده است .[4]
غشاء انتقال جرم بین دو فاز را کنترل مینماید. فازها بصورت مخلوطی از اجزا میباشند. یکی از اجزای موجود در مخلوط بیش از سایرین انتقال مییابد. به عبارت دیگر غشاء نسبت به یکی از اجزا انتخابگر است. در این صورت انتقال آن جزء از یک فاز به فاز دیگر توسط غشاء انجام خواهد شد. به این ترتیب یکی از فازها غنی از آن جزء و دیگری از آن تهی میشود. دو عمل اصلی که توسط غشاء انجام میشود، عبارتند از: نفوذپذیری یا نفوذپذیری و انتخابگری یا گزینشپذیری. فرآیندهایی که بر اساس استفاده از غشاءها پایه گذاری شده اند می توانند در کاربرد و نیز نیروی محرکه لازم برای انجام جداسازی کاملا متفاوت باشند. انتقال جرم در طول یک غشاء ممکن است بهوسیله نفوذ یا جابجایی حاصل شود. جابجایی میتواند در اثر اختلاف پتانسیل الکتریکی، غلظت، فشار یا درجه حرارت انجام شود .[5]
.1,2 اصول نفوذ پذیری
گازها و بخارات، طیف وسیعی از سیالات را تشکیل میدهند که فراریتهای مختلفی دارند. آن دسته از گازها که فراریت خیلی بالایی دارند را اصطلاحا گازهای دائمی میگویند، البته این اصطلاح نسبی است، چرا که حتی فرارترین گازها را نیز میتوان با استفاده از روشهایی مثل روش تبریدی به مایع تبدیل کرد. نفوذ پذیری گازها در غشاءها نسبت به هم متفاوت میباشد و لذا میتوان آنها را براساس میزان نفوذ پذیری دسته بندی کرد. نفوذپذیری یک غشاء، Pi به ساختار ماده سازندهی غشاء و اندازه ملکولهای گاز بستگی دارد. نفوذ پذیری عبارت است از حاصل ضرب دو عبارت ضریب نفوذ - Di - و ضریب جذب گاز . - Ki - ضریب نفوذ هر جزئی بیانگر حرکت آن جز از میان ماده سازنده غشاء میباشد و ضریب جذب بیانگر تعداد ملکول هایی است که در ماده غشاء حل میشوند و حاصل ضرب این دو همان نفوذپذیری است یعنی:
و بیانگر توانایی غشاء برای عبور گازها میباشد. نسبت نفوذ پذیری دو جزء را فاکتور جداسازی و یا انتخابگری غشاء مینامند و بدین صورت بیان میشود: نشانگر قابلیت انقباض نسبی دو ملکول گاز میباشد. در همه مواد پلیمری با افزایش اندازه ملکول ضریب نفوذ کاهش پیدا میکند چرا که ملکولهای بزرگتر با زنجیرهای پلیمری برهم کنش بیشتری دارند تا ملکولهای کوچکتر. بنابراین انتخابگری تحرکی همیشه نشان دهنده میزان عبور ملکولهای کوچک به نسبت ملکولهای بزرگ میباشد [6]
.3 مکانیزمهای نفوذ پذیری
یک غشاء فقط زمانی قادر به جدا کردن گازها خواهد بود که برخی از اجزا نسبت به سایر اجزا، نفوذ سریعتری از غشاء داشته
