بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیقتاٌثیر حلالهای مختلف، درصدهای مختلف پلیمر و فشار ورودی متفاوت بر روی خواص تراوایی و گزینشپذیری غشا پلی اتر سولفون بررسی شد. ابتدا دو نمونه غشا %30 وزنی پلیاترسولفون در حلالهای دی متیل فرمامید و دی متیل استامید توسط فرآیند جدایش فازی ساخته شد. در ادامه آزمایشات عبوردهی برای گازهای هلیم و گاز طبیعی در محدوده فشارهای 2/5 تا 15 بار انجام گرفت و حلال دی متیل فرمامید به عنوان حلال برتر برگزیده شد.
سپس، آزمایشهای مشابه برای انتخاب بهترین درصد وزنی پلی اتر سولفون برای بهبود تراوایی، با دو غشا %15 و %20 وزنی پلیاترسولفون با حلال دی متیل فرمامید صورت گرفت. نتایج بدست آمده حاکی از آن بود که بهترین درصد ساخت غشا برای دستیابی به تراوایی و انتخابپذیری بالاتر، %30 وزنی پلیاترسولفون میباشد. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش فشار، تراوایی هردو گاز افزایش و انتخابپذیری کاهش پیدا میکند و گاز هلیم نسبت به گاز طبیعی در تمامی آزمایشها از تراوایی بالاتری برخوردار میباشد.
کلمات کلیدی: هلیم، گاز طبیعی، جداسازی، غشا، پلیاتر سولفون
مقدمه
امروزه استخراج هلیم از گاز طبیعی بدلیل کاربردهای گسترده آن در صنعت، بسیار مورد توجه قرار گرفتهاست. گازطبیعی عمدتاٌ از متان - و مقادیر جزیی از سایر گازهای سبک مانند هلیم - تشکیل یافتهاست. جداسازی هلیم از گاز طبیعی به طور سنتی توسط تقطیر برودتی انجام شدهاست و برای رسیدن به خلوص بالای %98,99 هلیم، نیازمند مراحله تصفیه متعدد میباشد که هزینه و انرژی زیادی را مصرف میکند.
به همین منظور تحقیقات گستردهای در زمینه ابداع تکنیکهای جدید با پتانسیل کاهش هزینهها و کاهش پیچیدگی عملیات اجرا و کنترل صورت گرفتهاست. در این راستا جداسازی غشایی به عنوان یک تکنولوژی در حال توسعه و با داشتن مزایایی همچون مصرف انرژی کمتر، کم بودن هزینه سرمایهگذاری اولیه، هزینه کم جهت تعمیر و نگهداری، سازگاری با محیط زیست و نیز انعطافپذیری زیاد مورد توجه محققان قرار گرفتهاست.
غشاهایی که در این زمینه استفاده میشوند را میتوان بر اساس جنس توده تشکیل دهنده آنها به چهار دسته پلیمری، سرامیکی، فلزی و مایع تقسیم کرد که در این بین غشاهای سرامیکی در مقایسه با غشاهای پلیمری از مزایایی چون مقاومت حرارتی، مکانیکی و شیمیایی بالاتر و طول عمر زیادتر برخوردار میباشند. اما غشاهای پلیمری به دلیل قیمت کمتر و ساخت آسانتر نسبت به غشاهای سرامیکی کاربردیتر میباشند.
تاکنون پلیمرهای متنوعی از جمله پلیسولفون، پلیکربنات، پلی ایمید و پلیاتر-سولفون در حوزه جداسازی هلیم مورد استفاده قرار گرفتهاست و پینمان از غشا پلیاتر ایمید پوشش داده شده برای جداسازی هلیم نسبت به نیتروژن استفاده کرد و به خلوص بالاتری نسبت به حالت خالص پلیمر دست یافت. پترسن و همکاران مطالعهای را در زمینه جداسازی هلیم از گاز طبیعی توسط غشا پلیمری از جنس فسفازین انجام دادند و در نهایت انتخابپذیری هلیم نسبت به متان را بین 1,2 تا 8,1 بدست آوردند.
چیو و همکاران جداسازی هلیم از متان را توسط سه غشا پلیاترسولفون، پلیسولفون و پلی کربنات مورد بررسی قرار دادند و انتخابپذیری هلیم نسبت به متان را در فشار 10,01325 بار و دمای 35 درجه سانتیگراد به ترتیب 80، 61 و 50 گزارش کردند.
در این پژوهش برای ساخت غشا از روش جدایش فازی که یک روش بسیار کاربردی در تهیه انواع غشاهای پلیمری محسوب میگردد استفاده شد. همچنین غشای پلیاتر سولفون به دلیل پایداری حرارتی و شیمیایی بالاتر نسبت به سایر پلیمرها مورد استفاده قرار گرفت و در این مطالعه با استفاده از آب - با مولکولهای قطبی - به عنوان ضد حلال، به کار بردن حلالهای قطبی نظیر دیمتیل فرمامید و دیمتیلاستامید به تشدید نرخ جابهجایی حلال و ضد حلال در حین شکلگیری غشا منجر شده و غنی شدن فیلم در حال ترسیب از ضد حلال را تسریع میکند. نتیجه بدیهی این امر، افزایش در میزان تخلخل غشاهای حاصله میباشد.
در تحقیقات گذشته برای جداسازی هلیم توسط غشا اثر حلالهای مختلف و درصد وزنی متفاوت از پلیمر مورد استفاده برای ساخت غشا بررسی نشدهاست. به همین منظور در تحقیق پیش رو تاثیر درصدهای وزنی متفاوت پلیاترسولفون و اثر حلالهای متفاوت در بازه فشاری 2,5 تا 15 بار مورد بررسی قرارگرفتهاست.
مواد
جهت ساخت غشاء از پلی اتر سولفون ساخت شرکت BASF آلمان با جرم مولکولی متوسط 58000 گرم برمول، حلال های دی متیل فرمامید - DMF - و دی متیل استامید - - DMAC، و متانول ساخت شرکت مرک آلمان و آب مقطراستفاده شد.
تجهیزات مورد نیاز
در این تحقیق از دستگاه فیلم کش، صفحه شیشه ای تخت به عنوان محل تشکیل فیلم از محلول پلیمری - 30*20 سانتیمتر - ، حمام پلاستیکی جهت بستر ضد حلال، همزن مگنتی، آون - Oven - ، ترازوی دیجیتال، تجهیزات عمومی آزمایشگاهی و جهت بررسی خصوصیات عبوردهی غشاهای ساخته شده از یک مدول صفحهای استفاده گردید.
روش ساخت غشا
برای ساخت محلول پلیمری پایه قبل از هر کار باید از خشک بودن پلیمر و نبود هیچ گونه رطوبتی در آن مطمئن شد برای حصول اطمینان می بایست ماده خشک پلیمر به مدت 24 ساعت در آون با دمای 80 درجه سانتیگراد قرار داده شود. در این تحقیق محلول 15، 20 و 30 درصد وزنی پلیمر با حلالهای دیمتیلفرمامید و دیمتیلاستامید تهیه گردید. سپس به منظور دستیابی به محلولی همگن و شیشه ای رنگ از همزن مگنتی استفاده شد، معمولا این عمل بین 24 تا 72 ساعت به طول خواهد انجامید و برای از بین رفتن حبابهای موجود در محلول به مدت 3-4 ساعت به آن زمان داده شد.
سپس برای ساخت غشاهای چگال پلیاترسولفون خالص به روش جدایش فازی، محلول را روی یک شیشه تمیز و با سطح صاف ریخته و توسط فیلم کش، لایه ای یکنواخت از فیلم بر روی صفحه شیشه ای کشیده شد. فیلم مذکور به حمام آب مقطر انتقال یافته و پس از ایجاد غشا در حمام مذکور و جدا شدن آن از صفحه شیشه ای، غشا مورد نظر به مدت12 تا 24 ساعت در ظرف آب مقطر نگهداری می شود. هدف از انجام این کار خارج کردن حلال از محلول و پیکر بندی غشا می باشد.
پس از این کار جهت خارج کردن آب از درون غشا مجددا غشا ساخته شده به مدت 12ساعت در محلول متانول داده می شود. هدف از این کار خارج کردن آب به بوسیله ناحلال فرار - متانول - می باشد. به منظور خارج کردن هر گونه ناخالصی از درون ساختمان پلیمری غشاء، به مدت 12 ساعت غشاء در آون با دمای 80 درجه سانتیگراد قرار داده شد. لازم به ذکر است در این تحقیق دو غشای 30 درصد وزنی پلی اتر سولفون در حلالهای دیمتیلفرمامید و دیمتیلاستامید و دو غشا با حلال دیمتیلفرمامید و ترکیب 15 و 20 درصد وزنی پلیاترسولفون مورد بررسی قرار گرفت.
دستگاه آزمایش
با توجه به محاسبات لازم و همچنین بررسی تغییرات دما و فشار برروی غشا لازم است دستگاهی ساخته شود که بتواند کلیه نیازهای محقق را برآورده سازد. لذا پس از بررسی های انجام شده نهایتا نقشه جریانی واحد تهیه شد. این دستگاه دارای قابلیت های گوناگونی از جمله، توانایی اندازه گیری تراوایی به روش های ایده ال و حقیقی، قابلیت کار در فشار عملیاتی35 bar و دمای عملیاتی 100 درجه سانتیگراد، دارای سیستم فشار سنج در کلیه قسمت های لازم - فشار سنج ها در قسمت خوراک تا میزان 60 بار با دقت 2 بار و در قسمت تراوا تا میزان 10 بار با دقت 0/2 بار را می تواند اندازه گیری کند. - ، قابلیت اندازه گیری و کنترل دما تا 150 سانتیگراد میباشد.
