بخشی از مقاله
خلاصه
دیاکسیدکربن - CO2 - آزاد شده از جریان گازهای خروجی دودکش نیروگاههایی که سوخت فسیلی میسوزانند بیشترین سهم را در انتشار این گاز که بیش از نیمی از اثرات گلخانهای را شامل میشود، دارد. بنابراین، جداسازی CO2 از گازهای خروجی دودکشها یکی از دغدغههای اصلی در کنترل انتشار گازهای گلخانهای میباشد. از میان فناوریهای مختلف جداسازی گاز، فناوری غشایی به دلیل مزایای فراوان، توجه بسیاری از پژوهشگران را جلب کرده است. در این پروژه سعی شده است که عملکرد جداسازی غشای سلولزاستات - CA - ، به عنوان معروفترین غشای تجاری مورد استفاده برای جداسازی CO2، به روش آلیاژسازی بهبود یابد.
در این خصوص، از کوپلیمر بلوکی پلی اتر بلاک آمید با نام تجاری پباکس - Pebax - که از کارایی مناسبی در جداسازی CO2 برخوردار میباشد، استفاده شده است. غشاهای آلیاژی سلولزاستات-پباکس به روش ریختهگری محلولی-تبخیر حلال ساخته شده و عملکرد آنها در جداسازی CO2 از نیتروژن - N2 - ، مورد بررسی قرار گرفته است. شکلشناسی این غشاها توسط آزمون میکروسکوپ الکترونی پویشی - SEM - بررسی شد. نتایج تراوایی گاز با استفاده از روش آزمون حجم-ثابت نشان داد که در فشار 2 bar تراوایی CO2 در غشای سلولزاستات با افزایش %8 درصد وزنی پباکس، بیش از %25 و گزینشپذیری ایدهآل CO2/N2 معادل با آن نیز در حدود %59 رشد داشت.
کلمات کلیدی: غشای آلیاژی، سلولزاستات، پباکس، جداسازی گاز، دیاکسیدکربن، نیتروژن
.1 مقدمه
گسترش سریع جمعیت و رشد فزاینده مصرف انرژی که ناشی از صنعتی شدن کشورهاست باعث شده که مصرف انرژی، به عنوان خوراک اصلی توسعه، افزایش یابد. پیشبینی میشود که همزمان با رشد مصرف انرژی، انتشار گاز CO2 ناشی از فرآیندهای تولید انرژی در جهان نیز به آرامی رشد خواهد کرد. بنابراین، جداسازی CO2 و به مصرف رساندن آن مورد توجه قرار گرفته است.علاوه بر این، امروزه اثبات شده که میتوان CO2 جداسازی شده از مخلوط جریانهای گازی را برای فرآیندهای سودبخش صنعتی مانند فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت - EOR - و تبدیل گاز به مایع - GTL - استفاده کرد؛ در این خصوص، CO2 استحصال شده از جریان گازی به چاههای نفت تزریق شده و باعث ازدیاد برداشت از چاه میشود.همچنین در فرآیند GTL میتوان از CO2 به منظور تهیه و تولید گاز سنتز، به عنوان اصلیترین خوراک این فرآیند، بهره گرفت.
فناوریهای مختلفی برای جداسازی CO2 ارائه شده که از آن جمله میتوان به جذب فیزیکی، جذب شیمیایی، تقطیر در دمای پایین، جذب سطحی با نوسان فشار - PSA - و جداسازی غشایی اشاره کرد. جداسازی غشایی گازها به دلایل زیر از مطلوبیت بسیاری برخوردار بوده و در چند دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است: - 1 - به عامل جداکنندهای نیاز ندارد - - 2 به تغییر فاز در سیستم نیاز نیست - 3 - هزینه احیاء عامل جداکننده را ندارد - 4 - در مقایسه با فرآیندهای دیگر نیاز به فضای کمتری دارد - 5 - تعمیر و نگهداری کمی نیاز دارد - 6 - تجهیزات اصلی واحدهای غشایی فشرده و کم وزن هستند و میتوانند هم به صورت افقی و هم عمودی قرار بگیرند، که این ویژگی آنها را در پروژههای بازسازی متمایز میسازد - 7 - واحدهای آنها از قسمتهای کوچکی تشکیل شده که استفاده از آنها برای عملیات چند مرحلهای را میسر میسازد و - 8 - هزینه افزایش مقیاس واحدهای غشایی به صورت خطی است.
عمدهترین موانع موجود در گسترش این فناوری، ظرفیت پایین، گزینشپذیری کم و خواص حرارتی ضعیف غشاهای تجاری موجود - که عمدتاً پلیمری هستند - میباشد. با این وجود، به خاطر خواص تراوایی ذاتی خوب گاز CO2 در این غشاها، کاربرد آنها در جداسازی CO2 از مخلوطهای گازی مورد توجه قرار گرفته است. چالش پیش رو در این زمینه، فقدان غشاهایی است که از تراوایی - permeability - و گزینشپذیری - selectivity - همزمان بالایی برخوردار باشند.آلیاژسازی پلیمرها یکی از روشهای مورد استفاده در جهت ارتقاء کارآیی و بهبود خواص غشاهای پلیمری جداسازی گاز است که در آن با ترکیب مزایای هر پلیمر، فرآوردهای جدید با خواصی منحصر بفردی تولید میشود که دارای خواص مکانیکی اصلاح شده و تراوایی /گزینشپذیری مطلوبتری در مقایسه با پلیمرهای سازنده خود میباشد.
سادگی و صرفه اقتصادی این روش در مقایسه با سنتر مواد جدید باعث برتری آن نسبت به دیگر روشهای بهسازی خواص پلیمرهای غشایی شده است .[1]از جمله پلیمرهای تجاری مهم در جداسازی دیاکسیدکربن، سلولزاستات - CA - است. در زمینه آلیاژسازی با این پلیمر، میتوان به کار لی و همکارانش [2] اشاره کرد. آنها اثر افزودن پلی اتیلن گلایکول - - PEG - با وزنهای مولکولی مختلف - از 200 تا - - 20000 به CA را بررسی کرده و دریافتند که اضافه کردن %10 وزنی پلی اتیلن گلایکول با وزن مولکولی 20000 میتواند به بیشترین مقدار تراوایی دیاکسیدکربن منجر شود. در فشار 20 cmHg، تراوایی CO2 از 5/69 Barrer برای غشای CA خالص به 7/49 Barrer برای غشای حاوی %10 وزنی PEG20000 ارتقاء یافت.
بیکسون و همکارانش [3] غشای آلیاژی سلولزاستات با پلی متیل متاکریلات - PMMA - را تهیه کردند. آزمایشهای آنها نشان داد که با کاهش درصد وزنی سلولزاستات - یا افزایش - PMMA، تراوایی نیتروژن به طور قابل توجهی کاهش یافته به طوری که در فشار 1 تا 2 bar از 0/14 Barrer برای غشای CA خالص به کمتر از 0/02 Barrer برای غشای PMMA خالص رسید.عبدالنبی و همکارانش [4] با بررسی غشای آلیاژی سلولزاستات و دیالیامین به ارتقاء استحکام مکانیکی و مقاومت حرارتی دست یافتند. همچنین در مطالعهای دیگر [5] طی بررسی غشای آلیاژی CA با کوپلیمرهای اکریلونتیریل- نرمال فینیل مالیمید، افزایش استحکام مکانیکی و مقاومت حرارتی را در مقادیر بیش از %10 وزنی از کوپلیمرها گزارش کردند.
یکی از مهمترین پلیمرهایی که در پژوهشهای جداسازی غشایی گازها مطرح بوده و از تراوایی و گزینشپذیری بالایی برخوردار است، پلی اتر بلاک آمیدها هستند. با وجود مطالعات زیاد انجام شده در کاربرد آنها، پایداری فرآیندی این مواد در جداسازی CO2 از گازهای خروجی دودکشها به عنوان یک مساله باقی است. بنابراین، آلیاژکاری آنها میتواند به پیشبرد اهداف توسعه کاربرد آنها کمک کند. یکی از مهمترین انواع این پلیمرهای بلوکی، با نام تجاری پباکس - Pebax - شناخته شدهاند. فنگ و همکارانش [6] با تهیه غشای آلیاژی پباکس/تری استات گلیسرول دریافتند که با کاهش میزان پباکس - افزایش تری استات گلیسرول - تراوایی CO2 افزایش می یابد، به طوری که در فشار 5 bar بار، از 143/7 Barrer برای پباکس خالص به 1800/2 Barrer برای غشای آلیاژی دارای Pebax %20 افزایش یافت.
این در حالی است که در این غشاء گزینشپذیری CO2/N2 حدود 26 بوده و این مقدار برای غشای پباکس خالص 60 است.در پژوهش حاضر، هدف این است که غشای آلیاژی سلولزاستات-پباکس به روش ریختهگری محلول ساخته شده و اثر افزودن پباکس بر شکلشناسی و عملکرد غشاء بررسی شود. غشاهای ساخته شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی پویشی - SEM - مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. همچنین آزمون تراوایی گازهای دیاکسیدکربن و نیتروژن - به روش حجم-ثابت - انجام شده و نتایج تراوایی گازها و گزینشپذیری CO2/N2 بررسی میشود.
.2 آزمایشگاهی
-1-2 مواد
پلیمر سلولزاستات - Cellulose acetate - از شرکت سیگما-آلدریچ - Sigma-Aldrich - آمریکا تهیه شد. پباکس - Pebax® MH 1657 - نیز از شرکت آرکما - Arkema - فرانسه خریداری شد. حلال اسید استیک از شرکت مرک - Merck - آلمان تهیه شد و همچنین گازهای CO2 و N2 با خلوص %99/999 از شرکت اکسیژن یاران خریداری شده و در اندازهگیریهای تراوایی مورد استفاده قرار گرفت. همه مواد بعد از تهیه، بدون خالصسازی بیشتر مصرف شدند.
-2-2 ساخت غشاء
به منظور تهیه غشاهای آلیاژی مورد نظر، سلولزاستات به عنوان پلیمر اسکلت غشاء به همراه پلیمر افزوده شونده - Pebax - به کار گرفته شده است. از روش ریختهگری محلول و تبخیر حلال به نحوی که در ادامه میآید استفاده شد. برای این منظور، پلیمرهای سلولزاستات و پباکس خالص به طور جداگانه در حلال اسید استیک و در دمای 45 œC به مدت 12 ساعت حل شده تا محلولهایی با غلظت % 10 وزنی بدست آید. سپس برای ساخت محلول ریختهگری مربوط به هر یک از غشاهای آلیاژی، در یک ظرف جداگانه به مقدار لازم از محلول پباکس را به محلول سلولزاستات در حالت هم خوردن، افزوده و به مدت 6 ساعت دیگر همزده تا ترکیب نهایی آلیاژ مورد نظر حاصل شود. به این منظور آلیاژهای %0-10 وزنی پباکس در سلولزاستات تهیه شد. بعد از آن، محلول بدست آمده را به مدت 6 ساعت در دمای 45 œC بدون همزدن نگهداری کرده تا حباب زدایی شود.
محلول عاری از حباب، به کمک یک فیلمکش غشایی از جنس فولاد زنگ نزن که دهانه تیغه آن دارای ضخامت 300 m بود، روی یک صفحه شیشهای تمیز ریختهگری شد. پس از تبخیر حلال به مدت یک شب در دمای محیط و همچنین به مدت 24 ساعت دیگر در خشککن خلأیی با دمای 50 œC، فیلمهای غشایی چگال بدست آمده، از صفحه شیشهای جدا شده و آزمون تراوایی گاز بر روی آنها انجام شد.شایان ذکر است که غشای ساخته شده از ترکیب حاوی %10 وزنی پباکس، به دلیل عدم شکلگیری آلیاژ مناسب - که در این مورد، غشاء مورد نظر دارای ظاهری با دو فاز پلیمری جدا از هم بود - در آزمون تراوایی گازها عملکرد مطلوبی نداشته و از این رو نتایج مربوط به آن گزارش نشد.
-3-2 ارزیابی غشاها
