بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش از نانوذرات سنتز شده تیتانیوم اکساید نانو لوله شده در زمینه پلیمری PEBAX1657 به عنوان نانوپرکن در رنج %5-0 استفاده شده است و اثر پلیمر و نانوپرکن در جداسازی دی اکسید کربن از متان مورد بررسی قرار گرفت. تیتانیوم اکساید نانوتیوب توسط روش هیدروترمال در محلول آبی NaOH آماده سازی گردید. آزمایشهای تراوایی و آنالیزهای SEM و FTIR برای بررسی خواص این غشاها به کار برده شد. برای سنجش تراوایی و محاسبه گزینشگری غشاهای ساخته شده در پژوهش حاضر از سل تراوایی و با روش حجم ثابت استفاده شد . اندازه گیریهای ترواش گازهای دی اکسید کربن و متان نشان داد که با افزودن این نانوپرکنها در درصد بارگذاری %4تراوایی به میزان %63 افزایش و گزینش گری در میزان بارگذاری %1 به میزان %10 افزایش مییابد.
-1 مقدمه
یکی از روشهای جداسازی گازها استفاده از فرآیندهای غشایی میباشد. غشاهای مختلفی برای شیرین سازی گاز طبیعی استفاده میشود که میتوان به غشاهای پلیمری و زئولیتی اشاره کرد. غشاهای ماتریس آمیخته نسل جدیدی از غشاها هستند که از پخش کردن ذرات - معمولا غیر آلی - در داخل فاز آلی - پلیمر - ساخته میشود.[1]گاز طبیعی شامل ناخالصیهایی است که باید قبل از مصرف جدا شوند. به گازهای سولفید هیدروژن و کربن دی اکسید گازترش یا گازهای اسیدی میگویند که از مهمترین ناخالصیهای موجود در گاز طبیعی هستند و اثرات زیانباری بر انسان، محیطزیست و تجهیزات عملیاتی دارند. برای استفاده و نقلوانتقال گاز طبیعی باید جداسازی شوند. امروزه افزایش غلظت CO2 در اتمسفر به یکی از معضلات پیچیده جهانی تبدیل شده است.
در سال 2014، غلظت CO2 در هوای محیط به نزدیک 400 ppm رسید. افزایش روزافزون CO2 ناشی از سوختهای فسیلی مانند نفت و احتراق گاز طبیعی و ذغال سنگ سبب آسیب به شرایط اکوسیستم و ایجاد مشکلات غیرقابل حل میشود. برای به حداقل رساندن خطرات فاجعه آمیز نفوذ بیش از اندازه CO2 ، پروتوکلها و خط مشیهای بسیاری در چند سال اخیر تدوین گردیده است که طبق آنها، کشورهای صنعتی پیشرفته و مستعد آلودگی، بایستی نفوذ CO2 را به محیط به مقدار حداقل %6 کاهش دهند و این مقدار برای سال 2020 بایستی به میزان %40 کاهش یابد.[2]
همانطور که بحث شد، فرایندهای غشایی اخیرا بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. کشف فرایندهای غشایی توسط ابی نولت - - ABBE NOLLET در سال 1748 با پی بردن به فرایند اسمز آغاز گردید. سالیان متعدد محققان بسیاری به بهبود این تکنولوژی تلاش نمودند. در سال 1980 فرایندهای غشایی وارد صنعت شده و تحول عظیمی ایجاد نمودند. میلیونها دلار هزینه در این راستا ذخیره شد و سبب بهبود و سرعت جداسازی گازی گردید[3]
غشا یک مانع نیمه تراواست که اجزا را به طور گزینش گرانه از خود عبور میدهد. میزان عبوردهی و میزان جدایش تعیین کننده قابلیت استفاده از غشاهاست. تراوایی و گزینش گری دو پارامتر عمده است که در غشاهای جداسازی گاز بسیار مورد توجه میباشند. در غشاهای پلیمری تراوایی و گزینش گری بالا بسیار مطلوب محسوب میشوند. بالا بودن تراوایی باعث کاهش سطح لازم غشا برای عبور گاز میشود که در نتیجه سبب کاهش هزینههای کلی واحدهای غشایی میشود. بالابودن گزینش گری سبب بالا رفتن خلوص گاز خروجی میشود. این دو مورد اساسی در ساخت غشاها باید بسیار مورد توجه قرار گیرد.[4]
هدف از این کار، ساخت، بکارگیری و ارتقا بازده عملکردی یک غشای پلیمری به منظور جداسازی کربن دی اکسید از متان میباشد. در این تحقیق، ابتدا با مطالعه پارامترهای تراوایی و گزینش گری پلیمرهای مناسب برای جداسازی کربن دی اکسید و در نظر گرفتن فرایندپذیری آنها از جمله مقاومت مکانیکی، حرارتی و شیمیایی، کوپلیمرهای پلی اتر بلاک آمیدPEBA - Poly - Ether-B-Amid - - با نام تجاری پیباکس، PEBAX، برای ساخت غشا مورد استفاده قرار گرفت.
پلیمر پیباکس دارای دو بخش نرم و سخت میباشد. بخش-های نرم برای مولکولها به عنوان عامل گذر دهنده هستند و بخش-های سخت نقش مانع را بازی میکنند. پیباکس دارای گروههای قطبی زیادی میباشد بنابراین به راحتی میتواند با مولکولهای کربن دی اکسید قطبی واکنش دهد و عبور آن را آسانتر کند.[5] در این پژوهش، تیتانیوم اکساید کروی شکل طی فرایند هیدروترمال تبدیل به تیتانیوم اکساید نانولوله ای شکل گردید و به عنوان پرکن در زمینه پلیمری استفاده گردید. در نهایت غشای ماتریس آمیخته PEBAX/TiNT ساخته و بررسی گردید.
-2فرمولهای کاربردی
همانطور که اشاره گردید برای محاسبه تراوایی و گزینش گری گازها از روش حجم ثابت استفاده گردید. در این روش میزان تراوش بر حسب [cm3 - STP - cm/cm2 s cmHg] از معادله زیر به دست میآید: - 1 - در معادله - 2 - ، P اختلاف فشار میان جریان بالا دست و پایین دست، Am سطح موثر غشا، l ضخامت غشا و dV سرعت جابجایی dt حجمی گاز میباشد. که در آن، T دمای مطلق گاز برحسب کلوین، Ts و Ps دما و فشار در شرایط استاندارد که به ترتیب 273/15 کلوین و 76 سانتیمتر جیوه هستند و V بر حسب cm به عنوان حجم لولهها شناخته میشود و شامل بخشی از مدول نفوذ - قسمت زیر غشا - و لوله میباشد. برای اندازهگیری این حجم، این قسمت را با مایعی نظیر آب مقطر پر کرده و حجم مصرفی را اندازه میگیریم.
-1-1 ساخت نانو لوله تیتانیوم اکساید
نانو لوله تیتانیوم اکساید توسط روش هیدروترمال در محلول آبی NaOH آماده سازی گردید. در ابتدا، 5 گرم از پودر تجاری فاز آناتاز TiO2 به 100 میلی لیتر محلول آبی سدیم هیدروکسید mol/l 10در اتوکلاو پوشیده تفلونی از جنس فولاد زنگ نزن 200 میلی لیتری افزوده شد. درب اتوکلاو را محکم بسته تا امکان نشتی در حین عملیات وجود نداشته باشد. سپس آن را در دمای 140 C به مدت 24 ساعت نگهداری شد.
پس از بیرون آوردن آن تا رسیدن به دمای محیط، به آهستگی خنک گردید. پس از فیلتر کردن مواد درون اتوکلاو، توسط آب مقطر شست و شو داده و نمونه شست و شو داده شده توسط محلول اسیدی ساخته شده با HCl درpH= 1 به مدت 24 ساعت نگهداری گردید. پس از اتمام این مرحله، نمونه به دست آمده توسط آب مقطر تا رسیدن بهpH= 7 شست و شو داده شد. محصول نهایی به عنوان TiNT - نانو لوله تیتانیوم اکسید - شناخته میشود.[6]
-2-1 ساخت غشای خالص PEBAX برای ساخت غشای پلیمری PEBAX، مراحل زیر صورت میگیرد:
· تهیه محلول پلیمری PEBAX در مخلوط اتانول/ آب - - %30/70 با نسبت وزنی مورد نظر
· اختلاط محلول به مدت 6 ساعت تحت جریان برگشتی در دمای 85- 80 C
· ریخته گری محلول درون قالب شیشهای
· خشک کردن اولیه در دمای محیط به مدت 24 ساعت
· خشک کردن نهایی در خلا در دمای 60 C به مدت 48 ساعت
· جداکردن فیلم غشایی از قالب شیشهای به منظور جلوگیری از تبخیر حلال در زمان اختلاط، از مبرد حرارتی استفاده گردید. همچنین برای خشک کردن در آون خلا هوای درون آون توسط پمپ خلا به طور کامل تخلیه گردید.
-3-1 ساخت غشای ماتریس آمیخته
به منظور ساخت غشای ماتریس آمیخته PEBAX/TINT مراحل زیر به ترتیب طی گردید:
· افزودن مقدار معینی از نانوذره با درصد وزنی بر پایه وزن پلیمر به محلول اتانول/آب
· پراکنده سازی نانوذره در حلال توسط دستگاه فراصوت با توان پایین به مدت 20 دقیقه
· افزودن پلیمر به محلول همگن حلال و نانوذره
· اختلاط محلول در سیستم جریان برگشتی در دمایC 85-80 به مدت 4 ساعت
· ریختهگری محلول در قالب شیشهای
· خشک کردن اولیه در دمای محیط به مدت 24 ساعت
· خشک کردن نهایی در دمای 60 C به مدت 48 ساعت در شرایط خلا
· جداکردن غشا از قالب شیشهای غشا ساخته شده انعطاف پذیر و دارای رنگی روشن و متمایل به سفید میباشد.
-4-1 تستهای صورت گرفته
برای سنجش تراوایی و محاسبه عامل گزینشگری غشاهای ساخته شده در پژوهش حاضر از سل تراوایی و با روش حجم ثابت استفاده شد که در شکل - 1 - شماتیکی از این دستگاه آورده شده است. برای اندازه گیری تراوایی از غلظت ثابتی از پلیمر 8 - درضد وزنی - PEBAX و درصدهای متغیری از نانوپرکن از %5-0 وزنی به کار برده شد و طبق مراحل گفته شده در بخش پیشین ساخته شد.
