بخشی از مقاله
چکیده
ترکیبات سولفوردار یکی از مهمترین آلوده کننده های میعانات گازی هستند که اثرات نامطلوب و مخربی بر روی عملکرد واحدهای استفاده کننده از این ترکیبات و همچنین محیط زیست و سلامتی انسان می گذارند؛ از اینرو حذف ترکیبات سولفوردار از میعانات گازی ترش در پالایشگاههای گاز از اهمیت خاصی برخوردار است. در این مقاله، بهینه سازی شرایط سنتز نانو الیاف کامپوزیتی پلی آکریلو نیتریل/نانو ذرات نقره با استفاده از روش تاگوچی بررسی شد. از روش طراحی آزمایشات با 4 فاکتور در 3 سطح و آرایه متعامد L9 استفاده شد.
نانو الیاف سنتز شده جهت حذف ترکیبات گوگردی میعانات گازی به عنوان روش جذب شیمیایی بکار برده شد. نتایج بدست آمده نشان داد شرایط سنتز بهینه عبارتند از: درصد وزنی %11 :PAN، درصد وزنی نقره: %45 ، ولتاژ کاری : 15 kV، فاصله نیدل تا جمع کننده: .15 cm در شرایط بهینه عملکرد جاذب برابر با 33/3 mg S/g Abs بدست آمد. ساختار نانو الیاف بهینه سنتز شده با استفاده از روشهای FESEM، EDX، TEM و XRD شناسایی و تأیید شد.
-1 مقدمه
ترکیبات سولفوردار یکی از مهمترین آلوده کنندههای میعانات گازی بشمار میروند. آلودگیهای ناشی از گوگرد یک پدیده نامطلوب با تأثیرات جدی و مخرب بر روی عملکرد واحدهای استفاده کننده از این ترکیبات و همچنین محیط زیست و سلامتی انسان میباشد؛ از اینرو حذف ترکیبات سولفوردار از میعانات گازی ترش در پالایشگاههای گاز از اهمیت خاصی برخوردار است. میعانات گازی غنی از هیدروکربن بوده - پنتان و سنگینتر از پنتان - و از مهمترین خوراکهای ورودی پالایشگاهها جهت تولید بنزین، نفت سفید و گازوئیل محسوب میشوند.
میعانات گازی تولید شده از میدان گازی پارس جنوبی - بیش از 50 هزار بشکه در روز - از نوع میعانات ترش می باشد؛ زیرا مقدار گوگرد کل موجود در آن حدود 2300 ppm است، درصورتیکه با رساندن گوگرد کل به زیر 500 ppm به میعانات شیرین تبدیل میگردد و با کاهش بیشتر مقدار گوگرد کل، کیفیت میعانات بسیار بهتره شده و با قیمت بالاتری به فروش میرسد. ترکیبات گوگردی موجود در میعانات گازی به ترتیب از نظر فراوانی شامل اتیل، پروپیل، هگزیل، بوتیل و متیل مرکاپتان میباشند.
بطور کلی روشهای موجود جهت حذف مرکاپتانهای منابع گازی شامل موارد زیر است: -1 روشهای اکسیداسیون، -2 جذب فیزیکی با استفاده از یک حلال، -3 جذب سطحی در بستر فاز ساکن، -4 هیدرودسولفوریزاسیون. از معایب روشهای ذکر شده میتوان به موارد زیر اشاره کرد: -1 نیاز به شرایط عملیاتی دشوار نظیر دما و فشار بالا، -2 نیاز به کاتالیستهای گران قیمت، -3 مصرف زیاد انرژی و -4 عدم حذف برخی از ترکیبات گوگردی.
مقایسه روشهای مذکور نشان داده است که روش جذب سطحی بر روی بستر ثابت - مانند کربن فعال، زئولیتها، آلومینا - نیاز به شرایط دشوار عملیاتی نداشته و بازده حذف ترکیبات گوگردی افزایش داشته است. از جمله موادی که برای فیلتراسیون و تصفیه در مقالات علمی و صنایع مختلف استفاده شده است، نانوالیاف کامپوزتی می باشند که با روش الکتروریسی تهیه شدهاند. این نانو الیاف دارای خواص منحصر به فردی نظیر تخلخل بالا، نسبت سطح به حجم بالا، وزن پایه و ضخامت کم، استحکام و پایداری حرارتی و مقاومت شیمیایی بالا میباشند.
هوانگ و همکاران [1] در یک مقاله مروری در سال 2003 شرایط بهینه و روش ساخت نانوالیاف ساده و نانوالیاف کامپوزیتی به روش الکتروریسی از پلیمرهای مختلف را بررسی نموده اند. در این مقاله کاربردهای فراوانی از نانوالیاف کامپوزیتی در زمینههای فیلتراسیون، نساجی، الکترونیک، پزشکی و محیط زیست ذکر شده است.
در سال 2006 تامایی و همکاران [2] تاثیر تغییر سطح کربن فعال را در جذب متیل مرکاپتان مورد بررسی قرار دادند. تغییر سطح کربن فعال با استفاده از مخلوط اسید نیتریک و اسید سولفوریک در حضور آرگون انجام گرفت. این تغییر سطح باعث افزایش جذب مرکاپتان گردید و مشاهده شد با افزایش نسبت اسید نیتریک به اسید سولفوریک مقدار جذب افزایش مییابد.
سولیوان و همکاران [3] در سال 2012 نانوالیاف پلی آکریلونیتریلی که کربن فعال در آن نشانده شده را با روش الکتروریسی ساختند و خواص جذبی آن را با کربن فعال تجاری مقایسه نمودند. در این مقایسه، بازده نانوالیاف کربن فعال در جذب مواد شیمیایی صنعتی سمی بسیار بیشتر بوده است. در سال 2013 جولی و همکاران [4] غشای نانوالیاف پلی استایرن- یون نقره را باروش الکتروریسی ترکیب شده با پیوندهای عرضی و سولفوناسیون و جابجایی یون، تهیه کرده و آن را برای جذب تیوفن به کار برده اند.
مورفولوژی و مشخصات غشای ساخته شده را با استفاده از SEM،FTIR، X-ray و UV-vis به دست آورده اند. در سال 2016 بختیاری و همکاران [5] جذب گوگرد بر روی نانوجاذب زئولیت- نقره را با روش طراحی آزمایش بهینه کرده اند. برای هر کدام از پارامترهای دمای جذب، درصد فلز و دمای کلسیناسیون سه سطح در نظر گرفته و آزمایشها را طراحی کرده اند سپس مقادیر جذب به دست آمده را با مقادیرتجربی مقایسه نموده اند.
در این مقاله، بهینه سازی شرایط سنتز نانو الیاف کامپوزیتی پلی آکریلو نیتریل/نانو ذرات نقره با استفاده از روش تاگوچی بررسی میشود. از نانو الیاف سنتز شده جهت حذف ترکیبات گوگردی میعانات گازی استفاده میشود. در انتها، ساختار نانوالیاف بهینه با استفاده از روشهای FESEM, EDX, TEM, XRD, FT-IR بررسی می شود.
-2 مواد و روش ها
کلیه مواد لازم از شرکت سیگما خریداری شدند و بدون خالص سازی مورد استفاده قرار گرفتند.
برای سنتز نانو الیاف، مقادیر مناسبی از پودر پلی آکریلونیتریل - PAN, MW= 80000 - توزین شد و به حلال دی متیل فرمامید - DMF - افزوده شد و به مدت 2 ساعت با استفاده از همزن، همزده شد. برای تهیه ترکیب درصدهای وزنی مختلف از نانو کامپوزیت از رابطه - 1 - استفاده شد:
به عنوان مثال برای تهیه محلول 11wt.% از PAN، مقدار 0/55 گرم از پودر PAN در 4/5 گرم از DMF حل شد.
پس از دو ساعت همزدن، وزن مناسبی از پودر AgNO3 به محلول اضافه شد و برای مدت 24 ساعت با همزن مغناطیسی همزده شد. ترکیب درصد وزنی نقره از رابطه - 2 - محاسبه شد:
سپس محلول حاصل را داخل سرنگ با نیدلی به قطر 1 mmکشیده شد و عملیات الکتروریسی با استفاده از جمع کننده که یک تکه فویل آلومینیوم بود، انجام شد. شرایط ثابت عملیاتی الکتروریسی عبارت است از : سرعت تزریق .1/5 mL/h
برای بهینه سازی شرایط سنتز نانوالیاف کامپوزتی PAN/Ag از روش تاگوچی با 4 عامل در سه سطح و تعداد کل آزمایشات برابر با 9 مطابق جدول 1 استفاده شد. برای طراحی و تحلیل آماری آزمایشها از نرم افزار Minitab استفاده شد.
جدول :1 طراحی آزمایش تاگوچی برای بهینه سازی شرایط سنتز نانوالیاف کامپوزتی PAN/Ag و نتایج بدست آمده
برای بدست آوردن ظرفیت جذب هر کدام از نانوالیاف های سنتز شده، آنها را داخل 5 mL از میعانات گازی با غلظت اولیه سولفور به مقدار 100 ppmریخته شد و پس از 10min همزدن، مقدار سولفور باقی مانده در نمونه با دستگاه Total sulfur analyzer اندازه گیری شد. ظرفیت جذب از رابطه - 3 - محاسبه شد:
که در آن .A.C معرف ظرفیت جذب بر حسب میلی گرم سولفور بر گرم سولفور در نمونه، V حجم نمونه بر حسب لیتر و m جرم جاذب بر حسب گرم جاذب، 0 می باشد.
-3 نتایج و بحث
1-3 نتایج طراحی آزمایشات
در این کار از روش طراحی آزمایشات تاگوچی برای بهینه سازی شرایط سنتز نانوالیاف کامپوزتی استفاده شد. با استفاده از روش تاگوچی می توان با کمترین تعداد آزمایشات، شرایط بهینه را تعیین کرد و این امر باعث کاهش زمان و هزینه آزمایشها می شود. فاکتورهای انتخابی عبارتند از: درصد وزنی PAN، درصد وزنی نقره، ولتاژ کاری، فاصله نیدل تا جمع کننده. با در نظر گرفتن سه سطح برای هر فاکتور از طراحی آزمایش L9 استفاده شد. مقدار تابع زیان برای حالتی که مقدار سیگنال به نویز بزرگ است، مطابق رابطه - 4 - به عنوان تابع هدف انتخاب شد.
