بخشی از مقاله
چکیده
گازهای خروجی دودکش صنایع، از مهم ترین منابع تولیدکننده گاز گلخانه ای دی اکسیدکربن می باشند. روش های گوناگونی برای جداسازی این گاز از دیگر گازهای خروجی دودکش های صنایع وجود دارند. از جمله این روش ها، جداسازی گاز توسط غشا می باشد. به همین منظور، در این پژوهش، خواص جداسازی گازی غشای پلی یورتان با اجزای PTMG2000/HDI/MOCA مورد بررسی قرار گرفته، سپس به منظور بهبود کارایی جداسازی گازی غشای مذکور، نانو ذرات سیلیکا به شبکه پلیمری افزوده شده و اثر افزودن نانو ذرات سیلیکا به شبکه پلیمری پلی یورتان مورد بررسی قرار گرفته شده است. غشاها در ترکیب درصدهای مختلف نانو ذره 0 - ، 5، 10، % 15 وزنی - با استفاده از روش اختلاط در فاز محلول ساخته شدند.
ارزیابی و ریخت شناسی غشاهای نانو کامپوزیتی ساخته شده توسط آزمون طیف سنجی مادون قرمز و میکروسکوپ الکترون پویشی بررسی گردید. از تصاویر میکروسکوپ الکترون پویشی، پراکندگی مناسبی از نانو ذرات در غشاهای نانو کامپوزیت مشاهده گردید. همچنین آزمون تراوایی برای غشاها انجام شد. براساس داده های آزمایش با افزایش میزان نانو ذره، تراوایی هر دو گاز خالص مورد آزمایش - دی اکسید کربن و نیتروژن - کاهش یافته، در حالیکه مقادیر گزینش پذیری دی اکسید کربن نسبت به نیتروژن افزایش یافت.
-1 مقدمه
مسائلی جدید که در زمینه دستیابی به هوای پاک در اواخر دهه 80 در آلمان و در سال های 1990 در آمریکا مطرح گردید، باعث شد تا استانداردهای بهتری در مورد گازهای خروجی اعمال شود. [1] امروزه بسیاری از مشکلات زیست محیطی نظیر محافظت از جو کره زمین در برابر آلودده کننده های گازی، منجر به تلاش فراوان محققان به منظور جداسازی آلاینده های خروجی از واحدهای صنعتی شده است.[2] انتشار گازهای گلخانه ای در جو زمین عموما به وسیله صنایع انجام می شود. در این میان، سوخت های فسیلی - زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی - از منابع اصلی آلودگی گازهای گلخانه ای می باشند.[3]
گازهای حاصل از دودکش های صنایع که در اثر مصرف سوخت های فسیلی تولید شده اند، اکثرا شامل گازهای نیتروژن، دی اکسید کربن، بخار آب، اکسیژن، دی اکسید گوگرد و اکسیدهای نیتروژن دار می باشند. که از میان آن ها بیشترین سهم گاز خروجی مربوط به نیتروژن و دی اکسیدکربن می باشند.[4] با توجه به این که گاز دی اکسید کربن اثرات مهمی از نظر آلودگی گلخانه ای دارد ، جداسازی این الاینده از گاز خروجی دودکش صنایع ضروری به نظر می رسد.[5] روش های گوناگونی برای جداسازی دی اکسید کربن مورد استفاده قرار می گیرد، از جمله فناوری غشایی که در سال های اخیر به دلیل مصرف انرژی کم تر و اطمینان عملکرد بالاتر از اهمیت ویژه ای برخوردار است.[1]
جداسازی غشایی روشی نوین در فرآیند جداسازی گازها می باشد. از مزایای جداسازی به کمک این روش می توان به پایین بودن هزینه سرمایه گذاری اولیه، بازدهی اقتصادی خوب، عملکرد مناسب و قابل اعتماد بودن اشاره کرد. در حال حاضر لزوم کاهش مصرف انرژی، تولید محصولات با درجه خلوص بالاتر و سخت شدن قوانین زیست محیطی و محدودیت اعمال شده از جانب سازمان های حفاظت محیط زیست منجر به ورود این فناوری به صنایع نفت ،گاز ،پتروشیمی و دیگر صنایع شده است.
در زمینه جداسازی گازها با غشا، غشاهای پلیمری از جایگاه ویژه ای برخوردارند.شاید بتوان قدمتی صدساله برای جداسازی گازها توسط غشاهای پلیمری در نظر گرفت اما استفاده گسترده از غشاها جهت جداسازی گاز در قیاس صنعتی مختص سال های اخیر است.[1] با توجه به پیشرفت تکنولوژی و افزایش نیازهای صنعت توسط دانشمندان برای افزایش عملکرد غشاهای پلیمری جداساز گاز، صورت پذیرفته است. یکی از مناسب ترین روش های ارا، یافتن شیوههای جدید جداسازی همگام با بهبود روشها از اهمیت خاصی برخوردار گردیده است. تاکنون تحقیقات گسترده ای یه شده کاربرد نانو ذرات معدنی - به عنوان افزودنی - در فاز پلیمری غشا می باشد.
نانو فناوری، توانمندی تولید مواد، ابزارها و دستگاههای جدید، با در دست گرفتن کنترل در سطح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطح ظاهر میشود. یکی از اصلیترین موضوعات نانو فناوری، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده بسیار بالا و توانایی بالاتری در تمام صنایع خواهد داشت. کاربردهای نانو فناوری همراه با هزینه کمتر، دوام و عمر بیشتر، مصرف انرژی پایینتر، هزینه نگهداری کمتر و خواص بهتر است.
از آنجایی که نانو فناوری به عنوان انقلابی در شرف وقوع آینده اقتصادی کشورها و جایگاه آنها را تحت تاثیر جدی قرار خواهد داد، بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال پیشرفت، برنامههایی را برای پشتیبانی تحقیقاتی و صنعتی نانو فناوری در دست تدوین و اجرا دارند. در مورد کاربرد نانو ذرات در غشاهای پلیمری به جهت بهبود جداسازی دیاکسید کربن از نیتروژن، در سالهای اخیر تحقیقات فراوانی صورت پذیرفته است. بر این اساس در ادامه به چند مورد از این پژوهش ها اشاره می نماییم.
در سال 2008، صادقی و همکارانش خواص جداسازی گاز غشای نانو کامپوزیت اتیلن وینیل استات و سیلیکا را مورد بررسی قرار دادند. اثر نانوذرات سیلیکا بر خواص جداسازی گاز کوپلیمر - EVA - شامل 28 وزنی وینیل استات مورد بررسی قرار گرفت. غشاهای اتیلن وینیل استات و اتیلن وینیل استات/ نانو ذره سیلیکا و نانوذرات سیلیکا آماده شدند. غشاهای آماده شده توسط روش های طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه، تصویربرداری با میکروسکوپ الکترونی روبشی، گرماسنج روبشی دیفرانسیلی و پراکنش اشعه ایکس باز مورد بررسی قرار گرفتند.
نتایج طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه و تصویربرداری با میکروسکوپ الکترونی روبشی، پراکندگی نانوذرات سیلیکا در ماتریس پلیمر را در ابعاد نانو نشان می داد. همچنین نتایج گرماسنجی روبشی دیفرانسیلی و پراکنش اشعه ایکس زاویه باز نشان داد که افزایش محتویات سیلیکا باعث افزایش قابل توجه مناطق بی نظم می شود. به علاوه صادقی و همکاران تراوش پذیری گاز از غشای نانوکامپوزیت - EVA-Silica - با محتویات 5 ،6 و10 درصد وزنی از سیلیکا را برای گازهای دی اکسیدکربن و نیتروژن در فشارهای 4، 6 و 8 بار مورد بررسی قرار دادند.
نتایج بدست آمده نشان می داد که افزایش نانو ذرات سیلیکا باعث افزایش قابل توجهی در تراوش پذیری هر دو گاز خواهد شد و افزایش گزینش پذیری دی اکسیدکربن نسبت به نیتروژن را به دنبال خواهد داشت. صادقی و همکارانش این افزایش در تراوش پذیری را ناشی از افزایش نفوذ و حلالیت گازها در غشاهای ترکیبی دانستند. نتایج بدست آمده نشان می داد که اختلاط نانوذرات سیلیکا در پلیمر باعث می شود که حلالیت مکانیسم غالب در عبور گازها از غشای ترکیبی باشد.[6] در شکل شماره - 1 - نتایج بدست از تحقیقات صادقی و همکاران ارائه شده است.
شکل :1 نتایج بدست آمده برای تراوش پذیری گاز توسط صادقی و همکارانش.[6]
رجبی و همکاران در سال 1391 دو ساختار متفاوت از غشای نانوکامپوزیت نامتقارن استات سلولز با مقادیر مختلف نانو ذرات سیلیکا ساختند و مورد بررسی قرار دادند. آن ها از دو روش مختلف برای بدست آوردن ساختار متقارن و نا متقارن بهره گرفتند. همچنین از میکروسکوپ الکترونی پویشی به منظور ساختارشناسی غشاها استفاده کردند و تراوایی گازهای نیتروزن و دی اکسیدکربن را به کمک تجهیزات آزمایشگاهی حجم ثابت محاسبه کردند.
با توجه به نتایج حاصل شده با افزایش درصد سیلیکا، تراوش پذیری دی اکسید کربن برای هر دو غشا از 6/32 تا 7/3 بارر افزایش یافت. گزینش پذیری دی اکسیدکربن نسبت به نیتروژن نیز با افزایش سیلیکا - در %20وزنی سیلیکا - از 32 به 80 برای هر دو نوع غشا رسید. همچنین افزایش حدود 7 برابری در شار گاز عبوری از غشا نامتقارن در مقایسه با غشا متقارن با درصد وزنی و گزینش پذیری یکسان مشاهده شد.عبوری و همچنین گزینش پذیری دی اکسیدکربن نسبت به نیتروژن افزایش یافت.[7]
