مقاله جذب کربن دی اکسید در محلول آبی مایع یونی و آمین توسط تماس دهنده های غشایی الیاف تو خالی

بخشی از مقاله

خلاصه

امروزه مایعات یونی با ویژگیهای منحصر به فردی که دارند به عنوان حلال سبز شناخته شدهاند و توجه محققان را برای کارگیری آنها در جداسازی گاز کربندیاکسید به خود جلب کرده است. هم چنین تماس دهندههای غشایی الیاف تو خالی به دلیل سطح تماس بالایی که بین دو فاز ایجاد میکند تکنیک جدید و موثری برای فرایندهای جداسازی معرفی میشوند. در این پژوهش از محلول آبی مایع یونی -1 - [Bmim][BF4]بوتیل--3متیل امیدازولیوم تترافلوئوروبورات - و آمین MDEA - متیلدیاتانولآمین - به عنوان یک جاذب شیمیایی در تماس دهندههای غشایی الیاف تو خالی آب گریز از جنس پلی پروپیلن استفاده شده است و به صورت آزمایشگاهی تاثیر پارامترهایی چون غلظت مایع یونی در محلول آبی آمین، شدت جریان مایع و شدت جریان گاز مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.  نتایج حاکی از آن است که به طور کلی محلول آبی %10 جرمی MDEA و %20 جرمی مایع یونی میتواند فلاکس انتقال جرم گاز کربندیاکسید را تا حدود 10 درصد در مقایسه با محلول آبی 10 درصد جرمی MDEA بهبود بخشد. هم چنین میزان شدت جریان مایع تاثیری روی فلاکس انتقال جرم نخواهد داشت، در حالی که افزایش شدت جریان گاز باعث افزایش فلاکس انتقال جرم میشود

1    مقدمه

گازهای گلخانهای عبارتاند از ترکیبات گازی که در اثر گلخانهای نقش دارند. گازهای گلخانهای به حدود نیمی از انرژی خورشید اجازهی عبور داده و بخشی از اشعهی مادون قرمز منعکس شده از زمین را دوباره به آن باز میتابانند. به این شکل به دام افتادن گرما، اصطلاحا اثر گلخانهای گفته میشود .[1] امواج گرمایی شدید، ذوب شدن منابع برف و یخ، کاهش منابع آب شیرین، خشک سالی و کاهش تولیدات محصولات کشاورزی، آتش سوزی در جنگلها، تغییر در میزان رطوبت موجود در خاک و غیره از مشکلات به وجود آمده توسط افزایش دما است.

هم چنین موج گرما اثر منفی روی سلامت افراد گذاشته و باعث افزایش بیماریهای ناشی از گرما میشود. به طورکلی مسائل ناشی از گرم شدن هوا سالانه 5 تا 20 درصد تولیدات ناخالص جهان را کاهش میدهد .[3 ,2] دیاکسید-کربن علی رغم نیروی تابشی کمتر آن نسبت به سایر گازهای گلخانهای، اما به دلیل مقدار تشعشع زیاد آن به اتمسفر و همچنین طول عمر آن به عنوان یک گاز گخانهای بیشترین توجه را به سمت خود جلب میکند.[4] هر کدام از فرایندهای فوق، مزایا و معایب به خصوصی را دارند. بنابراین با توجه به گستردگی حوزهی فرایندهای حذف گازهای اسیدی، انتخاب فرایند بهینه کمی مشکل است. برای انتخاب فرایند بهینه، در نظر گرفتن فاکتورهای زیر ضروری است:

·    نوع و غلظت مواد ناخالصی در خوراک ورودی

·    غلظت مواد آلوده کننده و میزان حذف مورد نیاز

·    ویژگیهای جریان خروجی

·    هزینههای اولیه و عملیاتی

·    حجم گاز فرایندی

·    انتخاب پذیری مورد نیاز

·    شرایط خوراک فرایند [5]

در حال حاضر پرکاربردترین روش، استفاده از جذب شیمیایی توسط حلال در برجهای پرشده و سینیدار است. استفاده از برجهای مرسوم علاوه بر هزینه بالای عملیاتی و سرمایهگذاری، مشکلاتی نظیر کانال سازی1، ایجاد کف2، طغیان3 و ماندگی حلال 4 را نیز به همراه دارد. بسیاری از محققان در پی افزایش راندمان این فرایندها و حل مشکلات مذکور، فرایند جذب گاز توسط غشا که ترکیبی از تکنولوژی جداسازی توسط غشا و فرایند جذب شیمیایی است را ارائه کردند.

از مزایای این روش میتوان به دارا بودن سطح تماس بیشتر به ازای واحد حجم تماس دهنده، سطح تماس ثابت و مشخص، مصرف انرژی کمتر برای انجام جداسازی، امکان انجام عملیات جداسازی در دمای محیط، توانایی کار در شدت جریانهای کم و زیاد به علت مستقل بودن دو جریان از یکدیگر، سهولت دستیابی به کلیهی فازهای جداسازی شده، عدم نیاز به اختلاف چگالی دو سیال، انجام عملیات جداسازی توسط تجهیزاتی با وزن و حجم کم، تنوع در شکل و اندازه، افت فشار کم، انتقال جرم زیاد، بالا بودن راندمان جداسازی برای محلولها رقیق، ساده بودن طراحی غشا و نصب و عملیات ساده و غیره اشاره کرد.

با این حال این روش معایبی از قبیل ایجاد یک مقاومت اضافی در برابر انتقال گاز، گرفتگی غشا، افت فشار، طول عمر کوتاه غشا و همچنین قابلیت ترشدگی غشاها را نیز در پی خواهد داشت. در حین تماس دو فاز، خلل و فرج غشا میتواند بسته به آب دوست یا آب گریز بودن غشا، از فاز مایع یا فاز گاز پر شود. این موضوع از لحاظ میزان انتقال جرم، دو شرایط کاملا متفاوت را به وجود میآورد. پر شدن خلل و فرج توسط فاز مایع را پدیده ترشوندگی میگویند و لازم است که حتما از به وجود آمدن این شرایط اجتناب شود. پدیده ترشوندگی، مقاومت کلی در برابر انتقال جرم را به شدت افزایش داده و درنتیجه راندمان غشا را کاهش میدهد .[6] به صورت تئوری نشان داده شده است که حتی در درصدهای کم ترشدگی نیز کاهش چشم گیر نرخ انتقال جرم مشاهده میشود .[7]

یک پارامتر موثر در این روش، انتخاب حلال مناسب است. برای جذب دیاکسیدکربن میتوان از حلالهای زیادی استفاده کرد ولی انتخاب یک حلال مناسب به هزینههای عملیاتی و قدرت جذب حلال بستگی دارد. امروزه مایعات یونی به عنوان حلال سبز، توجه محققان را به خود جلب کرده است. از خواص منحصر به فرد مایعات یونی میتوان به فشار بخار بسیار کم، غیرقابل اشتعال بودن، پایداری حرارتی و شیمیایی بالا، کشش سطحی بالا و در نتیجه عدم تمایل به تر کردن غشا، مایع بودن در محدوده وسیعی از دماها و انتخاب پذیری بالا اشاره کرد. اما قیمت بالای آنها و همچنین ویسکوزیته بالایی که دارند، استفاده از آنها را با چالشهایی مواجه ساخته است. همچنین مایعات یونی در فشار پایین ظرفیت جذب قابل توجهی ندارند.

برای دستیابی به ظرفیت جذب بالا، یا باید جذب در فشار بالا انجام شود و یا از جذب شیمیایی استفاده کنیم. بدین منظور اخیرا مایعات یونی عامل دار سنتز شدهاند که یک گروه آمینی در کاتیون یا آنیون آنها به کار رفته است و باعث میشود که کربندی اکسید به صورت شیمیایی جذب شود و میزان جذب به شدت افزایش یابد. این نوع از مایعات یونی نیز نقاط ضعفی دارند که از مهم ترین آنها میتوان به ویسکوزیته بسیار بالای آنها اشاره کرد.

همچنین چون سنتز آنها نیازمند چندین مرحله خالص سازی است قیمت آنها بسیار بالاست. استفاده از مخلوط حلالها نیز همواره مورد توجه بوده است. میتوان با استفاده از مخلوط مایعات یونی معمولی با مایعات یونی عامل دار و یا مخلوط مایعات یونی معمولی با انواع آمینها، از مزایای هر دو نوع حلال بهره برد و در عین حال نقاط ضعف هرکدام، از جمله پایین بودن میزان حلالیت و ظرفیت جذب و همچنین ویسکوزیته و قیمت بالا را پوشش داد.

به همین منظور تصمیم به ساخت سیستم آزمایشگاهی جذب کربندیاکسید توسط تماس دهندههای غشایی الیاف توخالی و به کمک مخلوط مایع یونی -1 - [Bmim][BF4]بوتیل--3متیل امیدازولیوم تترافلوئوروبورات - و آمین MDEA - متیلدیاتانولآمین - به عنوان جاذب، برای جذب بیشتر کربندیاکسید گرفتیم. علت استفاده از MDEA به عنوان آمین این است که این آمین نسبت به کربندیاکسید انتخاب پذیر نبوده و همواره محققان به دنبال فعال کننده مناسب برای جذب بیشتر کربندیاکسید توسط این آمین هستند.

1-1   مروری بر تحقیقات گذشته

در سال 1993 کرور و سیرکار5 مطالعات جامعی به صورت آزمایشگاهی بر روی جذب CO 2 از مخلوط گازی N2-CO2 و جذب SO2 از مخلوط گازی 2 Air-SO در تماس دهندههای غشایی الیاف تو خالی و آب به عنوان حلال جاذب انجام دادند. نتایج آنها حاکی از برتری ده برابری سرعت انتقال جرم نسبت به برجهای پر شده است.[8] در سال 1996 رانگوالا6 نشان داد که در صورت استفاده از تماس دهنده های غشایی الیاف تو خالی به جای برجهای پر شده سنتی، سرعت کلی انتقال جرم 3 تا 9 برابر افزایش مییابد.

او همچنین روابطی را برای پیش بینی ضرایب انتقال جرم بین فاز گاز و مایع برای سیستمهای جذب CO2 درون آب و محلول سدیم هیدروکسید در تماس دهندههای غشایی ارائه داد.[9] لو7 و همکارانش در سال 2007 به مطالعهی تئوری و آزمایشگاهی روی محلولهای آبی AMP-MDEA و MDEA-piperazine - PZ - به عنوان جاذب پرداختند.[10] یک مدل ریاضی برای شبیه سازی جذب دیاکسیدکربن و هیدروژن سولفید درون تماس دهندههای غشایی الیاف توخالی در سال 2008 توسط کشاورز و همکارانش ارائه شد. آن ها همچنین غشاهای الیاف تو خالی را در شرایط ترشونگی کامل و جزئی حفرات مورد بررسی قرار دادند و نتیجه گرفتند ترشوندگی موجب کاهش چشم گیر بازده حذف گازهای اسیدی میشود.[12 ,11 ,7] سال 2013 گلخوار و همکارانش از نانو سیالهای نانوسیلیکا و نانو لولهی کربنی به عنوان جاذب در تماس دهندهی غشایی الیاف تو خالی استفاده کردند.[13]