دانشگاه آزاد اسالمی

ا

واحد تهران جنوب

ب

دانشکده تحصیالت تکمیلی

ج

”M.Sc“ پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

د

مهندسي شیمی - فرایند

ه

عنوان :

و

مطالعه تجربی جداسازی اتیلن گلیکول از پسابهای آبی بوسیلهفرایند تقطیر غشایی

ز

استاد راهنما :

ح

استاد مشاور :

ط

نگارش:

ي

1390بهمن ماه

ك

ل

تقديم به:

م

سپاسگزاري

" به مصداق از" است شایسته بسی الخالق یشکر لم المخلوق یشکر لم من

دکتر آقای جناب فرزانه و فرهیخته چون استاد کرامتی با که

. نمایم تشکر و بخشیدند؛تقدیر روشنی را دل خورشید،سرزمین

) الحکمه) و الکتاب یعلمهم و یذکیهم و

باد مظفر ات اندیشه توسن همیشه ، باد برتر عرش ز مقامت معلما

باد پرور علم تو از سخن های صحیفه بلند های گفته و دالویز های نکته به

آرامش مهربانی و دلسوزی با که عزیزم خواهران و مادر و پدر از همچنین

محیطی در جانبه همه های حمایت با تا نمودند فراهم فکری آسایش و روحی

برسانم؛ اتمام به احسن نحو به را درسی نامه پایان نیز و تحصیلی مطلوب،مراتب

. نمایم می سپاسگزاری

. شدم کامران خود همت منتهای بر او از کردم طلب هرچه که خدا شکر

فهرست مطالب

ن

شHHHHHمارهعنوان مطالبصفحه چكيQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQده

1 مقدمQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQه

2فصل اول : اتیلن گلیکول،روشهای تولید و کاربردها

1-1 QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ)هQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQمقدم 3

1-2دQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQروش تولی) 4

1-3ولQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQای اتیلن گلیکQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQکاربرده) 5

1-4نعتیQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQرات صQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQخط) 6

1-5ولQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQابی اتیلن گلیکQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQق بازیQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQمنط) 7

1-6ولQQQQQQQQQQQQابی اتیلن گلیکQQQQQQQQQQQQف بازیQQQQQQQQQQQQدهای مختلQQQQQQQQQQQQفراین) 10

فصل دوم : فرایند جداسازی تقطیر غشایی2-1هQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQمقدم)

132-2اییQQQQQQQQQQQQQQیر غشQQQQQQQQQQQQQQاهای تقطQQQQQQQQQQQQQQات غشQQQQQQQQQQQQQQمشخص)

202-3اییQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQیر غشQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQای تقطQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQمزای)

222-4اQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQرفتگی غشQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQگ)

232-5یون غلظتQQQQQQQQQQQQQQQQQا وپالریزاسQQQQQQQQQQQQQQQQQیون دمQQQQQQQQQQQQQQQQQپالریزاس)

232-6اییQQQQQیر غشQQQQQد تقطQQQQQرای فراینQQQQQاری بQQQQQاهای تجQQQQQاخت غشQQQQQس)

242-7اییQQQQQQیر غشQQQQQQد تقطQQQQQQه جهت فراینQQQQQQعه یافتQQQQQQدلهای توسQQQQQQم)

س

332-8اییQQQQQQQQQQQیر غشQQQQQQQQQQQد تقطQQQQQQQQQQQرم در فراینQQQQQQQQQQQال جQQQQQQQQQQQانتق)

362-9اییQQQQQQQQQQQیر غشQQQQQQQQQQQد تقطQQQQQQQQQQQا در فراینQQQQQQQQQQQال گرمQQQQQQQQQQQانتق)

412-10اییQQQQیر غشQQQQد تقطQQQQرفی در فراینQQQQرژی مصQQQQالیز و تخمین انQQQQآن)

452-11دهQQQQQQار شQQQQQQایی کم کQQQQQQیر غشQQQQQQه در تقطQQQQQQای کQQQQQQه هQQQQQQزمین)

502-12اییQQQQQQQQیر غشQQQQQQQQده ی تقطQQQQQQQQر آینQQQQQQQQدازی بQQQQQQQQم انQQQQQQQQچش)

51

فصل سوم :مواد و روشهای انجام آزمایشات (سیسQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQتم آزمایشQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQگاهی3-1

54 (تجهQQQQQیزات مQQQQQQورد اسQQQQQQتفاده در فراینQQQQQQد تقطQQQQQQیر غشQQQQQای خالء3-2

56 (طQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQراحی آزمQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQایش هQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQا3-3

58 (پارامترهQQQQQQQQQQای مQQQQQQQQQQوثر در فراینQQQQQQQQQQد تقطQQQQQQQQQQیر غشQQQQQQQQQQایی3-4

61 MINITAB(طQQQQQQراحی آزمQQQQQQایش بQQQQQQه وسQQQQQQیله ی نQQQQQQرم افQQQQQQزار 3-5

63

فصل چهارم :نتایج آزمایشها و بحث (نتQQQQQQQQQQQQQQQQQایج حاصQQQQQQQQQQQQQQQQQل از آزمQQQQQQQQQQQQQQQQQایش هQQQQQQQQQQQQQQQQQا4-1

64 (تحلیQQQQل آمQQQQاری نتQQQQایج آزمایشQQQQگاهی مربQQQQوط بQQQQه شQQQQار محصQQQQول4-2

66 ( بررسی تاثیر هریک از پارامترهای فرایندی به روی شQQار جریQQان تراوشQQی4-3

69 اتیلن گلیکQQول(R( تحلیل آماری نتایج آزمایشها مربوط به درصد جداسازی)4-4

77 ( تحلیQQQQل نمQQQQودار مربQQQQوط بQQQQه فQQQQاکتور جداسQQQQازی اتیلن گلیکQQQQول4-5

78 (آزمایشQQQQها مربQQQQوط بQQQQه تاییQQQQد نتQQQQایج آزمایشQQQQهای انجQQQQام شQQQQده4-6

84

نتيجه گHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHيري و پيشHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHنهادات85

ع

منHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHابع و ماخHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHذ86

ف

فهرست جدول ها شHHHHمارهعنوان

صفحه مشخصQQQQQQات شQQQQQQیمیایی و فQQQQQQیزیکی اتیلن گلیکQQQQQQول و آب(1-1

4 (مشخصQQات غشQQاهای تخت تجQQاری در فراینQQد تقطQQیر غشQQایی2-125

مشخصQQات غشQQاهای موئینQQه و الیQQاف توخQQالی در فراینQQد تقطQQیر(2-226غشایی

(شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای تجاری صQQفحه تخت2-327

(شQQار نفQQوذی گQQزارش شQQده مربQQوط بQQه غشQQاهای تجQQاری موئینQQه2-428والیاف توخالی

(شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای صفحه تخت مختلف2-530ساخته شده

(شار نفQQوذی گQQزارش شQQده مربQQوط بQQه غشQQاهای الیQQاف توخQQالی2-631مختلف ساخته شده

(انQQرژی مصQQرف شQQده در سیسQQتمهای مختلQQف تقطQQیر غشQQایی2-747

(تخمین هزینه ی تولید آب برای سیستمهای مختلف تقطیر غشایی2-849

(مشخصQQQQQQQQQQQات غشQQQQQQQQQQQاهای مQQQQQQQQQQQورد اسQQQQQQQQQQQتفاده3-156

(فاکتورهQQQQQQQای قابQQQQQQQل کنQQQQQQQترل و سQQQQQQQطوح انتخQQQQQQQابی3-268

L9(مQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQاتریس آرایQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQه ی 3-3

69

(PP(نتQQQQQایج بدسQQQQQت آمQQQQQده بQQQQQرای غشQQQQQای پلی پQQQQQروپیلن)4-170

PTFE(نتQQQQQQQQایج بدسQQQQQQQQت آمQQQQQQQQده بQQQQQQQQرای غشQQQQQQQQای 4-271

(نتQQQQQایج آمQQQQQاری بدسQQQQQت آمQQQQQده بQQQQQرای شQQQQQار محصQQQQQول4-372

(نتQQQQایج آمQQQQاری بدسQQQQت آمQQQQده بQQQQرای فQQQQاکتور جداسQQQQازی4-4

ص

75 (مقایسه نتایج آزمایش ها تایید کننده بQQا پیش بیQQنی روش تQQاگوچی4-590

ق

فهرست نمودارها شHHHHمارهعنوان

صفحه

7 (منحنی انجماد محلول آبی اتیلن گلیکول1-18 ( فشار بخار محلولهای آبی اتیلن گلیکول در دماهای مختلف1-2 به شکل تعداد مقQQاالت سQQاالنهMD(نرخ رشد تحقیقات در زمینه 2-1

14 منتشر شده ( تعQQداد مقQQاالت منتشQQر شQQده در زمینQQه ی مطالعQQات تجQQربی و2-2

MD 15مدلسازی روی ( روند رشد تعداد مقاالت منتشر شده در زمینه ی ساخت غشای2-3MD 16

64 (مراحل انجام آزمایش با استفاده از روش تاگوچی3-1PTFE 71 و PP(تغییرات شار با زمان برای غشای 4-1 وPP(تQQاثیر پارامترهQQای فراینQQد بQQه روی شQQار محصQQول غشQQای 4-2

آنهاSNنسبت 73

وPTFE(تاثیر پارامترهای فرایند به روی شار محصول غشای 4-3SNنسبت

(درصد توزیع سهم هریک از پارامترها روی شار تراوش کننQQده ی4-4غشا

74 75

SN و نسQQQبت PP(تQQQاثیر پارامترهQQQای فراینQQQد روی فQQQاکتور جداسQQQازی غشQQQاء 4-577

SN و نسQQQبت PTFE(تQQQاثیر پارامترهQQQای فراینQQQد روی فQQQاکتور جداسQQQازی غشQQQاء 4-678

PTFE 79 و PP(مقایسه تاثیر دما روی فاکتور جداسازی دو غشای 4-7

PTFE 79 و PP(مقایسه تاثیر فشار روی فاکتور جداسازی دو غشای 4-8

PTFE و PP(مقایسه تاثیر پارامتر غلظت خوراک روی فاکتور جداسQQازی دو غشQQای 4-980

PTFE و PP( مقایسه تاثیر پارامتر شدت جریان روی فاکتور جداسازی دو غشQQای 4-1080

PP(توزیQQQQع سQQQQهم هریQQQQک از پارامترهQQQQا روی فQQQQاکتور جداسQQQQازی غشQQQQای 4-1181

PTFE( توزیQQQع سQQQهم هریQQQک از پارامترهQQQا روی فQQQاکتور جداسQQQازی غشQQQای 4-1281

ر

SN و نسQQQبت PTFE و PP(مقایسQQQه ی تQQQاثیر پQQQارامتر دمQQQا روی شQQQار غشQQQای 4-1383

SN و نسQQبت PTFE و PP( مقایسه ی تاثیر پQQارامتر فشQQار خالء روی شQQار غشQQای 4-1485

SN و نسبت PTFE و PP( مقایسه ی تاثیر پارامتر شدت جریان روی شار غشای 4-1587

و نسQQبتPTFE و PP( مقایسه ی تاثیر پارامتر غلظت خوراک روی شQQار غشQQای 4-16SN 89

فهرست شكل ها شHHHHمارهعنوان

صفحه (گونQQQه هQQQای مختلQQQف فراینQQQد جداسQQQازی تقطQQQیر غشQQQایی2-117

( غشQQاهایb( و سQQطح مقطQQع )a از سQQطح بQاالیی)SEM(تصQQویر 2-232صفحه تخت

Dudty(مکQQQQانیزم هQQQQای مختلQQQQف انتقQQQQال در مQQQQدل 2-3 Gas 38

(انتقQQQQQQQQال گرمQQQQQQQQا در فراینQQQQQQQQد تقطQQQQQQQQیر غشQQQQQQQQایی2-441

همراه با بازیابی گرما به وسیله یMD(شماتیک فرایند عملیاتی 2-546مبدل حرارتی

(شQQQQQQQQQQماتیک فراینQQQQQQQQQQد تقطQQQQQQQQQQیر غشQQQQQQQQQQایی خالء3-155

ش

چکيده: در این پایان نامه امکان استفاده از تقطیر غشایی خالء برای تغلیQQظ اتیلن گلیکQQول بQQه

بQQا است. آزمایشهای تقطیر غشQQایی عنوان یک مایع خنک کننده با ارزش بررسی شده یک مخلوط آب - اتیلن گلیکول و با استفاده از یک سQQلول جریQQان مماسQQی و غشQQاهای

غشQQای صQQفحه تخت2مختلف و در شرایط عملیاتی متفاوت انجام شد. این فرایند بQQا و با استفاده از پمپ خالء و کندانسور برای بازیابی PTFE و PP آبگریز میکرو متخلخل

اثر پارامترهای عملیQQاتی گونQQاگون روی بQQازده و جمع آوری بخار آب ، صورت پذیرفت. سطح انتخاب شدند که3 پارامتر در 4تغلیظ اتیلن گلیکول مورد مطالعه قرار گرفت.

(،mbar 100 و 70 ،30(، فشQار پQایین دسQت)خالء()℃ 60 و 50 ،40عبارتند از : دما)،60دبی جریQQان) %(. روش تQQاگوچی بQQهwt 50 وQQ،40 30(، غلظت)lit/h 120 و 90

منظور حداقل کردن تعداد آزمایشها استفاده شد. نتایج نشان می دهد که افزایش دما و کاهش فشار خالء شار پرمیت را بهبود می بخشد. شQQار پQQرمیت بQQه شQQدت از دمQQای

و غلظتmbar 30 و فشQQار خالء ℃ 60خوراک ورودی اثر می پذیرد. در شرایط دما 30 wt 60% و دبی خوراک l/h.شار تولیدی پرمیت به حداکثر مقدار خود می رسد ،

1

مقدمه : امروزه قوانین محیط زیستی محQQدودیت هQQای زیQQادی را بQQرای صQQنایع بQQه وجQود آورده است تا آنجا که عمده ی هزینه ها در طراحی های جدید کارخانجQQات، در نظQQر گQQرفتن اینگونه قوانین و ایجاد صنعت پاک و بدون آالینده می باشد. لذا در دهه هQQای اخQQیر بQQه شدت به روی تصفیه پسابها و ضایعات حاصQQل از صQQنایع تاکیQQد شQQده اسQQت. بQQه جهت تنوع محصوالت حاصل از نفت و صنایع مرتبط، محدوده وسیعی از پسQQابها و ضQQایعات با درصد آالیندگی گوناگون تولیQQد می شQQوند و از طQQرفی از آنجQQا کQQه نفت و گQاز جQQزء منابع تجدید ناپذیر به حساب می آیند لذا کوشش در مصرف بهینه و صQQحیح این منQQابع در اکثر کشورها به شدت مورد توجه قرار گرفته است. یکی از راههای ذخQQیره کQQردن و اسQتفاده صQحیح ، بازیQابی و تصQQفیه پسQابهای صQنایع می باشQد. امQروزه تکنولQوژی بازیافت و تصفیه پسابها هم بعلت کمک به کاهش آلودگی محیQQط زیسQQتی و هم حفQQظ منابع ملی به سرعت رو بQQه رشQQد می باشQQد و روش هQQای جدیQQد و پربQQازده ی در این زمینه ابداع شده است. متاسفانه در کشورهایی که دارای منابع نفت و گاز هسQQتند بQQه این موضوع توجه خاصی نمی گردد و فقQQط این مسQQائل مQQورد توجQQه مجQQامع علمی و

دانشگاهی قرار گرفته است. اتیلن گلیکول یکی از محصوالت با ارزش می باشد، کاربرد وسیع این ماده به خصوص در تهیQQه ضQQدیخ و سیسQQتمهای خنQQک کننQQده آنQQرا جQQزء مهمQQترین محصQQوالت صQQنایع پتروشیمی قرار داده است. به تبع کاربرد فراوان آن در صنعت ، ضایعات حQQاوی اتیلن گلیکول که همراه با مقدار زیادی آب می باشند نیز به وفور وجQQود دارد. مQQیزان قابQQل توجهی از این پسابها ساالنه تولید می شود، لذا بازیابی این مQQاده و جQQدا کQQردن آب از

آن می تواند بسیار سودمند و مفید باشد. از طرفی در واکنش تولید اتیلن گلیکول مقQQدار زیQQادی آب بQQه منظQQور افQQزایش تولیQQد محصول اصلی اتیلن گلیکول و کاهش تولید محصQQوالت جQQانبی بQQه واکنش اضQQافه می

باشQQد، بیشQQترین مقQQدار اتیلن1:22شود. هنگامیکه نسبت مولی آب بQQه اکسQQید اتیلن گلیکول و مقدار زیادی آب تولید می شود. بنابراین محصQQول حQQاوی مقQQدار زیQQادی آب

می باشد که بایستی از طریق جداسازی ، خالص سازی و تغلیظ شود. در این خصوص سعی شده در ابتدا توضیحاتی در مورد خواص و کاربردهQای این مQاده و سپس به روش هایی که تاکنون برای بازیابی و تغلیظ آن به کار رفته است پرداختQQه شود.سرانجام،هدف این پروژه مطالعه آزمایشگاهی جداسازی و تغلیQQظ کامQQل)تقریبQQا

%( اتیلن گلیکول از محلول آبی آن توسط تکنولوژی و فراینQQد تقطQQیر غشQQایی می99باشد.

2

فصل اول

اتیلن گلیکول ،کاربردها و روشهایتصفیه

(مقدمه :1-1 دیQQول یQQک الکQQل بQQا دو– 2و1( با نام آیوپQQاک اتQQان 1اتیلن گلیکول )مونو اتیلن گلیکول

گروه عاملی می باشد.اتیلن گلیکول ماده ی شیمیایی است که بQه سQQبب پQایین بQQودن نقطه انجماد و باال بودن نقطه جوش به طور گسترده در خنک کننQQده هQQا و بQQه عنQQوان ضدیخ و ضد جوش در وسایل نقلیه مورد اسQQتفاده قQQرار می گQQیرد.در حQQالت خQQالص،

،چگQQالی62.068مایعی بی رنگ، لQQزج ،بQQا مQQزه ی شQQیرین می باشQQد.جQQرم ملکQQولی 1.1132 g/cm3 ار℃ 197.5،نقطه جوشQار بخQد.فشQراریت کمی می باشQو دارای ف

می باشد.اتیلن گلیکول سالهاست به دلیل صدماتیPa 12.25در حدود ℃ 25آن در که به سیستم عصبی و کلیه ها می رساند در زمره مواد سمی شناخته شده است.

2 بQQه وسQQیله شQQیمیدان فرانسQQوی چQQارلز ورتز1859این ماده برای اولین بار در سال

تهیه شد و در مQQیزان کم در زمQQان جنQQگ جهQQانی اول بQQه عنQQوان سQQیال خنQQک کننQQده و بخشی از آن در تولید مواد منفجره مورد استفاده قرار گرفت.تولید انبوه صQQنعتی این

وقتی که ماده ی اولیه آن یعQنی اکسQید اتیلن بQه راحQQتی و ارزان1927ماده در سال در دسترس سازندگان قرار گرفت،آغاز شد.این مQQاده وقQQتی بQQرای اولین بQQار معQQرفی شد انقالبی هرچند کوچک در صنعت هواپیمQQایی خلQQق کQQرد هنگامیکQQه بQQه جQQای آب بQQه عنوان خنک کننده در رادیاتور ها استفاده شد،این ماده به دلیل باال بودن نقطه جQQوش خود این امکان را فQQراهم کQQرد کQQه رادیاتورهQQای کوچکQQتر در حرارتهQQای بQQاالتر هم کQQار کنند.قبل از تولید این ماده اکثر سازندگان هواپیماها از سیستمهای خنک کننده تبخیری که از آب با فشار باال استفاده می کردنQQد ،بهQQره می جسQQتند بطوریکQQه این سیسQQتمها غیر قابل اعتماد و در عملیات جنگی به آسانی آسیب پذیر بودند چQQرا کQQه این سیسQQتم فضای زیادی را در اتاق هواپیما اشغال می کرد و به راحتی می توانست مورد اصابت

[1]گلوله قرار گیرد.

1-Mono Ethylene Glycol)MEG(2-Charles Wurts

: مشخصات شیمیایی و فیزیکی اتیلن گلیکول و آب1جدول

3

( روش تولید :1-2 می باشد.اکسQQید اتیلن بQQا آب طبQQقEGهیدرولیز اکسید اتیلن متداولترین روش تولید

معادله زیر واکنش می دهد :C2H4O + H2O HOCH2CH2OH

خنQQثی بQQاpHاین واکنش بQQه وسQQیله کاتQQالیزور اسQQید یQQا بQاز تسQQریع می شQQود و یQQا در افQQزایش دمQQا انجQQام می گQQردد. جریQQان خQQوراک حQQاوی اکسQQید اتیلن )حاصQQل از

℃ 100اکسیداسQیون مسQتقیم اتیلن( و آب می باشQد. مخلQوط تحت فشQار و در دمQای می رسد به داخل راکتور فرستاده می شود. مقداری ℃170که در انتهای واکنش به

از دی و تری اتیلن گلیکول به وسیله واکنش اتیلن گلیکول و اکسید اتیلن اضافی تولید می شوند. در این واکنش آب اضافی به اکسید اتیلن به منظQQور افQQزایش مقQQدار اتیلن گلیکQQول در محصQQوالت و کQQاهش دی اتیلن گلیکQQول و تQQری اتیلن گلیکQQول افQQزوده می

باشد ، بیشترین مقدار اتیلن1 به 22شود. هنگامیکه نسبت مولی آب به اکسید اتیلن % وزنی آب تولید می شود.بنابراین محصول حاوی مقدار زیادی آب می68گلیکول و

باشد که بایستی جدا گردد. محلول گلیکول خام در چند تبخیرکننده تغلیQQظ می شQQود و[1جداسازی نهایی به وسیله تقطیر انجام می شود.]

(کاربردهای اتیلن گلیکول:1-3

4

(ضدیخ و خنک کننده1-3-1 است. محصوالت بر2 و خنک کننده1بیشترین کاربرد اتیلن گلیکول در تولید مایع ضدیخ

پایه گلیکول به مدت چندین سال برای کاهش دمQQای یخ زدن و افQQزایش نقطQQه جQQوش خنک کننده موتور مورد اسQQتفاده قQQرار می گیرنQQد. مQQواد افQQزودنی بQQه گلیکQQول ، مQQانع خوردگی در سیستم خنک کننده می شوند. امروزه عمده ی ضد یخهQQا بQQر مبنQQای اتیلن

( نیز در حQQال رشQQد می باشQQند.PG)3گلیکول می باشند اما محصوالت پروپیلن گلیکول میPG بیشتر از EG بوده و در مقابل سمیت محصوالت PG ارزانتر از EGمحصوالت

جزء اصلی همه ی ضدیخها می باشد. EGباشد. اما هنوز بدون توجه به نوع گلیکول مصرفی ، خنک کننQQده موتQQور چهQQار کQQار مهم را انجQQام می دهد. این موارد انتقال حرارت ، کاهش دمای یخ زدن ، افزایش دمای جوش و باالخره جلوگیری از خوردگی می باشد. آب گرمQا را بQQه خQوبی هQدایت می کنQد امQQا گلیکولهQا هدایت خوبی ندارند در نتیجه وقتی که غلظت گلیکول افزایش می یابد ضریب انتقQQال حرارت مخلوط کاهش می یابد. به منظQQور بهینQQه کQQردن انتقQQال حQQرارت ، موتورهQQای

تQQا60 بQQه 40پیشرفته امروزی طوری طراحی می شوند که با مخلوطی در محQQدوده حجمی از آب و اتیلن گلیکول کار کنند. کیفیت آب مورد استفاده در ساخت40 به 60

خنک کننده به منظور اطمینQQان از کQارکرد طQQوالنی سیسQQتم خنQQک کننQQده و موتQQور آبمقطر و یا آب دی یونیزه شده پیشنهاد می گردد.

4(سیال یخ زدای هواپیما1-3-2

اتیلن گلیکول به عنوان سیال یخ زدای هواپیما در فصول سرد به داخل موتور و بالها و EG درصد 50 الی 10بدنه هواپیما پاشیده می شود. این سیال به طور متداول حاوی

)مونو اتیلن گلیکول(، مواد فعال کننده سطحی و دیگر افزودنیها شQQیمیایی می باشQQد.البته حجم زیادی از پسابهای این ماده مشکل زیادی را برای فرودگاهها ایجاد می کند.

1.Antifreeze liquid 3.Propylene Glycol2.Coolant 4.Airplan Deicing Fluid

1(پرداخت فلزات1-3-3

عملیات پرداخت فلزات در مقیاس بزرگ مانند ساختن هواپیمQQا بQQه عمQQل خنQQک کQQاری بخشهای گرم فلز به وسیله این سیال انجام می شود. سیاالت خنک کننده اکثرا حاوی

5

% پلی اتیلن گلیکول،پلی آلکیل گلیکQQول یQQا اکسQQی پلی گلیکولهQQا بQQه همQQراه50تقریبا می باشند. ppmمقادیری از مواد مانع خوردگی در حدود چند

(سایر کاربردهای اتیلن گلیکول1-3-4 اتیلن گلیکول در صنعت پالستیک برای تولید الیاف پلی اسQQتر،رزین هQQا و همچQQنین پلی اتیلن ترفتاالت ، کQه بQرای سQاخت بطQری هQای پالسQتیکی نوشQQیدنی هQای غQیر الکلی

استفاده می شود. باال بودن نقطه جوش اتیلن گلیکول و تمایل ترکیب با آب ، آن را یQQک خشQQک کن ایQQده آل برای بهره برداری از گاز طبیعی می سازد. در این مورد معموال بخار آب اضافی با

برداشته می شود. اتیلن گلیکول از باال به پایین برج جاری شده2جذب توسط گلیکول و با مخلوط بخار آب و گاز هیدروکربن که از کف چاه بQQاال می آینQQد برخQQورد می کنQQد گلیکول به طور شیمیایی بخار آب را جذب کرده و اجازه می دهد که گاز خشک شQQده از باالی برج خارج شود سپس گلیکول و آب از یکدیگر جدا شده و گلیکول مجQQددا بQQه برج برگشت داده می شود. بعالوه مقدار تزریق مونو اتیلن گلیکول برای جلوگQQیری از تشکیل هیدرات ها بسیار پایین تر از مصرف دی اتیلن گلیکول در سQQیکل جQQذب آب از

[.2گاز است]

(خطرات صنعتی1-4

( می توانQQد شQQروع بQQه شکسQQتن℃121-110)℉ 250 تا 230اتیلن گلیکول در دمای کند. بایستی توجه کرد که شکستن می تواند وقتی که دمای کل سیسQQتم زیQQر این حQQد است هم اتفاق بیافتد ، زیرا درجه حرارت سطحی در مبدل های حرارتی و دیگ بخQQار

می تواند در برخی بخشها حتی باالی دمای فوق باشد. مسموم کنندگی به عنوان خطر محیط زیستی اصلی اتیلن گلیکول در نتیجQQه اسQQتفاده بیش حد آن می باشد . به دلیل مزه شیرین آن گاهی اوقات بچه ها و حیوانات مقQQدار زیادی از آن را مصرف می کنند در کشورهای پیشرفته معموال یک ماده تلخ کننده بنام

[.3 برای تغییر مزه اتیلن گلیکول به آن اضافه می شود]3دناتونیم-بنزوات

1.Metal Finishing 2.Dehydration3.Denatonium Benzoate

6

: منحنی انجماد محلول آبی اتیلن گلیکول1نمودار

: فشار بخار محلولهای آبی اتیلن گلیکول در دماهای مختلف2نمودار

(منطق بازیابی اتیلن گلیکول1-5

چند دلیل برای بازیابی خنQQک کننQQده هQQای مصQQرف شQQده وجQQود دارد. اول اینکQQه طبQQق قوانین محیط زیستی اگرچه اتیلن گلیکول به صورت بیولوژیکی قابل تجزیه می باشQQد اما از آنجا که پساب ضد یخ حاوی فلزات سنگین مانند سرب ، کادمیم و کروم بوده و این پساب را جزء ضایعات سمی و مضر قQQرار داده اسQQت ، لQQذا دفQQع آن بQQه محیQQط و سیستم فاضالب قبل از تصفیه غیر قانونی می باشد و همچنین بQQه دلیQQل مقQQادیر زیQQاد آب در سیال خنQQک کننQQده سQQوزاندن روشQQی مناسQQب نمی باشQQد. بنQQابراین در عمQQل ،

7

فرایند بازیافت گلیکول ، اگر هزینه کمتری نسبت به روشهای دیگر داشته باشد ترجیح داده می شود. در آلمان با وجQود قQQوانین زیسQت محیطی سQQفت و سQخت نسQبت بQQه

% مایع خنک کننده استفاده40مصرف مایع خنک کننده استفاده شده ، فقط در حدود [.8شده برای تصفیه به مراکز بازیافت فرستاده می شود]

دومین مساله این است که بازیابی ضدیخ مانند بازیابی روغن موتور مصرف شده می تواند در حفظ منابع تجدید ناپذیر اولیه مثل گاز طبیعی مفید باشد و هزینه فرایند خنک کننده بازیابی شده ارزانتر از خنک کننده اولیه و اصلی می باشد ، البته کارایی این دو تا حد زیادی شبیه به هم می باشد. تجربQQه چQQنین بازیQQافتی در تصQQفیه و بازیQQابی روغن موتور مصرف شده نتایج خQQوب و مقQرون بQQه صQQرفه ای را بQQرای صQQنعت بQQه ارمغQان آورده است. البته موضوع بازیابی ضدیخ و خنک کننده ها و محصوالت این چنینی هنوز به طور عمده در کشورهای صنعتی مورد توجه قرار نگرفته است و در سQQالهای اخQQیر

[.5تالشهای زیادی برای بازیابی اینگونه پسابها انجام نگرفته است] بازیابی گلیکول مصرف شده نیازمنQQد دو فراینQQد اصQQلی جداسQQازی می باشQQد کQQه تنهQQامرحله دوم در تغلیظ محصول حاصل از واکنش آب و اکسید اتیلن مشترک می باشد.

-جداسازی آالینده ها به منظور تولید یک محصول پایه ی بQQه انQQدازه کQQافی خQQالص از1گلیکول و آب برای فرموله کردن دوباره ضدیخ

-جداسازی آب و گلیکول تا غلظت اتیلن گلیکول در آب خالص بQQرای تخلیQQه مسQQتقیم2به سیستم پساب مناسب گردد.

(مرحله اول پیش تصفیه :1-5-1 پیش تصفیه خنک کننده مصرف شده،نقشی حیاتی در عملکرد سیستمهای نمک زدایی جریانهای پQQایین دسQQتی دارد. جداسQQازی ثقلی و فیلتراسQQیون ذرات معمQQوال در ابتQQدای فرایندهای نمک زدایی نصب می شوند. به خاطر پتانسیل باالی گرفتگی ، سیسQQتمهای غشایی در مرحله پیش تصفیه کمQتر مQQورد توجQه قQرار می گیرنQد و در فیلتراسQیون / سانترفیوژ مواد حل شده از خنک کننده مصرف شده زدوده شده سQQپس بQQه آن گرمQQا

داده می شود و بعضی از ناخالصی ها توسط عمل سانترفیوژ حذف می گردند.

(مرحله دوم پیش تصفیه1-5-2 مرحله دوم پیش تصفیه با اسQQتفاده از تکنیکهQQای جداسQQازی غشQQایی انجQQام می گQQیرد. تعدادی از سیستمهای بر پایه غشاء نیز ممکن است بQQه منظQQور پیش تصQQفیه یQQا نمQQک زدایی خنک کننده مصرف شQQده بQQه کQار رونQQد. این مQQوارد را می تQQوان بQQه دو گQQروه ، نیرومحرکه فشاری و نیرومحرکه الکتریکی تقسیم بنQQدی کQQرد. فراینQQدهای غشQQایی بQQا نیرومحرکه فشار بر پایه انQدازه ذرات و روشQQهای بQا نیرومحرکQه الکQتریکی براسQQاس

یونهای باردار عمل می کنند.

(فرایندهای غشایی با نیرومحرکه فشار1-5-3

( : این روش به طور متداول مواد آلی دارای وزن ملکQQولیUFالترافیلتراسیون)-1 را دفع می کند. در حالیکه یونها و ذرات آلی کوچکQQتر را از خQQود1000باالتر از

8

میUFعبور می دهد و معموال این روش با نانوفیلتراسQQیون تQQرکیب می شQQود. تواند ضد یخ روغنی ، کدر و مصرف شQQده را بQQه منظQQور تولیQQد محصQQولی نیمQQه شفاف فرآوری کند. در این روش گرفتگی برگشت ناپذیر در غشا اتفاق میافتد. این فرایند نمی تواند خنک کننده موتور با خلوص کافی به منظور دسترسQQی بQQه

خواص خنک کننده اصلی تولید کند.

برای زدایش موثر ملکولهای و یونهQQا بQQا توجQQهNF( : فرایند NFنانوفیلتراسیون)-2 به اندازه آنهQQا در محQQدوده بین دو فراینQQد الکتروفیلتراسQQیون و اسQQمز معکQQوس

بهرهRO از غشاهای با تخلخل بیشتری نسبت به NFانتخاب مناسبی می باشد. می گیرد. این فرایند نمی تواند اجزای کوچکتر و دارای بار کمتر مانند کلریQQد را نگه داشته یا دفع کند و معموال قادر به تولید خنک کننده با درجQQه خلQQوص کQQافی

مشQQابهNFدر حQQد خQQواص خنQQک کننQQده اصQQلی نمی باشQQد. بعضQQی از غشQQاهای می باشد که درنتیجه می تواننQQد بQQدون عبQQور دادن رنQQگ و یونهQQایUFغشاهای

چند واالنسی )سخت( و دیگر آالینده ها در امر تصفیه استفاده شوند.

( : در اسQQمز معکQQوس آب از درون یQQک غشQQا نیمQQه تQQراوا ازROاسمز معکوس)-3 منطقه ای با غلظت باالتر به درون منطقه ای رقیق تQQر بQQه وسQQیله فشQQاری کQQه بیشتر از فشار اسمزی می باشد رانده می شود. تحت فشار اسQQمزی نرمQQال ،

بQQه غQQیر از تعQQدادROآب از طرف رقیق تر به سمت غلیظ تر حرکت می کنQQد. عمQQل می کنQQد.psia 1000 الی 125کمی اکثر مواد را دفQQع کQQرده و درفشQQار

را دفع می کنند جهت تغلیظ گلیکولها بQQرای تصQQفیه محلولهQQایEGغشاهایی که مانند سیال یخ زدای فرودگاه ها که بQQه صQQورت رقیQQق همQQراه بQQا آب خQQارج می

شوند، استفاده می شوند. %6 اولیQQه در خQQوراک کمQQتر از EG در این زمینه عمومQQا وقQQتی کQQه غلظت ROکاربرد

10 رقیق برای رسیدن به ماکزیمم غلظت حQQدود EGباشد عملی است و برای تغلیظ [. بQQه منظQQور بازیQQابی5 مفید می باشQQد]psig 1000 درصد در فشار عملیاتی 12الی

% اتیلن گلیکQQول می20ضد یخ وسایل نقلیه کQQه بطQQور متQQداول در برگیرنQQده بیش از و یا آب را از خود عبور داده و نمکها و دیگQQر آالینQQدهEGباشد غشاهایی که می توانند

ها را دفع کنند،استفاده می شQQوند. مشQQکل ابتQQدایی بQQرای نیرومحرکQQه فشQQاری ماننQQدUF/NFا راQQQطح غشQQQد، روغن روی سQQQده می باشQQQق شQQQای تعلیQQQود روغنهQQQوج

پوشانده)گرفتگی( در نتیجه بحث کاهش شدید نرخ تولید می شود. وقتی که گQQرفتگیاتفاق می افتد سیستم باید خاموش و تمیز گردد که این فرایند زمان بر می باشد.

(فرایندهای مختلف بازیابی اتیلن گلیکول1-6 مطابق با آنچه گفته شد پیش تصفیه برای جداسازی مکانیکی جامدات و مواد بQQا وزن کم که عمدتا شامل فیلتراسیون ذرات و میکروفیلتراسQQیون یQQا الترافیلتراسQQیون بQQرای جلوگیری از کلوخه شدن و کاهش رسوب گرفتگی در مراحل بعQQدی می شQQود انجQQام

می گیرد. بعد از پیش تصفیه بایستی آب از اتیلن گلیکول جدا گردد.

9

فرایند های مختلف مورد بررسی قرار گرفته در جداسازی آب از اتیلن گلیکول شامل و تقطQQیر2 و فراینQQدهای غشQQایی، تQQراوش تبخQQیری1فرایندهای متداول تقطQQیر و تبخQQیر

% وزنی گلیکQQول70% تQQا 25( مQQایع خنQQک کننQQده از EV می گQQردد. در تبخQQیر)3غشایی تغلیظ می گردد. دمای فرایند خیلی پایین تر از دمای سیستم خنک کننده موتQQور بQQرای جلوگیری از تشکیل نیترو آمینهQQا می توانQQد نگQQه داشQQته شQQود و آب بQQا غلظت کمی از

گلیکول به عنوان محصول باالدستی تولید می شود. بQQرای تغلیQQظ بیشQQتر، خصوصQQا آب گQQیری بQQه مرحلQQه ی تQQراوشEVمحصQQول اصQQلی

( فرسQQتاده می شQQود. جQزء عبQQور نکQQرده از غشQQاء تQراوش تبخQQیری مQQایعPVتبخQQیری)[.8%>( می باشد]96گلیکولی با غلظت باال )

(کاربرد فرایند تبخیر در جداسازی آب و اتیلن گلیکول 1-6-1 در تبخیر محلول آب و اتیلن گلیکول،محلQQولی کQQه از مQQاده حQQل شQQده غQQیر فQQرار اتیلن گلیکول و حالل فرار آب تشکیل شده است تغلیظ می گردد. با بخار شدن قسQQمتی از آب، که بر اثر آن محلول غلیظ لیکور به دست می آید، تبخیر انجام می شQQود. تفQQاوت آن با تقطیر این است که بخار حاصل از تبخیر معموال یک جزء تنهاست و حQQتی وقQQتی بخار به صQQورت مخلQQوط اسQQت ، در مرحلQQه تبخQQیر سQQعی نمی شQQود بخQQار بQQه اجQQزای

[.9تشکیل دهنده اش تفکیک شود] % وزنی اتیلن گلیکQQول مناسQQب می باشQQد.70فرایند تبخQQیر بQQرای رسQQیدن بQQه غلظت

% کیفیت محصول باالدست به طور قابل مالحظQQه ی70برای غلظت خوراک باالتر از به تغییر خصوصیات فاز آب و اتیلن گلیکول می انجامد. از طرف دیگر در فرایند تبخیر

% انQQرژی مQQورد نیQQاز بQQه مQQیزان70در محQQدوده ی غلظت اتیلن گلیکQQول بQQاالتر از چشمگیری با افزایش غلظت خوراک اتیلن گلیکول افزایش می یابد.

1 .Evaporation 2.Pervaporation3.Membrane Distillation

(فرایند تقطیر در تغلیظ اتیلن گلیکول1-6-2 خنک کننده مصرف شده قدیمی در موتور آلودگی هایی دارد که اثرات زیQQان بQQاری در سیستم خنک کننده موتور به جای می گذارد. بنابراین سQQازندگان اتومبیQQل توصQQیه می کنند که خنک کننده مصرف شده در فاصله زمانی مشخصی جایگزین شQQود. اسQQتفاده مجدد خنک کننده استفاده شده از لحاظ اقتصادی و محیط زیستی مقرون به صرفه و

مطلوب می باشد. یکی از متداول ترین روشهای بازیابی اتیلن گلیکQQول مصQQرف شQQده و جداسQQازی آب و اتیلن گلیکول تقطیر است. روش تقطQQیر سیسQQتم چنQQد جQزئی اتیلن گلیکQQول اسQتفاده

10

شده بدین صورت است که آب در یک فشQQار اولیQQه تقطQQیر شQQده و جQQزء دیگQQر )اتیلن گلیکول( در یک فشار ثانویه تقطیر می شود. هر جریان تقطیر شQQده ای بQQه یQQک تانQQک

ذخیره سازی جداگانه فرستاده می شود. خنک کننده مصرف شده شQQامل دو جQQزء مهم بQQه نQQام آب و اتیلن گلیکQQول می باشQQد. اجزای باقیمانده تقطیر ، ضد زنگ، نمک، سQQیلیکات هQQا، فلQQزات و دیگQQر آلQQودگی هQQای نQQامطلوب می باشQQند، کQQه اغلب بخش خیلی زیQQان آوری از حجم کلی را تشQQکیل می

دهند. در فراینQQد تقطQQیر دو جQزء اصQQلی خنQQک کننQQده مصQQرف شQQده)آب و اتیلن گلیکQQول( از یکQQدیگر و از اجQQزاء دیگQQر جQQدا می شQQوند. در واقQQع آب خQQالص در یQQک ظQQرف و اتیلن گلیکQQول خQQالص در ظQQرفی دیگQQر جمQQع می شQQود. این جداسQQازی دفQQع قQQانونی آب بQQا استفاده دوباره آب و استفاده مجدد اتیلن گلیکول را مQQوجب می شQQود. آلQQودگی هQQای باقی مانده حجم خیلی کمتری نسبت به مقدار خنک کننده فرآوری شده دارند کQQه این امر دفع باقی مانده را با هزینه ی کمتر امکان پذیر می سازد. هدف این فرایند آب بQQا

% از خنQQک کننQQده مصQQرف شQQده و تولیQQد حجم کمی از پسQQماند آلQQوده می98خلوص باشد. این روش می تواند به طور خودکار اداره گردد. به طور خالصه، مطQQابق بQQا این فرایند از یک سیستم ناپیوسته برای جداسازی یک محلول یQQا مخلQQوط چنQQد جQQزئی کQQه شامل یک مایع با فراریت بیشتر، مایع با فراریت کمQQتر و مQQواد آلQQوده کننQQده جامQQد یQQا مایع غیر فرار می شQQود. مQQایع بQQا فQQراریت بیشQQتر آب و مQQایع بQQا فQQراریت کمQQتر اتیلن

[.16گلیکول می باشد]

مزایا و معایب فرایند تقطیراین روش برای بازیافت خنک کننده مصرف شده ذاتا ساده می باشد.

به دلیل بازگشت سریع هزینه های ابتQQدایی صQQرف شQQده بQQرای تجهQQیزات کQQه نوعQQا در سال می باشد این فرایند ارزش تجاری باالیی دارد.2محدوده شش ماه تا

این فرایند محسنات زیست محیطی قابل توجه ای دارد، چرا که خنQQک کننQQده مصQQرف شده یک ماده مضر می باشد و جدا کردن آب و اتیلن گلیکول از خنک کننQQده مصQQرف شده به طور قابل مالحظه ای حجم ماده ی مضر را کQQاهش می دهQQد. اگرچQQه در این فرایند اتیلن گلیکول بQQه کیفیت قابQQل اسQQتفاده می رسQQد و امQQا بQQرای رسQQیدن بQQه این

خلوص انرژی زیادی صرف می شود.

(فرایند تراوش تبخیری برای تغلیظ اتیلن گلیکول1-6-3 در طی سالیان اخیر کاربردهای فراوانی در صQQنایع مختلQQف1فرایند تراوش تبخیری

شیمیایی به عنوان یک فرایند جداسازی به منظور بازیQQابی مخلوطهQQای مQQایع یافتQQه است. این روش در مقایسه با روش های سQQنتی جداسQQازی تقطQQیر و تبخQQیر دارای مزایایی نظیر انرژی مورد نیاز کمتر ، آلودگی کمQQتر محیQQط زیسQQت، کوچQQک بQQودن فضای مورد نیاز، سادگی فرایند و ... می باشQQد. در طی سQQالهای متمQQادی تQQراوش تبخیری بیشتر به عنوان فرایندی بQQه منظQQور تولیQQد مQQواد آلی بQQا خلQQوص بQQاال جهت

آلی که آزوتروپ تشکیل می دهند نظQQیر مخلQQوط آب و–آبزدایی مخلوط های آبی اتانل و یا جهت جداسازی مخلوطهایی با نقطه جQQوش نزدیQQک ماننQQد مخلQQوط آب و ایزوپروپانول به کار رفته است، ولیکن در سالهای گذشته اسQQتفاده از آن در زمینQQه

جداسازی مخلوط آب و اتیلن گلیکول نیز مورد توجه محققین قرار گرفته است.

11

غشQQاء در جداسQQازی آب و اتیلن گلیکQQول بQQا فراینQQد تQQراوش تبخQQیری از اهمیت بQQاالیی برخQQوردار اسQQت چQQرا کQQه غشQQاء نقش زیQQادی در گQQزینش پQQذیری یQQا انتخQQاب پQQذیری جداسQQازی دارد و آنچQQه مهم اسQQت کQQاربرد غشQQایی اسQQت کQQه فالکس بQQاال و فQQاکتور

جداسازی باالیی را فراهم آورد. در تراوش تبخیری عمدتا از غشاهای پلیمری استفاده می شود ،پلیمرهQQایی ماننQQد پلی

( از عمده پلیمر هایی هستند کQQه در فراینQQد تQQراوشCS3(،چیتوسان)PVA2وینیل الکل )تبخیری آب و اتیلن گلیکول مورد استفاده قرار گرفته اند.

گروههای آب دوسQQت این غشQQاءها نقش مهمی در جQQذب آب و نفQQوذ از غشQQاء دارنQQد. تحقیقات مختلف صورت گرفته بر روی این غشQQاءها نشQQان دهنQQده خصوصQQیات خQQوب این غشاءها نظیر سهولت تشکیل فیلم، مقاومت شیمیایی و گزینش پذیری باال بQQرای جداسازی آب می باشد. غشاهای آب دوست پلیمری جزء اولین غشاهایی هسQQتند کQQه

برای آب زدایی از اتیلن گلیکول در تراوش تبخیری بکار گرفته شده اند. اگر چه آب زدایی از محلول ها با غشاهای آب دوست نتایج خوبی را به همراه داشQQته است امQQا این غشQQاها در دماهQQای بQQاال و غلظت بQQاالی آب ناپایQQدار می باشQQند، غشQQای

برای غلبه بر مشکالت باال تنها غشای غیر پلیمری به کار گرفته شQQده درNaAزئولیتی [. زئولیتها آلومینا سیلیکات هیدراتQQه ی هسQQتند کQQه متشQQکل از29این زمینه می باشد]

ساختار کریستالی همراه با خاصیت غربال ملکولی می باشند، زئولیت همچنین موادی-9با مقاومت شیمیایی و حرارتی باال می باشند. اندازه حفرات زئولیت ها در محQQدوده

بQQرایPV می باشQQد. از این رو زئQQولیت بQQه منظQQور جداسQQازی ملکولهQQای آب در 10محلول های آبی در دماهای باال مناسب می باشد.

'Permeate' + 'Evaporation' 'Pervaporation'

1.Pervaporation 2.Poly Venyl Alchol3.Poly)D-glucosamine(

فصل دوم

فرایند جداسازی تقطیر غشایی

:مقدمه2-1

عمده ی فرایندهای غشایی به صورت هم دما انجQام می شQود و نQیرو محرکQه ی آنهQا فشار هیدرواسQQتاتیک ، غلظت، پتانسQQیلهای الکQQتریکی یQQا شQQیمیایی می باشQQد. تقطQQیر

سال است که شناخته شده اسQQت40غشایی، یک فرایند غیر هم دماست که بیش از اما واقعا هنوز برای صنعتی شQQدن نیQQاز بQQه کQQار و تالش مQQداوم دارد. ثبت اخQQتراع این

12

می باشد و اولین مقالQQه در مQQورد تقطQQیر1963 در سوم جوالی Bodellفرایند توسط در مجلQQه ی "توسQQعه مهندسQQی طQQراحیFindly سQQال بعQQد از آن توسQQط 4غشQQایی،

فرایندهای شیمیایی و صنعتی" منتشر شد. عبارت تقطیر غشایی از تشابه این فرایند با تقطیر معمQQولی )از جملQQه تقطیرسQQاده و چند مرحله ای( نشات گرفته است که هردویی این فراینQQد هQQا برپایQQه ی تعQQادل بخQQار/ مایع به منظور جداسازی می باشد و هر دو تکنولوژی نیاز به گرمای کافی برای تامین

گرمای نهان تبخیر برای محلول خوراک دارند. اساسا تقطیر غشایی به عنوان فرایندی غشایی غیر هم دما بQه کQار می رود کQه نQیرو محرکه ی آن گرادیان فشQQار جQQزئی اجQQزا در دو سQQمت غشQQا می باشQQد کQQه این غشQQا بایستی متخلخل بوده و بوسیله محلول فرایند خیس نشود بطوریکه تعادل بخار / مایع اجزاء را بهم نزند. این غشا از چگالش درون حفره ها جلوگQQیری می کنQQد، و تQQا پایQQان فرایند بایستی در تماس مستقیم با محلول مایع خوراک گرم مقاومت مکانیکی خQQوبی

داشته باشد. تولیQQد آب بQQا خلQوص بQQاال، تغلیQQظ یQQونی، کلوئیQدی و یQQا سQQایرMDپتانسQیلهای کQاربرد

( از پساب ها می باشد. درVOCsمحلولهای آبی غیر فرار و حذف آثار مواد آلی فرار ) کاربردهای گوناگون از جملQQه نمQQک زدایی، تصQQفیه پسQQابها بQQا دیQQدگاه محیQQط زیسQQتی، استفاده مجدد از آب، در صنایع غذایی و صنایع داروسازی و غیره ، تقطیر غشایی می تواند بکارگیری شود. همه این تفاسیر مQQوجب می شQQود کQQه تقطQQیر غشQQایی جQQذابیت

کافی را در مجامع دانشگاهی داشته باشد.

دمQQای عملیQQاتی پQQایین تQQر از دمQQای تقطQQیر غشQQایی مرسQQوم، فشQQار هیدرواسQQتاتیکی عملیاتی پایین تر از فشار فرایند ها با نیروی محرکه فشاری از ویQQژگی هQQای بQQارز این

،1فرایند می باشد از جمله فرایندهای نیرو محرکه فشاری عبارتند از )اسمز معکQQوس ( می باشند که بQQرخالف آنهQQا4، میکروفیلتراسیون3، اولترافیلتراسیون2نانو فیلتراسیون

در تقطیر غشایی خواص مکانیکی غشا کمتر مورد نظر است و در این فراینQQد فQQاکتور باالیی از دفع به ویژه زمانیکه محلولها شامل اجزاء غیر فرار )نمکها، کلوئیدها و غیره( هستند به چشم می خورد. بعالوه، توانQQایی اسQQتفاده از گرمQQای اتالفی و منQQابع انQQرژی تجدید پذیر سبب می شود تقطیر غشایی درکنار سایر فرایندهای صنعتی انرژی مQQورد

نیاز خود را تامین کند. اگرچه در سراسر دنیا تقطیر غشایی موضوع تحقیقQQاتی بQQرای بسQQیاری از دانشQQمندان می باشد. از لحاظ تجاری تقطیر غشایی کم توجیه می شود و هنQQوز بQQه عنQQوان ابQQزار کاربردی صنعتی نشده است. موانع عمده در مقابل این فرایند شامل سQQاخت غشQQای مخصوص تقطیر غشایی و طراحی مدول آن، تر شدن حفره های غشاء، نQQرخ جریQQان کم پرمیت )کاهش شار(، بعالوه هزینه های انرژی و اقتصاد این فرایند نامشQQخص می باشند. اخیرا عالقه مندی در زمینQQه تقطQQیر غشQQایی بطQQور چشQQمگیری افQQزایش یافتQQه

تعداد مقاالت منتشر شده در زمینه تقطQQیر غشQQایی کQQه در مجالت1است. در نمودار وجود دارد می توان مشاهده نمود.

13

به صورت تعداد مقاالت ساالنه منتشرMD : نرخ رشد تحقیقات در زمینه 1نمودارشده

از این رو سزاوار یادآوری است که از میان شکلهای فرایند تقطیر غشQQایی، بیشQQترین بQQوده، اگرچQQه گرمQQا در این روش از5تحقیق روی روش تقطیر غشایی تماس مستقیم

طریق مکانیسم هدایت از میان غشQQا انتقQQال داده می شQQود بQQا در نظQQر گQQرفتن اتالف گرمای در تقطیر غشایی این روش بیشترین اتالف را در بین روشهای تقطQQیر غشQQایی

به خود اختصاص می دهد.

1.Rever Osmosis 2.Nano Filteration 3.Ultra Filteration4.Micro Filtration 5.Direct Contact Membrane Distillation

% تحقیقات تقطQQیر غشQQایی بQQا اسQQتفاده از روش تقطQQیر غشQQایی تمQQاس60بیش از مستقیم صورت گرفته است. زیQQرا در این روش مرحلQQه چگQQالش جریQQان تراوشQQی در داخل مدول انجام می شود و این امر منجر به ساده بودن فرایند می شود. در مقابQQل

، از میان روش های تقطیر غشایی کمترین سQQهم را1روش تقطیر غشایی با گاز حامل به خود اختصاص می دهد زیرا در آن یک کندانسQQور خQQارجی بQQرای جمQQع آوری جریQQان تراوشی مورد نیاز است که این امر طراحی سیستم را پیچیده و هزینه آن را بQQاال می برد. شایان ذکر است که هر روش تقطیر غشایی مزایا و معایبی بQQرای کQQاربرد خQQاص

خود خواهد داشت. آمQده کQه شQامل مدلسQازی2بیشتر موضQوعات مQورد توجQه در نشQریات در نمQودار

تئوری تقطیر غشایی و مطالعات آزمایشگاهی بررسQQی اثQQر پارامترهQQای عملیQQاتی می % از تحقیقات در رابطه بQا مQدل هQای تئQQوری این فراینQد بQوده و در حالیکQه44باشد. % از پژوهش ها روی ساخت غشا برای تقطیر غشایی تمرکز دارند. در مقایسه14.8

بQQQا سQQQایر فراینQQQدهای جداسQQQازی غشQQQایی از جملQQQه،تQQQراوش تبخQQQیری،اسQQQمز معکQQوس،نانوفیلتراسQQیون،اولترافیلتراسQQیون و جداسQQازی بQQا گQQاز تنهQQا تعQQداد کمی از محققان به امکان ساخت و طراحی غشاهای جدید بQQرای اسQQتفاده در تقطQQیر غشQQایی توجه دارند. اخQQیرا تعQQداد مقQQاالت در زمینQQه تولیQQد غشQQاهای مخصQQوص فراینQQد تقطQQیر

در حاال افزایش است.3غشایی طبق نمودار

14

MD : تعداد مقاالت منتشر شده در زمینه مطالعات تجربی و مدلسازی روی 2نمودار

1.Seewp Gas Membrane Distillation

: روند رشد تعداد مقاالت منتشر شده در زمینه ساخت غشای مخصوص3نمودار MD

15

انواع روشهای تقطیر غشایی را می توان مشQQاهده کQQرد. بQQه دلیQQل وجQQود1 در شکل مختلف تنوع شکلهای غشا، میان از جرم و گرما انتقال های پدیده تقطیرهمزمان

و کاربردهای مختلف آن باعث شده در مجامع دانشگاهی به عنوان یک فرایندغشایی آموزشی نیز استفاده شود. بعالوه، امکان استفاده از گرمایی اتالفی و یا منابع انQQرژی

غشایی دیگری از جمله انرژی خورشیدی و زمین گرمایی و انرژی باد در وجودتقطیر دارد و این فرایند می تواند با سایر فرایندها در یک سیستم یکپارچه تQQرکیب شQQود کQQه این موضوعات باعث شده به عنوان تکنیQQک جداسQQازی امیQQدوار کننQQده ای در مقیQQاس صنعتی بکار گرفته شود. این فرایند به عنوان یک مرحله عملیات پیش تصفیه و یا پس

تصفیه با فرایندهای دیگر ادغام می شود.

:گونه های مختلف فرایند جداسازی تقطیر غشایی1شکل این فرایند بیشتر برای کاربردهای که در آن آب جزء عمده حاضQQر در محلQQول خQQوراک

یQQک فراینQQد بQQا نQQیرو محرکQQه تقطQQیر غشQQاییمی باشد مناسب است. به عنوان مرور،

16

گرمایی می باشد که در آن تنها ملکولهای بخار از میان غشای آبگریQQز متخلخQQل عبQQور می کند. مایع خوراک برای اینکه تصفیه شود بایستی در تماس مستقیم با یQQک سQQمت از غشا قرار گیرد. آبگریزی ذاتی غشا مانع از ورود محلول آبی در داخل حفره هQQایش می شود که به دلیل کشش سطحی مواد غشQا می باشQد. در نتیجQQه، سQQطح مشQترک

مایع/ بخار در ورودی حفره های غشا تشکیل می شود.

طریQQق زیQQر در سQQمت4 بوسQQیله یکی از تقطیر غشایی نیرومحرکه 1باتوجه به شکل جریان تراوشی اعمال می شود:

(یQQک محلQQول آبی سQQردتر از محلQQول خQQوراک در تمQQاس مسQQتقیم بQQا سQQمت جریQQان1 تراوشی غشا نگهداری می شود و شکلی که مQQا آن را بQQه نQQام تقطQیر غشQQایی تمQQاس

می شناسیم . هردوی محلولهای آبی خوراک و جریQQان تراوشQQی بQQه صQQورت1مستقیم مماس با سطح غشاء بوسیله پمپهای به گردش در می آیند و یا درون سQQلول غشQQایی توسط همزنهای مغناطیسی چرخانده می شوند. در این مQQورد اختالف دمQQای طQQرفین غشا یک اختالف فشار بخار را القا می کند. در نتیجه، ملکولهای فQQرار تبخQQیر شQQده در سطح مشترک گرم مایع/بخار از حفQره هQای غشQا عبQQور کQرده و وارد فQاز بخQQار و در سطح مشترک سرد مایع/بخار در درون مدول غشایی چگالش می یابد. یک نوع دیگQQر

نوعی است که در آن یک الیه ی مایع سرد ساکن بین غشQQا و سQQطحتقطیر غشاییاز خنک کننده در سمت جریان تراوشQQی وجQQود دارد و این کQQار بQQه منظQQور کQQاهش اتالف

(a حرارتی انجام می شود. )شکل (فشار پایین در سمت جریان تراوشی از مدول غشQQا بوسQQیله یQQک پمپ خالء اعمQQال2

می شود. فشار خالء اعمال شده کوچکتر از فشار اشباع ملکولهای فراری اسQQت کQQه از محلول خوراک جدا می شوند. در این مورد چگالش در بQQیرون از مQQدول اتفQQاق می

(bمعروف است. )شکل 2 به تقطیر غشایی خالءتقطیر غشاییافتد. این شکل از (یک شکاف هوا بین غشا و سطح چگالنده ایجQQاد می شQQود.در این شQQکل،ملکولهQQای3

فرار تبخیر شده از هردوی حفره های غشا و شکاف هوا عبور کQQرده و سQQرانجام روی تقطیر غشQQایی بQQایک سطح سرد در درون مدول غشایی چگالش می یابد. این نوع از

(d نامیده می شود.)شکل 3 تقطیر غشایی با شکاف هواعنوان (یک گاز جاروکننده خنQQثی و سQQرد در سQQمت جریQQان تراوشQQی غشQQا ملکولهQQای بخQQار4

تراوش کننده را حمQل کQرده و چگQQالش بQیرون از مQدول غشQا رخ می دهQد. این نQوع منصوب به تقطیر غشایی با گاز حامل معQQروف اسQQت. در اینتقطیر غشاییشکل از

شکل، به دلیل گرمای انتقال یافته از سمت خوراک از میان غشا ، دمای گاز حامل در

17

سمت جریان تراوشی در امتداد مدول غشایی به طور قابل مالحظQQه ای افQQزایش می با نام تقطیر غشQایی بQا گQاز حامQل دمQاتقطیر غشایی با گاز حاملیابد. یک نوع دیگر

افQQزایشتقطیر غشایی با گQQاز حامل اخیرا پیشنهاد شده است. در این شکل از 4ثابت دمای گاز با استفاده از یک صفحه ی سرد در سQQمت جریQQان تراوشQQی بQQه حQQداقل می

(c رسد.)شکل

1.Direct Contact Membrane Distillation 2.Vacuum Membrane Distillation 3.Air Gap Membrane Distillation 4.Thermal Sweep Gas Membrane Distillation

معQQایب و مزایQQایی بQQرای کاربردهQQای مشQQخصتقطQQیر غشQQاییهریک از این شQQکلهای دارند. دو مثال در زیر ارائه شده است:

(برای حل مشکل اتالف گرما بوسیله هدایت از میان غشا، که منجر به بQQازده نسQQبتا1 می شود یک شکاف هوا در درون مدول غشایی بین سمتتقطیر غشاییپایین فرایند

جریQQان تراوشQQی غشQQا و سQQطح چگالنQQده جQQایگزین شQQد. این راه حQQل هQQردوی اتالف گرمایی هدایتی و پالریزاسیون دمایی را بطور قابل مالحظه ای کQQاهش می دهQQد و در

نتیجه بازده جداسازی را بهبود می بخشد. 0.45، غشQQا بQQا انQQدازه حفQQره کوچکQQتر )کمQQتر از تقطیر غشQQایی خالء(بطورکلی، در 2

میکرون( نسبت به سایر شکلهای تقطیر غشایی مورد استفاده قرار می گیرد زیQQرا دراین شیوه به دلیل اعمال خالء خطر خیس شدن حفره ها باال می باشد.

عضQQو در کمیتQQه تقطQQیر6 اصطالحات برای تقطیر غشایی بوسQQیله کمیتQQه ای شQQامل برگزار شد، مورد بحث و بررسی قرار گرفت:1986 می 5غشایی که در

1.R.Schofield)university of New South Wales,Kensington,Australia(

2.A.C.M.Franken)Twente University,Enschede,Netherlands(

3.S.Kimura)University of Tokyo,Tokyo,Japan(

4.S.Ripperger)Enka Membrana,Wuppertal,Germany(

5.G.Sarti)University di Bologna,Bologna,Italy(

6.V.Calabro)University della Calabria,Calabria,Italy(

18

:مشخصات غشاهای تقطیر غشایی2-2

نیاز زیر را برآورده سازند:10غشاهای مورد استفاده در این فرایند بایستی غشا ممکن است یک الیه یا ترکیQQبی از چنQQد الیQQه باشQQد. البتQQه حQQداقل یQQک الیQQه-1

بایستی از جنس مواد آبگریز باشد. محدوده اندازه حفره ممکن است از چنQQدین نQQانومتر تQQا چنQQد میکرومQQتر باشQQد.-2

توزیع اندازه حفره بایستی تا جQQای ممکن کم باشQQد و خQQوراک مQQایع نبایسQQتی از ، میQQنیمم فشQQاری اسQQت کQQه1(LEPمیان حفره ها نفوذ کند. فشار ورودی مایع )

آب مقطر و یا سایر محلولهای خوراک با غلبه بر نیروهای کشش سQQطحی وارد حفره های غشا می شود که بایستی تا جQQای ممکن بQQاال باشQQد. از طQQرف دیگQQر درصورتی که خیس شدگی غشا اتفاق بیفتد منجر به کاهش کیفیت و نرخ تولیQد

باال با استفاده از مواد باLEP یک مشخصه هر غشا می باشد و LEPخواهد شد. سطح انرژی پQQایین یQQا آبگریQQزی بQQاال )بQQرای مثQQال زاویQQه تمQQاس بQQزرگ بQQا آب و محلول خوراک( و کوچک بودن انQQدازه بزرگQQترین حفQQره قابQQل دسQQتیابی اسQQت. البته کوچک بودن اندازه بزرگترین حفQQره مQQوازی کوچQQک بQQودن انQQدزه متوسQQط حفره می باشد و درنتیجه آن تQQراوش پQQذیری غشQQا کم می شQQود. بنQQابراین یQQک

باال و تولید محصول بیشتر بوسیله انتخاب مناسب انQQدازهLEPبهینه سازی بین حفره و توزیع اندازه حفره وجود دارد.

)به عنوان تعریف میزان انحراف ساختار حفره نسبت به حفره2فاکتور پیچیدگی-3 های استوانه مستقیم عمود بر سطح( که بایستی این فاکتور کوچQQک باشQQد. این فاکتور نسبت عکس با نفوذ پذیری غشا دارد. در مطالعات تقطیر غشایی، برای

معموال برای فاکتور پیچیQQدگی غشQQا فQرض2پیش بینی شار ، یک مقداری برابر می شود یا از آن به عنوان یک پارامتر تنظیم کننده در مدلهای تئQQوری اسQQتفاده

می شود. )جزء حجمی خالی از غشا که اجازه تراوش بخار را می دهد( غشای تک3تخلخل-4

الیه و الیه آبگریز غشاهای چند الیه بایستی تا جای امکان باال باشQQد. این فQQاکتور متناسب است. در واقع، غشاها با تخلخل باالتر میMDبا تراوش پذیری غشای

توانند فضای بزرگتری برای تبخیر تامین کنند. بنابراین در حالت کلی توافق می کنیم که بدون توجه به نوع روش تقطیر غشایی، تخلخل باالی غشQQا مسQQاوی بQQا

شار پرمیت باالتر می باشد. ضخامت غشای تک الیه بایسQQتی مقQQداری بهینQQه داشQQته باشQQد بQQه این دلیQQل کQQه-5

نسبت عکس با نرخ انتقال جQQرم و گرمQQا از میQQان غشQQا دارد. در غشQQاهای چنQQدالیه،ضخامت الیه آبگریز بایستی تا جای ممکن نازک باشد.

19

1.Liquid Entry Pressure 2.Tortuosity Factor3.Porosity

مطلوب است، اما انتقQQال گرمQQای بQQاالMDهمانطوری که انتقال جرم باال برای فرایند باعث اتالف گرمای زیاد قابل توجهی می شود. بنابراین یک تعادل بایستی دوبQQاره بین انتقال جرم و گرما بوسیله تنظیم ضخامت غشا ایجاد نمQQود. یکی از مزایQQای غشQQاهای

کردن تا جای امکان ضخامت الیه آبگریز قادر به انتقQQال چند الیه این است که با نازک ضخیم تر کQردن تQا جQQای امکQQان ضQخامت کQQل جرم باال خواهیم بود در حالیکه بوسیله

گرمای کمتری می باشند. غشاء)الیه آبگریز + الیه آبدوست( قادر به هدایت هدایت گرمایی مواد غشQQا بایسQQتی تQQا جQای امکQان پQQایین باشQد. بایسQتی توجQه-6

داشت که بیشتر پلیمرهای آبگریز ضرایب هدایت گرمایی کQQامال مشQQابهی بQQاهم می باشد. البتهQ-0.06 W/m.K 0.04دارند. هدایت گرمایی غشاهای تجاری بین

ممکن است انتقال گرمای هدایتی از غشا با استفاده از غشQQاها بQQا تخلخQQل بQQاال کاهش یابد از این رو ضریب انتقال گرمای هQQدایتی گازهQQای محبQQوس در داخQQل حفره های غشQQا کوچکQQتر از ضQQریب انتقQQال خQQود مQQواد پلیمQQری می باشQQد. این فاکتور موازی با نیاز ما برای رسیدن به تQQراوش پQQذیری بQQاال در تقطQQیر غشQQایی می باشد. راه دیگری که وجود دارد استفاده از غشاهای با الیه جانبی یا غشQQای چند الیه مرکب متخلخل با الیه هQQای آبگریQQز و آبدوسQQت می باشQQد. قبال اشQQاره کردیم که الیه آبگریز حداالمکان بایستی نازک باشد. بنابراین غشای نگه دارنQQده را میتوان از خود غشاهای مورد استفاده در تقطیر غشایی انتخQQاب کQQرد. هQQدف از استفاده ی الیه آبدوست افزایش مقاومت انتقQQال گرمQQای هQQدایتی و سQQاخت غشای به اندازه کافی محکم در مقابل خم شدگی و پاره شدگی می باشد. امQQا

الیه آبدوست نباید مقاومت انتقال جرم را به طور چشمگیری افزایش دهد. سطح غشا که در تماس با محلول خوراک قرار می گQیرد بایسQQتی از مQQوادی بQQا-7

مقاومت باال در مقابل گرفتگی ساخته شود اگرچه گQQرفتگی تقطQQیر غشQQایی در مقایسه با فرایندهای جداسازی غشای با نیرو محرکه فشQQاری خیلی کم اسQQت. اصالح سطح غشا با پوشاندن آن با الیه نازکی از مواد مقاوم در برابر گQQرفتگی و یا با سایر تکنیکهای اصالح غشای ممکن وابسته به نوع محلول خوراکی مQQورد

تصفیه صورت می پذیرد. یک غشای سالم بایستی مقاومت گرمایی خوبی از خود نشان دهد. پایداری بلند-8

درجه سانتیگراد برای غشاهای تقطیر غشایی الزم100مدت در دمای باالتر از است.

مواد غشا بایستی مقاومت شیمیایی باالی در برابر محلولهQQای خQQوراکی متنQQوع-9 داشته باشد. اگر غشا مجبور به تمیز شدن شود مقاومت در برابQQر اسQQید و بQQاز

ضروری می باشد. -در نهایت، غشا بایستی یک عمQر طQQوالنی بQQا یQک عملکQQرد پایQQدار بQQرای فراینQQد10

(2 و انتخاب پذیری1تقطیر غشایی داشته باشد.)نفوذپذیری

20

در حالت کلی به جز موارد باال، برای کلیه سیستمهای غشایی نیاز است کQQه از یQQکغشای نسبتا ارزان استفاده شود.

1.Permebility 2.Selectivity همانطوری که می بینیم غشاهای تقطیر غشایی اجبارا بایسQQتی چنQQدین شQQرایط را بQQه

فQQاکتور در تعQQیین سQQاختار و شQQکل غشQQاهای10طور همزمان برآورده سازند. در باال باال و فاکتور دفQQع یQQا1تقطیر غشایی ایراد شد اگرچه هدف آنها این است که غشا شار

باال همراه با بQQازدهی گرمQQایی بQاال داشQQته باشQند)انتقQال گرمQQای هQQدایتی2عبور ندادن پایین(.معمQQوال آب جQQزء عمQQده در محلولهQQای خQQوراک این فراینQQد می باشQQد بQQه همین منظور غشا بایستی آبگریز باشد که باید در ساخت غشQQا از پلیمرهQQا بQQا سQQطح انQQرژی

پایین استفاده شود.

:مزایای تقطیر غشایی2-3 فرایند تقطیر غشایی بعنوان فرایندی که با کمترین انQQرژی مصQQرفی و کمQQترین هزینQQه سرمایه گذاری برای تجهیزات و زمین مورد نیاز کار می کند، شناخته شده اسQQت. در تقطیر غشایی بجای فضای بزرگ الزم برای بخار در سQQتون تقطQQیر معمQQولی، از حجم سوراخهای غشا متخلخل استفاده می شود. در فراینQQد تقطQQیر معمQQولی بQQرای فQQراهم

بخQQار بQه سQQرعتهای بQQاال نیQاز اسQQت، در حالیکQه در تقطQQیر–کردن سطح تماس مQQایع بخار اسQQتفاده می–غشایی از غشاهای متخلخل آبگریز برای تامین سطح تماس مایع

شود، بنابراین تجهیزات فرایند تقطیر غشایی می توانند بسیار کوچکتر باشند که نتیجه آن کم شدن هزینه سرمایه گQQذاری و دمQQای عملیQQاتی مQQورد نیQQاز اسQQت و الزم نیسQQت

خوراک را تا دماهای باالتر از نقطه جوش گرم کرد. درجه سانتیگراد اسQQت ولی70-40دمای خوراک در تقطیر غشایی معموال درمحدوده

درجه سانتیگراد نیز استفاده شQQده انQQد، بنQQابراین می تQQوان از منQQابع30دماهای حدود انرژی گوناگون و کم هزینه ای مانند انرژی خورشیدی، زمین گرمایی و یا انQQرژی هQای گرمایی اتالفی در صنایع نیز استفاده نمود بعالوه، پQQایین بQQودن دمQQای عملیQQاتی،فراینQQد تقطیر غشایی را برای استفاده به منظور جداسازی مQQواد حسQQاس بQQه حQQرارت ماننQQد مواد غذایی و دارویی جذاب تر کرده اسQQت.بQا توجQه بQه اینکQQه نQیروی محرکQه فراینQد تقطیر غشایی دما است و فشار عملیاتی در حدود صفر تا چند صد کیلQQو پاسQQکال می باشد، فرایند تقطیر غشایی در مقایسه با فرایند هایی که با نیرو محرکه فشار کار می

RO،UFکند مانند ،MFارQQایمن تر و پر بازده تر است. از طرف دیگر پایین بودن فش، عملیاتی در تقطیر غشایی سبب می شود که غشاهای مورد استفاده در این فرایند در

مقایسه با دیگر فرایند های غشایی به استحکام مکانیکی کمتری نیاز داشته باشند. نقش ناچیز غشا در فرایند جداسازی استRO ،UF،MFبرتری دیگر تقطیر غشایی بر

زیرا در تقطیر غشایی، غشا تنها بعنوان فراهم کننده یک سطح تماس بین مایع و بخار عمل می کند و هیچگونه انتخاب پذیری نسبت به اجزاء موجQQود در محلQQول نQQدارد. در ضمن به علت بزرگ بودن نسQQبی حفQQرات، پدیQQده گQQرفتگی غشQQاء در تقطQQیر غشQQایی نسبت بQه دیگQQر فراینQQدهای غشQQایی،مشQکل نQQاچیزی بQه حسQQاب می آیQد. بطQور کلی

مزایای فرایند تقطیر غشایی را می توان بصورت زیر فهرست کرد.

21

1.Flux 2.Rejection Factor

.گQQرفتگی1دو مشکل و پدیده اساسی که در تقطیر غشایی با آنها روبQQرو می شQQویم: .پدیده پالریزاسیون دما و پالریزاسیون غلظت می باشد.2غشاء؛

1:گرفتگی غشاء2-4

در فرایندهای غشایی، رسوب و تشکیل مواد نامطلوب بر روی سطح غشاء و یا درون حفرات غشاء می تواند موجب کاهش شار محصول و بازدهی فرایند شود. این پدیQQده با عنوان گرفتگی شناخته شده و در مورد سیسQQتم هQQای تقطQQیر غشQQایی کمQQتر بQQه آن توجه شده است. ته نشینی و رسوب نمکهای معدنی نامحلول بر روی سطح غشاء که

Scaleingنامیده می شود. نیز یکی از مهمترین مشکالت بر سر راه تمامی فرایندهای غشایی می باشد. الیه ناخواسته رسوب کرده بر روی سطح خQوراک غشQاء می توانQد بوسیله ذرات معلQQق ،مQQواد حاصQQل از خQQوردگی،رشQQد بیولQQوژیکی و تشQQکیل رسQQوبات کریستالی مختلف ایجQQاد شQQده و در نتیجQQه احتمQQال مرطQQوب شQQدن حفQQرات غشQQاء را افزایش دهد. با وجود اطالعات موجود در مقاالت، نقش گQQرفتگی در تقطQQیر غشQQایی بطور واضح و روشن بررسی نشده است. این انتظار وجود دارد که نقش گرفتگی در تقطیر غشایی ممکن است با گرفتگی ایجQQاد شQQده در فراینQد هQQای غشQایی بQQا نQیروی محرکه فشاری )مانند اسمز معکوس، نQQانو فیلتراسQQیون، اولترافیلتراسQQیون( متفQQاوت بQQوده وگQQرفتگی ایجQQاد شQQده هم مQQوجب ایجQQاد مقQQاومت هیQQدرولیکی و هم مقQQاومت حرارتی می شود. وجود کریستالهای نمکی درون رسوب ایجاد شده موجب سQQریع تQQر

شدن فرایند تر شدن غشاء می شود.

3 و پالریزاسیون غلظت2:پالریزاسیون دما2-5

در فرایند تقطیر غشایی، یکی دیگر از دالیQQل کQQاهش شQQار محصQQول در کنQQار گQQرفتگی غشاء، پدیده های پالریزاسیون غلظتی و پالریزاسیون دمQQایی هسQQتند کQQه در این بخش مورد بررسی قرار می گیرند. انتقال حQQرارت نقش عمQQده ای در انتقQQال جQQرم فراینQQد تقطیر غشایی دارد. فشار بخار با تغییرات دمایی بین دیواره های غشاء تغییر می کنQQد و این تغییرات دمایی به صورت عمده به خصوصیات مدول غشاء وابسQQته می باشQQند. اتفاق مشابهی در قسمت جریان عبور کرده )سQQمت محصQQول( نQQیز بایQQد رخ دهQQد. بQQه همین علت اختالف دمای موثر بین دو سQQمت غشQQاء کمQQتر از اختالف دمQQای بین تQQوده محلول ها می باشد. این کاهش در نیروی محرکه که به علت گرادیان دمQQایی مایعQQات در دو طQQرف غشQQاء بQQه وجQQود می آیQQد همQQان پالریزاسQQیون دمQQایی می باشQQد. در یQQک

نزدیQQک می1سیستم که به خوبی طراحی شده باشد، ضریب پالریزاسیون دمایی بQQه شود و این معادل کاهش پالریزاسیون دمایی و افزایش نیروی محرکه و افزایش شQQار

محصول می باشد.

22

1.Fouling 2.Tempertaure Polarization 3.Concentration Polarization از طرف دیگر فرایندی که انتقال حرارت کمی داشته باشد ضریب پالریزاسیون صQQفر شده و کامال به وسیله مقاومت انتقال حرارت در داخل فاز مایع کنQQترل می شQQود. در

-0.4حالت معمول برای سیستمی با طراحی مناسب مقادیر ضریب پالریزاسیون بین قرار می گیرند. عامل دیگری که در تشدید پدیده پالریزاسیون دمایی موثر است،0.7

هدایت حرارتی خود غشا است که سبب کاهش اختالف دمQQای دو طQQرف غشQQاء، و در نتیجه کاهش نQQیروی محرکQه انتقQال حQرارت می شQQود. بQرای جلوگQیری از این پدیQده استفاده از غشاهای ساخته شده از موادی با ضریب رسانش حQQرارتی پQQایین تQQر، و یQQا

غشاهای ضخیم تر موثر می باشد. تعریف پدیده پالریزاسیون غلظتی نیز درست شبیه پالریزاسQQیون دمQQایی اسQQت، یعQQنی وجود الیه های مرزی انتقال جرم در نزدیکی سطح غشاء سQبب می شQQود کQه اختالف غلظت موثر بین دو طرف غشاء، کمتر از اختالف غلظت بالQQک محلولهQQا در دو طQQرف غشاء باشد، و در نتیجه نیروی محرکه انتقال جرم کاهش پیدا می کنQQد. بعبQQارت دیگQQر افزایش غلظت جزء حل شQQونده در نQQزدیکی سQQطح غشQQاء در طQQرف خQQوراک ،سQQبب

مایع در همان دما می–کاهش فشار بخار حالل)جزء عبوری( در سطح مشترک بخار گردد، که نتیجه آن باعث کاهش نیروی محرکQQه انتقQQال جQQرم می باشQQد. پالریزاسQQیون

می باشد البتهRO، UF، MFغلظتی مهمترین عامل کاهش شار در فرایند های نظیر اثر پالریزاسیون غلظتی در فرایند تقطیر غشایی ناچیز بوده و معموال از آن صQQرفنظر

می شود.

تقطیر غشایی:ساخت غشاهاي تجاري در فرآيند2-6

مشخصه اي که در باال ذکر شد يک اصل مهم براي فرآيند تقطیر غشایی10در ميان اين است که غشاء نبايد با محلول مايع که با آن در تماس است تر شود و تنها بخار و

گازهاي غيرقابل ميعان در حفرات غشاء حضور داشته باشند. بنابراين، غشاهاي پلي ونيل1(PPتجاري متخلخل آبگريز با حفراتي در حد ميکرون از جنس پروپيلن )

به شکل هاي4(PE و پلي اتيلن )3(PTFE، پلي تترافلئورواتيلن )2(PVDFفلورايد ) ( در فرآيند تقطیرFlat sheet( يا صفحه تخت )Capillary(، موئينه )Tublarلوله اي )

غشایی استفاده مي شوند. ساختار هندسی اين غشاهاي مصنوعي تقريباً نزديک به غشاهاي مورد استفاده در فرآيند تقطیر غشایی مي باشد. در حالیکه، اين غشاها جهت فرآيند ميکروفيلتراسيون ساخته شده اند و داده هاي )فاکتور نفوذپذيري و عبور ندادن(

عرضه شده توسط توليدکنندگان براي فرآيند ميکروفيلتراسيون است.

1.Polypropylene 2.Polyvenylidene fluoride

23

3.Polytetrafluoroethylene 4.Polyethylene

به ترتيب خالصه اي از غشاهاي تجاري صفحه اي تخت، موئينه و فيبر2-2 و1-2جدول ( که در فرآيند تقطیر غشایی استفاده مي شود به همراهHollow fiberتوخالي )

مشخصاتي که توسط کارخانه سازنده آنها بيان نموده را نشان مي دهد.

. مشخصات غشاهاي تخت تجاري در فرآيند تقطیر غشایی1-2جدول

. مشخصات غشاهاي موئينه و الياف توخالي در فرایند تقطیر غشایی2-2جدول

24

بQQراي کQQاربرد فرآينQQد تقطQQیر غشQQایی يQQک سQQبک2-2 و1-2انتخQQاب غشQQاء از جQQداول

سنگینی بين هدايت حQQرارتي کم غشQQاء ضQQخيم تQQر و شQQار نفQQوذ بQQاالی غشQQاء نQQازکتر،بزرگي اندازه حفرات و همچنين تخلخل و فاکتور جداسازي باال مي باشد.

نشان داد که يک ماده ايده آل بQQراي اينPTFEاز میان غشاهای پلیمری مورد استفاده فرآينQQد مي باشQQد زيQQرا کQQه داراي بQQاالترين خاصQQيت آبگريQQزي در ميQQان پليمرهاسQQت و همچنين داراي مقاومت شيميایي و پايداري حرارتي مناسبي مي باشد. در حQQال حاضQQر

2، کشش1 تجاري معموالً از طريق روش هاي اکستروژن پيچيده، نوردPTFEغشاهاي

ساخته مي شوند. 3و يا حرارت

1.Rolling 2.Stretching

3.Sintering

براي تهيه غشاهاي ميکروفيلتراسيون مورد استفادهPVDF يا PPپليمرهاي ديگر مانند قرار گرفته اند. اين غشاها نيز اغلب براي کاربردهاي مختلف تقطیر غشایی اسQQتفاده

( يا با تکنيک اکستروژن مQQذاب همQQراهPPشده اند. به عنوان مثال غشاء پلی پروپلين )Phaseبا کشش يا بQQا فرآينQQد وارونگي فازهQQا) Inversionر درQQد انحالل پليمQQه نيازمنQQک )

تهيه مي شود. دماهاي باال و در حالل هايي که کمتر معمول مي باشدPVDFهQQل بQQاهاي متخلخQQه غشQQدر دماي اتاق در انواع حالل ها حل مي شود. درنتيج

راحتي توسط فرآيند وارونگي فاز و به وسيله غوطQQه وري فيلم قQQالب گيري شQQده در حمام انعقادکننQQده )غQQيرحالل، اغلب آب( تهيQQه مي شQQوند. در اين روش تخلخQQل غشQQاء توسط مواد افزودني )عوامل تشکيل حفرات( در محلول قالب گيري شQQده کنQQترل مي

بطور خالصه داده هاي اندازه گيري شده براي غشاهاي تجQQاري4-2 و3-2گردد. جدول تخت و فيبر توخالي را نشان مي دهد.

صفحه تخت ذکر. شار نفوذي گزارش شده مربوط به غشاهاي تجاري 3-2جدول .1-2در جدول شده

25

موئينه و الياف. شار نفوذي گزارش شده مربوط به غشاهاي تجاري 4-2جدول .2-2 جدول درتوخالي

26

به وضوح روشن است که غشاهاي متخلخل آبگريز مي توانند توسط تکنيک هاي مختلفي بسته به خواص ماده مورد استفاده ساخته شوند. مواد مناسب بايد با توجه به معيارهاي مختلفي از جمله سازگاري با مايعات مختلف، هزينه، سهولت ساخت و مونتاژ، کارکرد در طيف وسيع درجه حرارت و رسانايي حرارتي پايين انتخاب شوند.

غشاهاي متخلخل با روش هاي مختلفي مانند حرارتي، کششي و يا وارونگي فاز ساخته مي شوند. از ميان تکنيک هاي باال، تغيير فاز بيشترين کاربرد را دارا مي باشد.

عالوه بر اين تکنيک ها، روشهای مختلفی جهت اصالح سطح غشاء شامل: پوشش و غيره بکار برده مي شوند. وارونگي فاز3 و پليمريزاسيون پالسما2، پيوندزني1دهي

فرآيندي است که در آن يک پليمر توسط يک مسير کنترل شده از حالت مايع )يامحلول( به حالت جامد تبديل مي شود.

1.Coating 2.Grafting

3.Plasma Polymerization

اين فرآيند توسط روشهای مختلف مانند تبخير، رسوب از فاز بخار، رسوب حرارتي و وري يا تغيير فاز تر-خشک انجام مي پذيرد که مي تواند جهت ساخترسوب غوطه

غشاهاي متقارن و همQچنين نQامتQقارن استفQQاده شود. محلول پليمري با اختالط پليمر، حالل و گاهي غيرحالل و افزودني ها آماده مي شود. انتقال جرم حالل و

غيرحالل بايد به گونه اي باشد که غلظت غيرحالل در درون فيلم پليمر افزايش پيدا کند. در طول مرحله اول يک اليه، پوسته نازک از پليمر جامد، به علت از دست دادن

حالل در باالي فيلم قالب گيري شده شکل مي گيرد. در مرحله دوم از انعقاد، ماده غيرحالل به درون پليمر نفوذ کرده درحالي که حالل از طريق اليه نازک جامد به خارج

پليمر نفوذ مي کند. اليه متخلخل نازکي که در اولين مرحله شکل گرفته اليه نازک بااليي غشاء نام دارد و عملکرد غشاء به اين اليه وابسته است در حالي که ساختار

متخلخلي که در مرحله دوم شکل گرفته و داراي حفرات بزرگتري مي باشد به عنوان مي شود و استحکام مکانيکي غشاء به اين اليهدر نظرگرفتهاليه متخلخل تحتاني

مربوط مي شود. درنتيجه افزايش غلظت ماده غيرحالل، محلول پليمري از نظر ترموديناميکي غيرپايدار شده و جدايي فاز اتفاق مي افتد که با رسوب کردن همراه

27

است. ترکيب محلول پليمري و نوع ماده حالل و افزودني هاي غيرحالل بر اندازه و تعداد قطرات پراکنده شده و همچنين زمان شروع جدايي فاز تأثيرگذار است. عالوه

بر اين تعداد و اندازه قطرات همچنين بر ساختار نهايي غشاء توليدشده توسط اينروش مؤثر است.

( غشاهاي آبگريز صفحه تخت تک اليه:2-6-1 انواع مختلف غشاهاي آبگريز صفحه تخت تک اليه براي فرآيند تقطیر غشایی

ساخته شده اند. این غشاها با استفاده از روش وارونگي فاز و قالب گيري محلول با ياDMAC)1( در دي متيل استاميد )10 تاPVDF wt% 25غلظت هاي مختلف پليمر (

تهيه شده اند.2(DMFدي متيل فرماميد )

1.Di Methyl Actamid 2.Di Methyl Formamid

غشاهاي ساخته شده با شکل تقطیر غشایی تماس مستقیم آزمايش شدند و مشاهده در محلول پليمري قالب گيري شده ، اندازهPVDF که با افزايش غلظت ه استشد

حفرات و تخلخل غشاء کاهش پيدا مي کند. هيچگونه بهبودي در شار نفوذي تقطیر غشایی تماس مستقیم نسبت به غشاهاي تجاري موجود مشاهده نشده است.

بيشترين مقدار ضريب انتقال جرم در غلظت هاي مختلف پليمر بسته به نوع حالل ( مشاهده شدهwt PVDF for 15%wt PVDF for DMF ,DMAC %13.12مصرف )

است. مي توان نتيجه گرفت که افزايش غلظت پليمر از حد بهينه آن باعث متراکم مي شود. DCMDشدن اليه بااليي غشاء و کاهش فالکس آن در

مختلف صفحه تخت . فالکس نفوذي گزارش شده مربوط به غشاهاي5-2جدولساخته شده

28

مختلفالياف توخالي. فالکس نفوذي گزارش شده مربوط به غشاهای 6-2جدولساخته شده

K

ha

29

yet و Matsuuraاز آب به عنوان افزودني غيرحالل جهت بهبود نفوذپذيري تقطیر و بدون1 با محافظPVDFغشایی خالء و کاهش هزينه ها استفاده کردند. هر دو غشاء

آماده شدند. DMAC در حالل PVDF, 15% wtمحافظ با

1.Support

غشاء ساخته شده جهت جداسازي اجزاء فرار آلي )مانند کلروفرم( از آب در شکل تقطیر غشایی خالء مورد آزمايش قرار گرفت. مشاهده شد که افزايش محتوي آب

%( و انQQدازه76.6- 26.8در محلول قالب گيري شده باعث افزايش تخلخل، از ) کاهش پيداLEPw( براي هر دو غشاء مي شود، درحالي که m 0.7µبه0.02حفQQرات )

مي کند. شار فرآيند تقطیر غشایی خالء نيز به صورت نمايي با محتواي آب محلول براي غشاءkg/m².hr 1-14قالب گيري شده براي هر دو غشاء افزايش پيدا مي کند)

براي غشاء بدون حفاظ(. kg/m².hr 16-0.6حفاظ دار و جهت ساخت غشاء صفحه اي تخت با استفاده از تکنيکPVDF- TFEکوپليمر

(SEM نمونه از تصوير )2-2وارونگي فاز مورد استفاده قرار گرفته است. شکل ساخته شدهPVDF-TFEغشاء ساخته شده را نشان مي دهد. مشاهده شده که غشاء

از خود پايداري مکانيکي بهتر، زاويه تماس بيشترLiCLتوسط ماده افزودني )آبگريزي بيشتر( و شار تقطیر غشایی تماس مستقیم کمتر نسبت به غشاء ساخته

نشان مي دهد. PVDFشده توسط

30

غشای صفحه تخت(b) و سطح مقطع (a) از سطح بااليي SEM.تصوير2-2شکلکه به روش وارونگي فاز ساخته شده است.

:مدل هاي توسعه يافته جهت فرآيند.تقطیر غشایی2-7 خوراک مايعي که فرآيند تقطیر غشایی بر روي آن انجام مي شود بايد بدون نفوذ به

داخل حفرات غشاء با يک طرف سطح غشاء تماس پيدا کند. فشار هيدرواستاتيک ( کمتر باشد. رفتار آبگريز غشاء ازLEPاعمال شده بايد از فشار ورودي مايع غشاء )

نفوذ محلول خوراک به درون حفرات غشاء به علت نيروي کشش سطحي جلوگيري مي کند. درنتيجه يک مرز مايع/ بخار در نزديکي ورودي حفرات غشاء شکل مي گيرد.

به طور کامل براي مدل کردن تقطیر غشایی فرض مي شود که اثرات مربوط، به مرز مايع/ بخار ناچيز هستند و فاز مايع و بخار مطابق با دماي حفرات غشاء در تعادل مي باشند. عالوه بر اين فرض می شود سطح مشترک خميده مايع/بخار تأثير ناچيزي

( چنين بيان مي شود:1بر روي تعادل دارد. اين واقعيت با استفاده از معادله کلوين)

(1)

به ترتيب فشار اشباع مايع در باالی سQQطح مشQQترک محQQدب و سQQطحpو pcدر اينجا R دانيسQQته مQQولي مQQايع، QQ،c 2 کشش سQQطحي مQQايعLγ شعاع انحنا، rمشترک مسطح،

دماي مطلق است.Tثابت جهاني گازها و شکل هاي مختلف تقطیر غشایی از نظQQر نQQيروي محرکQQه اعمQQالي بQQا يکQQديگر متفQQاوت هستند. تمامي شکل هاي تقطیر غشایی از نظر سمت خوراک يکسانند تنها تفاوت آنها

سمت نفوذکننده می باشد. زماني که از غشاهاي دواليه آبگريز/آبدوست استفاده مي شود، خوراک مايع در تمQQاس با سطح آبگريز قQرار داده مي شQQود. بQراي غشQاهاي موئينQه و اليQاف توخQالي دو نQوع

- خوراک مايع در سطح دروني گردش پيدا1آزمايش تقطیر غشایی قابل انجام است: - خوراک در سطح خارجي گردش پيدا مي کند. 2مي کند.

31

1.Kelvin Equation 2.Liquid Surface Tension در تمQQامي شQQکل هاي تقطQQیر غشQQایی دمQQاي محلQQول خQQوراک هم در ورودي و هم در خروجي ماژول غشاء انQQدازه گيري مي شQQود. همچQQنين بQQراي جلوگQيري از خيس شQQدن حفرات غشاء فشار توسط دو مانومتر در ورودي و خQQروجي مQQدول کنQQترل مي گQQردد. عالوه بQQر اين، جهت کنQQترل خيس شQQدن حفQQرات غشQQاء مي تQQوان از سQQنجش مQQيزان

در سمت نفوذ استفاده کرد. هنگQQامي 1غلظت نفوذکننده و يا ميزان هدايت الکتريکي که خوراک داراي اجزاء غيرفرار مانند نمک و کلوئيد مي باشد، غلظت محلQQول خQQوراک

توسط هدايت سQQنج الکQQتريکي کQQاليبره شQQده سQQنجيده مي شQQود.cº20و نفوذکننده در فاکتور جداسازي توسط عبارت زير به دست مي آيد:

(2)

Cدر اينجا pوC fبه ترتيب غلظت حل شونده در سمت نفوذ و محلول خوراک (VOCمي باشند. در صورتي که خوراک داراي اجزاء فرار مانند اجزاء آلي فرار )

باشد، فاکتور جداسازي به شکل زير است:

(3)

به ترتيب جزء مولي اجزاء فرار در نفوذکننده، جزءXV,P وXN,F, XV,F, XW,Pدر اينجا مولي آب در نفوذکننده، جزء مولي اجزاء فرار در خوراک و جزء مولي آب در خوراک

مي باشند.

32

1.Electrical Conductivity

در تمامي شکل هاي تقطیر غشایی نرخ نفوذي با استفاده از اندازه گيري جرم ميعانات جمع شده در سQQمت پQQرمیت مQQدول بQQراي يQQک بQQازه زمQQاني معين اسQQتفاده مي شQQود.

( بQQهiهمانطور که قبالً بيان شد، مشابه فرآينQQدهاي ديگQQر غشQQايي انتقQQال جQQرم جQQزء ) ( در دو سQQمت غشQQاء مي باشQQد. همQQانطور کQQه∆µiعلت اختالف پتانسQQيل شQQيميايي ) به شکل زير بيان مي گردد:iµمشخص است پتانسيل شيميايي (4)

فشار اکتيويتهaºp,i(در فازهاي بخار و مايع و i به ترتيب اکيتويته جزء )ai , ap,iدر اينجا iبخار اشباع جزء خالص زماني که مQQايع فقQQط تحت فشQQار بخQQار اشQQباع باشQQد،

0 PاQQب .

( :Фاستفاده از معادله ضريب اکتيويته ) )5(

=iو با استفاده از قانون لوئيس رندال ) Фio Фار ازمرد( و ناچيز شQQن انحراف فاز بخ

حالت ايده آل، معادله اي به شکل زير به دست مي آيد: (6)

( به دستi( فشار بخار خالص )Pi( در محلول و )i فشار بخار جزئي، جزء )Piدر اينجا آمده توسط معادله آنتوان مي باشد:

(7)

ثQQوابت اين معادلQQهγ وß,α برحسQQب کلQQوين مي باشQQد و T و Pa، برحسQQب Piدر اينجQQا مي باشند.23/1964, 3816/44, 46/13هستند. براي آب اين ثوابت به ترتيب -

که وابسته به خصوصيات غشQQاء اسQQت و نيرومحرکQQه ايجQQادJiنهايتاً شار نفوذي غشاء شده به صورت زير بيان مي گردد:

(8)

33

i,ßi, αiγبه ترتيب ضريب غشاء تقطیر غشایی )نفوذپذيري غشاء(، ضريب اکتيويته و مي باشند. به عنوان مثال در تقطیر غشایی تماس مستقیم آبiجزء مولي جزء

به شکل زيرJiمقطر معموال به عنوان نفوذکننده در نظر گرفته مي شود درنتيجه نوشته مي شود:

(9)

( انتقال جرم در فرآيند تقطیر غشایی :2-8

در فرایند تقطیر غشایی،هردوی انتقال گرما و جرم از میان غشاهای آبگریQQز متخلخQQل به طور همزمان صورت می گیرد. انتقال جQQرم از میQQان حفQQره هQQای غشQQا انجQQام می

و حفره هایشان صورت می1شود درحالیکه انتقال گرما از میان هردوی ماتریس غشا پذیرد. انتقال گرما در غشا به دلیل گرمQQای نهQQان همQQراه شQQده بQQا شQQار بخQQار و گQQاز و گرمای انتقال یافته بوسیله هدایت از میان هردوی مواد غشا و گازها پرشده در حفQره های غشا صورت می پذیرد. بایستی توجه شود که تنهQQا بخQQار آب یQQا ترکیبQQات فQQرار از میان حفره های غشا از سمت خوراک به سمت جریان تراوشی از غشQای کQه آبگریQز است انتقال می یابد. بعالوه،وجود الیه های مQQرزی سQQیال مجQQاور هQQر دو سQQمت غشQQا خوراک و پرمیت باعث ایجاد پدیده های پالریزاسیون دمایی و پالریزاسیون غلظتی می شود. انتقال گازها و بخارها از میان محیط متخلخل بQQه طQQور گسQQترده مطالعQQه شQQده

بQQرای پیشQQگویی عملکQQر تقطQQیر2است و مدلهای تئوری براساس تئوری جنبشی گازها غشایی توسعه پیدا کرد. انواع مختلف مکانیسQم بQرای انتقQال جQرم پیشQنهاد کQQرد کQه

یQQا پQویزی، مQQدل نفQوذ ملکQQولی4، مدل جریان ویسکوز3عبارتند از مدل جریان نودسن می باشد.dusty gas و یا ترکیبی از اینها که بطور خالصه مدل 5معمولی

1.Membrane Matrix 2.Kinetic Theory Of Gases 3.Knudsen Flow Model

4.Viscous Flow Model 5.Ordinary Molecular Diffusion Model

کمیت حاکم که یک معیار برای تعیین مکانیسم انتقال جرم عملیاتی در حفره مشخص ( اسQQت کQه بQQه صQQورت نسQQبتKn)و شرایط تجربی مشخص می باشد، عQدد نودسQQن

34

،ملکولهای انتقال یافته به اندازه حفره غشQQا تعریQQف می شQQود.λمسیر آزاد متوسط، می تواند با اسQQتفاده از رابطQQه زیQQر محاسQQبهi( برای یک جزء i λمسیر آزاد متوسط )

شود:(10 )

فشQQارpثQQابت بولQQتزمن، kB آنگستروم بQQرای بخQQار آب(، 2.641 قطر برخورد )i σ که دمای مطلق.Tمتوسط در حفره های غشا و

در تقطیر غشایی خالء مقدار مسیر آزاد متوسط به دلیل فشار پایین در سمت پرمیت باالتر است. این اشاره می کند که طبیعت فیزیکی انتقال جرم ممکن اسQQت متفQQاوت باشد زمانیکه از غشاهای یکسان تحت شکلهای مختلQQف تقطQQیر غشQQایی اسQQتفاده می شود. بنابراین،برای غشا با توزیع اندازه حفره، مکانیسمهای مختلQQف ممکن اسQQت بQQه

طور همزمان اتفاق بیفتد. به این نقطه باید اشاره کرد که بایستی از حضور هوا در حفQره هQای غشQQا بین سQQطح مشترک مایع/بخار خوراک و پرمیت جلوگیری شود زیQQرا کQQاهش شQQار تقطQQیر غشQQایی تمQQاس مسQQتقیم را بQQه دنبQQال دارد. بQQه این منظQQور هواگQQیری از سیسQQتم هQQای تقطQQیر غشایی تماس مستقیم صQQورت می پQQذیرد. این کQQار می توانQQد بوسQQیله کQQاهش فشQQار جریان مایع و از این رو کنترل فشار ماکزیمم گاز در حفره هQای غشQا صQورت پQذیرد. برای غشاهای که اندازه حفره کوچکتر دارند، جریان نودسن حاکم است و حQQذف هQQوا موجب تنها افزایش کوچکی در شار تقطیر غشایی تماس مستقیم می شود. اما برای غشاهای که حفره های بزرگQQتر دارنQQد یQQک افQQزایش اساسQQی در شQQار تقطQQیر غشQQایی

تماس مستقیم با هواگیری از حفره ها بدست خواهد آمد. با توجه به شرایط باال، انتقال گرما در غشا به دلیل گرمای نهان همراه با شارش بخار و گرمای انتقال یافته بوسیله هدایت از میان ماتریس غشایی و حفره های غشQQای پQQر از هوا صورت می پذیرد. معادله زیر در مطالعQQات مختلQQف مQQورد اسQQتفاده قQQرار می

گیرد:(11)

35

∆ v وi ضخامت غشا، δ هدایت گرمایی غشا، km که H زءQQآنتالپی تبخیر جiالQQار انتقQQش Jiغشای

t و sتعداد اجزاء پرمیت ،Tm,f دمای محلول آبی خوراک در سطح غشا وTm,p

دمای جریان تراوشی در سطح غشا می باشد.

Dusty Gas.مکانيزم هاي مختلف انتقال در مدل 3-2شکل

در اصل بQQراي سيسQQتم هاي هم دمQQا بيQQانDustyGasبايد به اين نکته توجه کرد که مدل شده است. با اين حال به طQQور مQQوفقيت آمQQيزي در فرآينQQد تقطQQیر غشQQایی بQQا دمQQاي متوسط در طول غشاء استفاده مي شود. در مطالعQQه تئQQوري تقطQQیر غشQQایی معمQQوال حفرات غشاء به شکل يکنواخت و استوانه اي به هم پيوسته فرض مي شوند بQQه طQQور کلي جهت انتخاب غشاء تقطیر غشایی نياز مي باشد که غشاء ماننQQد فرآينQQدهاي ديگQQر

که غشاء به عنQQوان يQQک مQQانع بQQرايد گزينش پذير باشد. بسياري بر اين باورنPVمثل نگهداري سطح مشترک بخار/ مايع مي باشد و در پديده انتقال نقشي ندارد.

در شرايط پايا موازنه کلي انتقال جرم در خوراک و در سمت نفوذ به ترتيب به شQQکلزير بيان مي شود:

(12)

(13)

W ،عرض غشاء Ji,t زءQQوذي جQQشار کلي نف i اء وQQدر غش mi,p , mi,tرخQQرتيب نQQه تQQب جريان خوراک و نفوذکننده مي باشند.

36

(تقطير غشايي تحت خالء :2-8-1 همانطور که قبال نيز بيان شد يکي از راه هاي افزايش نفوذپذيري در تقطیر غشایی خارج کردن هوا از حفرات غشاء به وسيله هوازدايي يا ايجاد خالء پيوسته زير فشار

تعادلي بخار در سمت نفوذ مي باشد. در اين حالت مقاومت نفوذ مولکولي ناچيز شمرده مي شود زيرا به فشار جزئي هوا در حفرات غشاء وابسته است و مقدار

هواي حبس شده در دماي حفرات بسيار کم مي باشد. بنابراين، نفوذ در تقطیر غشایی خالء بخاطر اعمال فشار هيدرواستاتيک و براي غشاهايي با اندازه حفرات

بزرگ در مقايسه با مسافت آزاد ميانيگن مولکول انتقالي، برخورد مولکول- مولکول ( برقرار مي باشد، درنتيجه اغلب جريان ويسکوز در داخلrp >50 λiدر داخل حفرات )

در داخل يک حفره به صورتiحفرات اتفاق مي افتد. در اين حالت نفوذپذيري جزء زير بيان مي شود:

(14)

rv( شعاع حفرات در منطقه پويزلي Poiseaille QQ،)iη ويسکوزيته جزء i و PmانگينQQمي اسQQت هQQر دو50λi و 0.05λi ، بين rpفشار در حفرات است. زماني که شQQعاع حفQQرات

برخورد مولکول- مولکول و مولکول- ديواره اتفاق افتQQاده و حفره هQQا در انتقQQال جQQرم-Knudsenکلي توسQQط مکQQانيزم مQQؤثر در منطقQQه نودسQQن- گQQذار ويسQQکوز ) viscous

transition .شرکت مي کنند ) در يک حفره به صورت معادله زير بيان مي گردد: iدر اين حالت نفوذپذيري جزء

(15)

شعاع حفرات در منطقه گذار مي باشد.rtکه

در فرآيند تقطیر غشایی از انتقال مولکول از طريق شبکه غشQQاء )نفQQوذ سQQطحي( بQQه علت کوچکتر بودن سQطح نفQوذ شQبکه غشQاء نسQQبت بQه سQQطح حفQرات، صQرف نظر

37

مي گردد. براي غشاهاي آبگريز تقطQQیر غشQQایی تمايQQل بين آب و مQQواد سQQازنده غشQQاء بسيار پايين است درنتيجه اين اجازه را مي دهد که سهم انتقال در درون شQQبکه غشQQاء بخصوص براي غشاهاي متخلخل با حفرات بزرگ و تخلخل باال ناچيز شمرده شQQود. بQQا اين حال، زماني که ترکيبات ديگري در محلول خوراک وجQQود داشQQته باشQQند بخصQQوص براي ترکيباتي با تمايل باال به مواد سازنده غشاء مکانيزم انتقال به درون شبکه غشاء

داراي تأثير زيادي مي باشد.نفوذپذيري غشاء به صورت زير نوشته مي شود:

(39)

Ki= Diدر اينجا Si ، نفوذپذيري غشاءSi ضريب نفوذ و Diضريب نفوذ به داخل شبکه غشاء مي باشد. مشخص شQQد کQQه اين مQQدل کلي مي توانQQد رونQQد آزمQQايش مربQQوط بQQه تقطیر غشQQایی خالء را بازسQQازي کنQQد. اين مQQدل بخQQوبي شQQار تقطQQیر غشQQایی خالء را پيش بيQQني مي کنQQد سQQهم شQQار نفQQوذ- انحالل نسQQبت بQQه شQQار کQQل بQQه درون قسQQمت غيرمتخلخل غشاء تقطQQیر غشQQایی بQQا افQQزايش انQQدازه حفQQرات و تخلخQQل کQQاهش پيQQدا

مي کند.

(انتقال گرما در تقطیر غشایی :2-9

در بخشهای قبل ذکر شد که تقطیر غشایی فرایندی مرکب از پدیدهای انتقQQال جQQرم و انتقال گرمQQا می باشQQد. انتقQQال گرمQQا در تقطQQیر غشQQایی را می تQQوان در سQQه مرحلQQه

توصیف کرد :(انتقال حرارت از میان الیه مرزی خوراک1(انتقال گرما از میان غشا2

38

(انتقال گرما از میان الیه مرزی پرمیت3

شQQماتیک انتقQQال گرمQQا در تقطQQیر غشQQایی را مشQQاهده می کنیQQد. شQQار8-2در شQQکل مکانیسم می باشQQد : الQQف( هQQدایت از میQQان2 ناشی از Qmگرمایی کل از میان غشا،

(،Qcمواد غشQQا)مQQاتریس غشQQا( و حفQQره هQQای آن کQQه شQQامل گQQاز یQQا هQQوا می باشQQند)(.Qvب(گرمای نهان مجموعه ملکولهای تبخیر شده)

MD:انتقال گرما در 4-2شکل

بنابراین موازنه دیفرانسیلی انرژی به صورت زیر بیان می شود:

(16)

Hv,i ∆ آنتالپی تبخیر جزءi قQQدر دمای مطل T و Jiه از غشاQQال یافتQQار انتقQQار بخQQش ،km

فاصله عرضی عبوری از غشا می باشند.xهدایت گرمایی غشا، به کار می روند:SGMD و DCMDمعادالت زیر برای شکلهای

(17)

به ترتیب دمای سطح مشترک خوراک/غشا و دمای سطحTm,pو Tm,fکه در معادله باال

مشترک غشا/پرمیت می باشد.ضریب انتقال گرما بخار در غشا به صورت زیر مشخص خواهد شد:

39

(18 )

با فرض یک توزیع دمای غیر خطی و انتقال بخار آب از میان غشا :

(19)

که

(20)

و

و به این ترتیب انتقال گرما از میان غشا به صورت زیر نوشته می شود:

شQQار بخQQار آب انتقQQالJw دمای مرجع، T0 گرمای مخصوص بخار، Cpvکه در معادله باال یافته از میان غشا می باشند.

مدلهای گوناگونی برای بیان هدایت گرمایی از غشای تقطیر غشایی وجود دارد کQQه درکل بیشتر از رابطه زیر می باشد:

(22)

(23)

وPVDF بزرگتر از PTFEبه طور کلی هدایت گرمایی مواد غشاهای تقطیر غشایی، می باشند.PPآن نیز بزرگتر از

40

% شQQار گرمQQای انتقQQال یافتQQه از میQQان غشQQا بQQه صQQورت80-50شایان ذکر است کQQه ( می نامیمQvگرمای نهان برای تولید پرمیت مصرف می شود که آن را گرمای مفید )

برQcدر حالیکه باقی مانده بوسیله هدایت گرمایی) عالوه شود. می تلف ) روشهای مختلف حداقل کردن اتالف گرمایی از غشا کQQه در بخشQQهای قبQQل ذکQQر شQQد، اتالف گرمایی به طور چشمگیری در دمای بQاالی عملیQاتی خQوراک کQاهش می یابQد و

، فرایند تقطیر غشایی به صورت زیر تعریف می شود:ηبازده گرمایی،

(24)

به عنوان فرایند غیرهم دما ، در الیه مQQرزی خQQوراک بQQهDCMDانتقال گرما در فرایند صورت زیر است:

(25)

اثر انتقال جرم روی انتقال گرما را می توان نادیده گرفت.

برای سمت جریان تراوشی:(26 )

این نکته باید توجه شود که هدایت گرمایی می تواند برای غشای نازک بQQدون محافQQظ ناچیز تلقی شود این موضوع در دماهای عملیاتی باال نیز صQQادق اسQQت. بعالوه، انتقQQال

نادیده گرفته می شود.AGMDگرمای جابجایی در فرایند تقطیر غشایی به جز در

دمای سطحی هردو سمت غشا نمی تواند به صورت تجربی اندازه گیری شود و یا به طور مستقیم محاسبه شود. بنابراین یک مدل ریاضی برای تخمین این دما طراحی

شده است.

(27)

(28)

بایستی در دمای میانگین غشا ارزیابی شود. Hvمقدار

برای شکل تقطیر غشایی خالء، انتقال گرمای هدایتی در الیه مرزی می تواند بصورتزیر بیان شود:

41

(29)

البته انتقال گرما بوسیله هدایت از میان غشا نادیده گرفته می شود. بطوریکه انتقQQالگرمای در تقطیر غشایی خالء می تواند به صورت زیر نوشته شود:

(30)

(آنالیز انرژی در فرایند تقطیر غشایی:2-10 تقطیر غشایی تکنولوژی است که روی انرژی تمرکز می کند و اقتصاد بودن در آن یک موضوع مهم است. برخالف فرایندهای جداسازی با نیرومحرکه فشار ، مصرف انرژی در سیستم های تقطیر غشایی شامل هردوی انرژی برای گرمایش محلQQول خQQوراک و برای سرمایش محلول پرمیت یا چگالش می شود و همچنین انQQرژی الکQQتریکی مQQورد نیاز شامل پمپهای جریان، پمپهای خالء یا کمپرسورها نیز می شود. البته،انرژی گرمای

% کل انرژی باشد که بQQا افQQزایش90موردنیاز در تقطیر غشایی، می تواند بزرگتر از دمای خوراک بطور چشمگیری باال می رود. این نکته نیز شایان ذکر اسQQت کQQه انQQرژی

الکتریکی خیلی گران تر از انرژی گرمایی در سطوح پایین است. بازده گرمایی در تقطیر غشایی بطQQورکلی نسQQبت بین گرمQQای وارد شQQده بQQه سیسQQتم تقطیر غشایی و گرمای واقعی استفاده شده برای تبخیر خوراک به منظور تولید آب و یا تغلیظ محلول خوراک می باشد. انرژی گرمایی مصرفی در تقطیر غشایی خیلی بQQه دمای خوراک حساس می باشد. بیشتر به این دلیل است که شQQار جQQرمی بQQه صQQورت نمایی با دما افزایش می یابد و مقداری از افت گرما بوسیله هدایت از میQQان غشQQا بQQا افزایش دمای خوراک کاهش می یابد. در دماهای باالی خوراک گرمای انتقال یافتQQه از میان غشا بوسیله هدایت در مقایسه با گرمای انتقال یافته به موجب شار جQQرمی تQQرا

42

غشایی ناچیز خواهد بود. بنQQابراین،مصQQرف انQQرژی بQه ازای واحQد جریQان تراوشQQی دردماهای عملیاتی باالی خوراک به طور قابل تحسینی کاهش یابد.

اثر پالریزاسیون دمایی می تواند از طریق کار تحت رژیم جریان متالطم کاهش یابد و بQQا کمQQک افQQزایش دهنQQده تالطم، افت گرمQQا بوسQQیله هQQدایت از میQQان غشQQا می توانQQد بوسیله افزایش اندازه حفره و تخلخل غشا بعالوه استفاده از ضخامت غشای بهینه به حداقل برسد و همچنین استفاده از مواد عایق مناسب برای مدول غشایی، لوله هQQا و

همه اتصاالت می تواند افت گرمایی به محیط را کاهش دهد.

برای بهبود بازده انرژی تقطیر غشایی، یک بخشی از گرما محلQQول باقیمانQQده بایسQQتی بازیابی شود که برای پیش گرم کQQردن محلQQول آبی خQQوراک مQQورد اسQQتفاده قQQرار می

شماتیکی از فرایند تقطیر غشایی همراه با بازیQQابی انQQرژی نشQQان9-2گیرد. در شکل داده شده است.

:شماتیک فرایند عملیاتی تقطیر غشQQایی همQQراه بQQا بازیQQابی گرمQQا5-2 شکل بوسیله مبدل حرارتی

اثرات پالریزاسیون دمای و غلظQQتی، هQQدایت گرمQQایی از میQQان غشQQا و اتالف گرمQQا بQQه محیط بایستی به حداقل برسد تا بازده انرژی افزایش یابد. از میQQان شQQکلهای تقطQQیر غشایی، فرایند تقطیر غشایی خالء بیشترین بQQازده انQQرژی را دارد کQQه بQQه دلیQQل اتالف گرمایی پایین هQQدایتی و در نتیجQQه نQQرخ شQQار پQQرمیت بQQاالی آن می باشQQد. تعQQداد کمی تحقیق روی اثر بازیابی گرما روی هزینQQه فراینQQد ارائQQه شQQده اسQQت بطوریکQQه بازیQQابی

برابر کاهش دهد.4گرمایی می تواند هزینه تولید آب را تا Fane :بصورت زیر آن را تعریف می کند

43

(31)

اختالف دمQQا∆ TMD، افت دمای مرکزی در طول مدول تقطیر غشQQایی∆ TMD,moduleکه

.مقQQادیر بQQاالیی بQQرای اختالف دمایی در طرفین مبدلهای حرارتی∆ THEطرفین غشا و HR.دQQت آمQQد بدسQQتفاده شQQر اسQQزمانیکه از سطح غشای بزرگتر و نرخ جریان پایین ت

این به خاطر افزایش زمان تماس سیاالت در داخل مدول غشایی می باشد.

( سیستمهای تقطیر غشایی مختلف وEP: انرژی مخصوص مصرف شده )7-2جدول سایر فرایندهای جداسازی مورد استفاده در نمک زدایی

44

(عوامل موثر بر برآورد هزینه واحد تقطیر غشایی:2-10-1

هزینه تولید آب عالوه بر ابزارها و تکنولوژی فرایند، به ظرفیت واحد، نوع خوراکی که بایستی تصفیه شود )آب دریا،آب شور و غیره(، عملیات پیش تصفیه، مصQQرف انQQرژی

45

)نوع و هزینه(، عمر واحد و استهالک آن وابسته می باشد. برای مثال، عمده ی هزینQQه برای کارخانه تقطیر غشایی، هزینه سرمایه گذاری، هزینه عملیQQاتی سQQاالنه می باشQQد

که بصورت زیر تخمین زده می شود:(CC(هزینه سرمایه گذاری)1

این نوع هزینQQه، شQQامل خریQQد تجهQQیزات، مQQدولهای غشQQای تقطQQیر غشQQایی، تجهQQیزات اضطراری و کمکی، زمین، هزینه نصب و پیش تصفیه محلول خوراک می شود. هزینه سرمایه گذاری یک تابعی از ظQQرفیت فراینQQد و خصوصQQیات طQQراحی می باشQQد. بQQرای

بQQا هزینQQه سQQرمایهSPMD واحQQد 2 تخمین هزینQQه اجQQزای مختلQQف 15.3مثال، جQQدول گذاری کل آن را نشان می دهد. قیمت غشا وابسته به نوع غشا )اندازه حفره، مواد و

غیره( و شرکت سازنده و مقدار خرید می تواند تغییر کند. هزینه نصب و هزینه ابزار دقیق بایستی همچنین در نظQر گرفتQه شQQود. کQه این هزینQه

% از هزینه خرید تجهیزات را شامل می شود.25(هزینه عملیاتی ساالنه:2

این هزینه ها شامل هزینه سالیانه کل پرداختی و عملیاتی یک واحد تقطیر غشایی میشود و همچنین استهالک یا هزینه های ثابت، هزینه تعویض غشا را در بر می گیرد.

: تخمین هزینه تولید آب برای سیستمهای مختلف تقطیر غشایی و سایر8-2جدولفرایندهای مربوطه

46

47

(زمینه های که در تقطیر غشایی کمتر کار شده است:2-11

- طراحی و تولید غشاهای صفحه تخت و فیبر تو خالی برای کاربردهای تقطیر غشایی هنوز ضعف دارد. بهبود غشQاهای تقطQیر غشQایی بQا مشخصQات و شQQکلهای خQاص بQه شQQدت مQQورد تقاضQQا می باشQQد. مثالهQQای از غشQQاهای مQQورد عالقQQه، غشQQاهای دو الیQQه

الیه آبگریز/آبدوست/آبگریز و غشاهایی با ساختار نانو که از مواد3آبگریز/آبدوست یا مختلف ساخته شده اند .

- با وجود انجام یکسری کارهای روی ساخت غشQQا بQQرای کاربردهQQای تقطQQیر غشQQایی، تعداد خیلی کمی از تحقیقات روی اثر پارامترهای تهیه غشا روی عملکرد آن کار کرده اند. اثر پارامترهای منحصر به فرد )مثال فاصله شکاف هوا، دمای انعقاد، دمQQای تبخQQیر حالل، پارامترهای محیط و غیره( روی ساختار غشا و عملکرد تقطیر غشQQایی مطالعQQه

نشده است. بQQه طQQور عمیQQقAGMD- اثرات اندازه حفره غشا و توزیع اندازه حفره روی عملکرد

بررسی نشده است. پروفایل دمایی و غلظتی در طول مدول غشایی بایسQQتی درنظQQرگرفته شود مخصوصا زمانیکه پهنای شکاف هوا نازک و دمای خوراک باال می باشد.

،توزیQع انQدازه حفQرات هنQوز در نظQر گرفتQQه نشQدهSGMD- برای شار پرمیت روش هنQQوز صQQورت نگرفتQQهSGMDاست.مطالعه گسترده ای روی پالریزاسیون غلظتی در

48

است. این پدیده بایستی درمورد محلولهای آبی شامل اجQQزاء غQQیر فQQرار بعالوه اجQQزاءآلی فرار بررسی شود.

تقطیر غشایی اغلب توانایی جفت شQQدن بQQا انQQرژی خورشQQیدی را دارد. سQQایر منQQابع- انرژی تجدیدپذیر ازجمله انرژی باد و انرژی موج برای تقطیر غشایی مورد عالقQQه می

هنQQوز کQQار نشQQدهSGMDباشد. جفت شدن سیستمهای انرژی تجدیدپQQذیر بQQا فراینQQد است. مشابه بQQا سQQایر فراینQQدهای جداسQQازی فراینQQد تقطQQیر غشQQایی چنQQد مرحلQQه ای

بایستی توسعه پیدا کند. در حQQالت کلی، فرصQQتهای فQQراوانی بQQرای فراینQQد جداسQQازی تقطQQیر غشQQایی در تمQQام بخشهای نوین صنعتی وجود دارد. مزایایی تکنولوژی تقطQQیر غشQQایی نسQQبت بQQه سQQایر فرایندهای تصفیه آب مورد توجه قرار گرفته و چشم انداز برای آینده تقطیر غشQQایی، مخصوصا در زمینه نمک زدایی و کاربردهای محیط زیسQQتی بسQQیار امیQQدوار کننQQده می باشد. پیشرفتهای اخیر در زمینه کارخانه های آزمایشگاهی خورشQQیدی اجQQازه تصQQدیق چشQQم انQQداز خQQوبی را بQQرای فراینQQد تقطQQیر غشQQایی ممکن می سQQازد. البتQQه، نیازمنQQد تحقیقات پیوسته و متمرکز میباشد که شامل تحقیقات پایه ای و عملیات کاربردی می شود. اهداف اولیQه روشQهای توسQعه فراینQد تقطQیر غشQایی، کQاهش هزینQه تولیQQد بQا مصرف انرژی پایین و اتالف کم ، انعطاف پذیری باال و آسان بQQودن افQQزایش مقیQQاس

ساختاری و توانایی رقابت را شامل می شود. هزینه واقعی غشاها برای فرایند تقطیر غشایی در مقایسه با قیمت سQQایر فراینQQدهای

گران تر است و هزینه تولید آب در این فراینQQد بQQه نظQQر بQQاالتر ازROغشایی از جمله می رسد. مدول های غشایی خیلی کمی بوسیله بعضی از شQQرکتها تجQQاریROفرایند

شده اند. بنابراین،میل به تحقیقات برای توسQQعه مQQدولهای غشQQایی ارزان، پربQQازده، و ،تحقیقQات اساسQی بQرای تجQاری شQدن تقطQیرROکم حجم وجQود دارد. در تقابQل بQا

غشای اجرا می شود. محققQQان معتقدنQQد کQQه زمQQانی بQQه تجQQاری شQQدن فراینQQد تقطQQیرغشایی نمانده است .

(چشم اندازی از آینده ی تقطیر غشایی:2-12 تکنولوژی جداسازی تقطیر غشایی هنQQوز تحت بررسQQی اسQQت و اگرچQQه این فراینQQد را

سQQال اسQQت کQه می شناسQQیم ولی بطQQور کامQQل عملی نشQQده اسQQت. این40بیش از فراینQQد بطQQور مQQوفقیت آمQQیزی در کاربردهQQای بسQQیاری بQQویژه در نمQQک زدایی مQQورد استفاده قرار گرفته است. اگرچه نتایج تقطیر غشایی در مراحل توسعه آزمایشQQگاهی خیلی امیدوار کننده به نظر می رسد، نا کارآمQQدی در چنQQدین پQQروژه تجQQاری منجQQر بQQه مشکالتی در نمود مهندسی این فرایند شده است. تاکنون، عمال همه مدولهای غشایی برای کاربردهای دانشگاهی و برای تحقیقات در آزمایشQQگاه سQQاخته شQQده انQQد. بعالوه، عقاید متفاوتی درباره صنعتی شدن تقطیر غشایی وجود دارد. در مورد اقتصاد تقطQQیر

49

غشایی هنوز تمرکز الزم از سوی محققین صQQورت نگرفتQQه اسQQت. در مQQورد افQQزایش مقیاس مدولهای غشایی و کارخانه های تقطیر غشایی هنوز بایسQQتی بررسQQی صQQورت پذیرد. بنابراین تکنولوژی تقطیر غشایی بیشتر نقش دانشگاهی دارد تا تجQQاری اگرچQQه بعضی مزیتهای قابل توجهی نسQQبت بQQه سQQایر فراینQQدها دارد از جملQQه آنهQQا حساسQQیت پایین به غلظت خوراک، عملکرد در دماهای پایین، مقاومت باال در مقابQQل گQQرفتگی در مقایسه با سایر فرایندها، درصد باالی جداسازی درمورد اجزا غیر فرار موجود در آب، متراکم بودن و جاگیر نبودن تجهیزات سیستم و استفاده از منابع انQQرژی خورشQQیدی و

گرمایی اتالفی می باشد.

بزرگترین شار تراوش کننده که برای شکلهای مختلف تقطیر غشایی بدسQQت آمQQده درسالهای اخیر به قرار زیر است::DCMD QQ-تقطیر غشایی تماس مستقیم ) Q)145.8 116.6 و kg/m2.hتفاده ازQQبا اس

درجQQه74(، دمQQای خQQوراک NaCl% مولی محلول آبی کلریQQد سQQدیم)1.3آب مقطر و .ME 3 درجه سانتیگراد، غشای 20سانتیگراد، دمای پرمیت

:SGMD QQ-تقطیر غشایی با گاز حامQQل ) Q)14.4 11.2 و kg/m2.hاQQر بQرای آب مقطQQب بQا هQدایتNaCl و محلول خوراک cm/S μ 9استفاده از خوراک با هدایت الکتریکی

182 cm/S μ دمای خوراک( غشا ℃ 20 و دمای هوا ℃65، PP Accurel) برای غشای تجاریkg/m2.h 576.7 و 421.2 و 372.6( :VMD Q-تقطیر غشایی خالء)

3MA 3 وMB 3 وMC ت ℃ 74.خوراک آب مقطر ،دمای خوراکQایین دسQار پQ3 ،فش kPa.

هوا) با شکاف AGMD Q: Q)26.3-تقطیر غشایی kg/m2.h تجاری ، HVHPبا غشای ، دمQای خنQک℃ 82 ، دمای خوراک cm/S μ 297خوراک آب شیر با هدایت الکتریکی

.mm 0.8 و فاصله شکاف هوا ℃ 7کننده به این ترتیب می توان مشاهده کرد مقدار تفاوت زیادی بین شار پرمیت در شQQکلهای گوناگون تقطیر غشایی وجود دارد. به عبارت دیگر، آینده تقطیر غشایی باتوجه به بQQاال

روشن به نظر می رسد. این مورد روشن است کهVMD و DCMDبودن شار پرمیت گرمای موردنیاز برای فرایند تقطیر غشایی بخش چشمگیری از هزینه فرایند را در بQQر می گیرد. مصرف انرژی گرمایی خیلی حساس به دمای خQQوراک می باشQQد. در حQQالت

درNaClکلی،بیشتر مطالعQQات تقطQQیر غشQQایی اقQQدام بQQه نمQQک زدایی از محلQQول آبی غلظتهای مختلف نموده اند اما تحقیقات کمتری در مورد محلولهای که شامل ترکیبات

آلی )استرها، اترها، کلرینات هیدروکربن، ترکیبات آروماتیک( انجام شده است. بیشتر کاربردهای تقطیر غشایی مربوط به تصفیه محلولهای آبی برای تولید آب مقطر و در سطح پایین تر روی تغلیظ و بازیابی اجزاء با ارزش محلول )فراینQQدهای غQQذایی(

50

تمرکز شده است. تا حاال همه کاربردهای تقطQQیر غشQQایی روی تصQQفیه محلولهQای آبی که آب جز عمده آنها می باشد معطوف شده است. تصفیه محلولهای غیر آبی توسQQط تقطیر غشایی و مکانیسQQمهای انتقQQال و تQQاثیر شQQرایط عملیQQاتی روی عملکQQرد تقطQQیر

غشایی در این گونه محلولها هنوز کار نشده است.

فصل سوممواد و روش انجام آزمایش ها

51

مقدمه : در این فصل ضمن معرفی تجهیزات و سیستم آزمایشگاهی کQQه مQQورد اسQQتفاده قQQرار گرفتند، خصوصیات خوراک و نحوه انجام آزمایش ها ارائه خواهد شد. اصوال در انجQQام هر آزمایشی باید در عین حالی که اثر هر یک از عوامل اثر گذار به دقت بررسQQی می شود، بایستی فاکتورهای زمان و انرژی هم لحاظ شوند. بنQQابراین بایQQد بQQا شQQیوه هQQای تعداد آزمایش را کاهش داد و در عین حال از دقت و جامعیت آن نکاست. با توجQQه بQQه

اسQQتفاده شQQد. بQQا این روش1معلوم بودن حدود و شرایط آزمایشها، از روش تQQاگوچی در فرایند تقطیر غشایی تعداد متناسبی آزمایش برای بررسی اثر پارامترهای مختلQQف دمQQا، فشQQار، دبی جریQQان و غلظت خQQوراک طQQراحی شQQد و آزمایشQQها بQQر این اسQQاس

اجرایی شدند.

(سیستم آزمایشگاهی:3-1 سیستم مورد استفاده برای آزمایش های تقطیر غشایی شامل یک ظQQرف خQQوراک بQQا

لیتر برای نگهداری خوراک می باشد. برای به جریQQان آوردن خQQوراک10حجم تقریبی در سیستم از یک پمپ سانتریفیوژ استفاده شد. به منظQQور تنظیم دبی و اختالط بهQQتر در سیستم بخشی از مواد با یک جریان کنار گذر پس از پمپ به داخل مخQQزن خQQوراک بQQاز گردانQQده می شQQود. مQQیزان جریQQان برگشQQتی بQQه شQQدت روی دمQQای خQQوراک تQQاثیر میگذارد بطوریکه برای تنظیم راحتر دما بایستی شیر مربوط بQQه جریQQان کنQQار گQQذر در حداقل مقدار قرار گیرد. خوراک پمپاژ شده وارد جریان سنج شده با شQQیر موجQQود در پشت روتامتر دبی جریان تنظیم می شود پس از آن با استفاده فشارسQQنج دیجیتQQالی، فشار خوراک قبل از ورود به مQQدول ثبت می شQQود و سQQپس خQQوراک وارد یQQک مQQدول

بQQه3 از جنس فوالد ضد زنQQگ می شQQود. این مQQدول شQQامل یQQک اورینگ2قاب و صفحه منظور آب بندی مدول و توری های محافظ غشا کQQه از صQQدمه دیQQدن غشQQا جلوگQQیری می کند. مدول مذکور به دلیل خصوصیات خاص خوراک که امکان ترشدگی غشQQا می

سانتی متر مربQQع29.78 غشاهای مورد استفاده برابر 4رفت انتخاب شد. سطح موثرمی باشد.

1.Taguchi Method 2.Plate&frame 3.O-Ring 4.Effective Area

نشان داده شده است. فشار جریQQان1-3یک شماتیک از سیستم مورد بحث در شکل ثبت می شQQود. دمQQای1دیجیتQQالی خروجی از مدول بQQار دیگQQر توسQQط یQQک فشQQار سQQنج

خوراک در مخزن خوراک توسط یک سنسور دیجیتالی تنظیم و اندازه گیری می شQQود. برای افزایش دمای خوراک در مخزن از یک گرم کن استفاده می شود. بایستی توجQQه کرد که برای انجام آزمایشها فرض می شود که دمQQای خQوراک در سراسQQر سیسQQتم و

در سطح غشا برابر با همان دمای قرائت شده در ظرف خوراک می باشد.

52

ء:شماتیک فرایند تقطیر غشایی خال1-3شکل

استفاده شد. MOTO GEN 1380RPM 2برای تامین خالء مورد نیاز از یک پمپ خالء به منظور تنظیم فشار خالء یک خط جریان هوا به مکش پمپ متصQQل شQQد و بQQا قQQرار دادن یک شیر در مسیر، فشار مورد نظر تامین شد. اندازه گQQیری فشQQار خالء بوسQQیلهیک فشار سنج دیجیتالی متصل به مسیر خالء صورت می پذیرد. بخارات تQQراوش یافته

که در یQQک محفظQQه خنQQک کننQQده قQرار می گیرنQQد بQQه4 از غشا در داخل تله های بخار3 -13تدریج چگالش و جمع آوری می شوند. در اینجا آزمایشها از یک یخچال کQQه دمQQای

درجه سانتیگراد را فراهم می کرد مورد استفاده قرار گرفته شد.

1.Digital Vacuum Meter 2.Vacuum Pump3.Permeat 4.Vapor Trap

برای اطمینان از پایQQدار بQQودن جریQQان ابتQQدا آزمایشQQاتی بمنظQQور پیQQدا کQQردن محQQدوده یکنواخت شQQدن شQQار عبQQوری از غشQQا ء انجQQام گرفتQQه اسQQت بQQه گونQQه ای کQQه پس از زمانهای مشخصی وزن جریان تراوشی بدست آمده را گرفته و شار جریQQان تراوشQQی را بدست می آوریم پس از مدتی شار ثابت می شود که به عبارتی می گوییم سیستم

نوع غشای آبگریز متخلخل استفاده شد.2 برای انجام آزمایشها از پایدار شده است. آمده است. همانطور که اشاره شQQد بQQه1-3خواص غشاهای مورد استفاده در جدول

منظور حفظ غشا و افزایش استحکام آن در داخل مدول و جلوگQQیری از پQQارگی آن در اثر عبور خوراک و همچنین خالء ایجاد شده، از نگه دارنده هایی از جنس توری در زیر

53

غشا )فاصله بین غشا و مدول( استفاده شده است البته سعی شده این مورد تQQا حQQد امکان تاثیری به روی شار عبوری نداشته باشد.

:مشخصات غشاهای مورد استفاده 1-3جدول نام تجاری

غشاءضخامتجنس

)میکرون( انQQQQQQQQدازه(2cmابعاد)تخلخل

حفره)میکرون(

Accural PP,2E

Membreana co

PP16575%7.8*2.90.2

Chang-qiPTFE23070-80%7.8*2.90.2

(تجهیزات مورد استفاده:3-2

برای آماده سازی سیستم آزمایشگاهی از یکسری تجهیزات استفاده شد که در زیر بهاختصار به آن ها اشاره می شود:

پمپ: در سیستم مورد نظر از دو نوع پمپ مختلف اسQQتفاده شQQد.بQQرای بQQه جریQQان انQQداختن

دور بر دقیقه2800 با Tipo PM 80خوراک درون سیستم از یک پمپ سانتریفیوژ مدل ایتالیا استفاده شد.1ساخت شرکت پنتکس

دور بQQر1380برای ایجاد خالء نیز از یک پمپ ساخت شرکت موتوژن،ایران،با توانایی دقیقه استفاده شد.

1.Pantexگرم کن:

برای تنظیم دمای مخزن خوراک از یک گرمکن که در زیر مخزن خQQوراک نصQQب شQQدهاستفاده می شود.

دماسنج:دمای مخزن خوراک بوسیله یک سنسور دیجیتالی تنظیم و اندازه گیری می شود.

فشار سنج خالء: برای اندازه گیری میزان خالء اعمال شده از یک خالء سنج دیجیتالی استفاده شد.

54

ارلن خالء: به عنوان تله های بخار استفاده شد.ml 250 ارلن خالء 3از

ترازو: برای اندازه گیری میزان محصول جمQQع آوری شQQده از یQQک تQQرازوی دیجیتQQالی بQQا دقت

استفاده شد. 1 119ساخت شرکت پرکسیا BJ8100Dصدم گرم ،مدل

:2رفرکتومتر موجود در محصول خروجی غشاء، از دسQQتگاه رفرکتومQQتر بQQاMEGبرای تعیین غلظت

( استفاده شده است. برای تعیین میزان دقیق غلظتها ابتدا2W AJ , JAPANمشخصات) دستگاه مورد نظر به وسیله تعدادی نمونQQه مرجQQع کQQالیبره )آب مقطQQر یکبQQار تقطQQیر(

در آب رسم شد.MEGشده است و سپس نمودار کالیبراسیون با درصدهای مختلف

خوراک: (MEGخوراک مورد استفاده ترکیبی از آب مقطر یکبار تقطیر و مونQQو اتیلن گلیکQQول )

محصولی از پتروشیمی اراک)شازند( در درصدهای مختلف تهیه شد.

1.Precisa BJ8100D 2.Refractometer

مدول غشاء: از یک مدول مستطیلی شکل از جنس استیل زنگ نزن با طول و عرض و ارتفاع به

سانتی متر استفاده شد.3 و 7 و 13ترتیب

(طراحی آزمایشها: 3-3 هدف از انجام این سری آزمایشها را می توان بررسی سیستم آزمایشگاهی، آشQQنایی با تاثیر عوامل مختلف روی شار و انتخاب پذیری محصول تولیQQدی از غشQQا و همچQQنین پایQQداری غشQQا در شQQرایط عملیQQاتی تعQQیین شQQده و تعQQیین محQQدوده مQQوثر پارامترهQQای

عملیاتی و مقایسه غشاها در مورد جداسازی این پساب ذکر کرد. آزمایش طQQراحی شQQده آزمQQونی اسQQت کQQه در آن تغیQQیرات هQQدف داری در متغیرهQQای ورودی فرایند اعمال می گردد به طوریکه بتوان تغییر در پاسخ را مشاهده و دالیل آن را شناسایی کرد. بسیاری از آزمایشها جهت بررسی عکس العمل یک سیستم نسQQبت به تغییرات در برخی از عوامل موثر بر سیسQQتم انجQQام می شQQوند. بQQا انجQQام آزمQQایش اهدافی از قبیل بهینه کردن عملکرد سیستم و یا توصیف نمQQودن آن دنبQQال می شQQود.

55

برنامه ریزی دقیق در آغاز این آزمایشها می تواند باعث صQQرفه جQQویی قابQQل توجQه درزمان و سرمایه گردد. دو جنبه در مسئله طراحی آزمایش وجود دارد:

- طراحی آزمایش به منظور کاهش تعداد آزمایشها1-آنالیز داده به روش آماری2

این دو جنبه کامال به هم وابسته می باشند زیرا روش آنالیز به طراحی بکار برده شده وابسته می باشد. در این روش هر آزمایش چند بار تکQQرار می شQQوند بنQQابراین امکQQان تخمین خطا وجود دارد. اگر میانگین جQواب هQا جهت تخمین بکQQار بQرده شQQود اثQر هQر

عامل بصورت دقیقتری تعیین می شود.

(هدف طراحی آزمایش3-3-1به طور خالصه هدف از طراحی آزمایش عبارت است از:

-تعیین پارامترهایی که بیشترین اثر را در پاسخ دارند.1-تنظیم پارامترهای موثر بطوریکه پاسخ گرفته شده نزدیک به مقدار مطلوب باشد.2 -تعیین میزان مجاز تغییرات پارامترهای موثر قابل کنترل بطوریکQQه اثQQر پQQارامتر غQQیر3

قابل کنترل حداقل باشد.-کاهش هزینه های آزمایش، کاهش زمان نتیجه گیری و قابل اعتماد کردن فرایند.4

(اصول اساسی طراحی آزمایش:3-3-2سه اصل طراحی آزمایش به شرح ذیل می باشند:

-تکرار آزمایش 1-انتخاب تصادفی2-انتخاب بالک3

تکرار آزمایش دو خاصیت مهم دارد که عبارتند از:-میزان خطا را تعیین می کند.1 -اگر میانگین داده ها جهت تخمین اثر هQQر عامQQل اسQQتفاده شQQود آنگQQاه تکQQرار پاسQQخ2

باعث می شود تا اثر هر پارامتر دقیق تر تعیین شود.

روش تاگوچی در طراحی آزمایشها:(3-3-3 به عنوان یک روش یQQک روش کنQQترل کیفیت بQQه منظQQور1980روش تاگوچی از سال

بهینه سازی فرایند آزمایشهای مهندسی به کار گرفتQQه شQQده اسQQت. در روش تQQاگوچینتایج آزمایشها برای دستیابی به اهداف ذیل تجزیه و تحلیل می شوند:

-تعیین شرایط عملیاتی بهینه1-بررسی میزان تاثیر هر یک از عوامل بر روی پاسخ2-تخمین پاسخ تحت شرایط بهینه3

56

، که نسبت پاسخ متوسط)سQQیگنال(SNدر روش تاگوچی از یک عملگر آماری با عنوان بزرگتر بQQه مفهQQوم SNبه انحراف استاندارد)نویز( می باشد استفاده می شود. نسبت

تغییرات یا انحراف کوچکتر در پاسخ است. تنظیم و نظارت فاکتورهای قابل کنترل به به ما این اجازه را می دهد کQQه اثQQر فاکتورهQQای غQQیر قابQQل کنQQترل SNمنظور افزایش

در سه شرایط متفاوت به صورت ذیQQل تعریQQف می)اغتشاش( را به حداقل برسانیم.شوند:

SN=- 10 log MSDMSD.میانگین مربع انحرافات می باشد

تابع نوع کیفیت مطلوب است:MSDتعریف

*در شرایط کوچکتر، مطلوبتر MSD=

∑i=1

r Y 2 ir

*در شرایط بزرگتر ، مطلوبترMSD=1/r ∑ ( 1

Y 2i)

*در شرایط نزدیکتر، مطلوبتر ∑ (Y i−M ) ².MSD=1

r

تعداد تکرار هQQر آزمQQایش میr مقدار میانگین و Mمقدار پاسخ، Y𝒾که در این روابط باشد.

با بکار بستن این روش اطمینان بوجود می آید که اثر عوامQQل اغتشاشQQگر در مقایسQQه با اثر عوامل اصلی حداقل می باشد و این بدین معنی است که پاسQQخ نهQQایی کمQQترین حساسیت را نسبت به عوامل اغتشاشQQگر دارد. جQQذابیت روش تQQاگوچی در این اسQQت که به جای کنترل منابع اغتشاش با کاهش دادن اثر آنها مقدار انحراف را در مشخصه کیفی حداقل می سازد و این امر از نظر اقتصادی بسیار مطلوب است زیرا بQQه طQQور

معمول کنترل منابع اغتشاش در فرایند تولید امری پر هزینه می باشد. ( نیز برای تحلیلANOVAروش تاگوچی از ابزار قدرتمند دیگری به نام آنالیز واریانس)

بQQرای تجزیQQه و تحلیQQل آرایQQهANOVA2 و SN1نتایج استفاده می کند. در واقQQع دو روش بQQه منظQQورSN بعد از انجام تحلیQQل ANOVAهای متعامد به کار برده می شوند. تحلیل

تعیین واریانس خطا و اهمیت نسبی هر یQQک از عوامQQل انجQQام می شQQود. نتQQایج تحلیQQل

57

ANOVA .د از : معموال به صورت جدولی ارائه می شودQQدول عبارتنQQپارامترهای این ج SS )درجه آزادی هر عامل برابر تعQداد سQQطوح منهQای4مجموع مربعات، درجه آزادی 3

، این کمیت مشخص می کند که آیا واریانس محاسبه Fیک می باشد( و کمیت آماری شده برای یک پارامتر در مقایسه با واریانس مربوط به خطا از نظر آماری معQQنی دار

درصد اثرگذاری یا توزیع هر فاکتور روی پاسخ می باشد. بنQQابراین بQQرایP5است یا نه. انجام مطالعQQات گسQQترده در مQQورد بررسQQی امکQQان جداسQQازی پسQQابهای گونQQاگون بQQا استفاده از فرایند تقطیر غشایی و بدست آوردن نمودارهای قابل اعتمQQاد بQQرای بهینQQه سازی فرایند بایستی آزمایشهای زیادی انجام گیرد. پس با استفاده از روشهای آماری از صرف هزینه و زمان بی رویه برای آزمایشهای غیر ضروری جلوگیری می شود و به این ترتیب می توان آزمایشهای متمرکزی در محدوده ی بحQQرانی اغتشاشQQات وارد بQQه سیسQQتم )کQQه از طریQQق خQQوراک ورودی اعمQQال می شQQود( و یQQا در بهQQترین شQQرایط

عملیاتی)کمیت های قابل کنترل( انجام داد.

1.Signal to Noise 2.Analysis of Variance 3.Sum of Squares 4.Degree of Freedom

5.Portion (پارامترهای عملیاتی موثر در فرایند تقطیر غشایی3-4

متغیرهای عملیاتی مهم که روی بازدهی فرایند تقطیر غشایی موثر می باشند عبارتنQQداز:دمای خوراک فشار خالء شدت)دبی( جریان خوراک غلظت خوراک

(:Tدما)

دما از جمله عوامل مهم در فرایند تقطیر غشایی بوده و بQQه منظQQور بررسQQی اثQQر این-40عامQQل بQQه روی عملکQQرد این سیسQQتم، عامQQل دمQQا در محQQدوده بین درجQQه60

سانتیگراد انتخاب شد. در فرایند تقطیر غشایی به دلیل اهمیتی کQQه این تکنولQQوژی بQQه حداقل مصرف انرژی دارد دماهای انتخQQابی بایسQQتی حتمQQا زیQQر نقطQQه جQQوش محلQQول خوراک باشند. با افزایش دمQQای خQQوراک، در شQQرایطی کQQه سQQایر عوامQQل مQQوثر ثQQابت باشند، شار محصول بطور نمایی افزایش می یابد که موضوع به خاطر افزایش نمایی فشار بخQQار خQوراک بQا دماسQت کQه مQوجب افQزایش اختالف فشQار دو سQQمت غشQاء )بعبارت بهتر افزایش نیروی محرکه( می شود. بهتر است دمای خQQوراک حQQد االمکQQان باال تا بازدهی تبخیر داخلی )نسبت گرمQQای الزم بQQرای تبخQQیر بQQه کQQل گرمQQایی کQQه بین خوراک و سمت محصQQول مبادلQQه می شQQود، افQQزایش یابQد.( اگرچQه اثQر پالریزاسQQیون دمایی با افزایش دما زیاد می شود. پس باید یک بهینه سازی در انتخاب دمای مناسب

صورت پذیرد.

(:Pفشار خالء)

58

میلی بار به سمت تراوش100 ،70، 30به منظور ارزیابی تاثیر این عامل فشار های کننده مدول غشا اعمال شد. در فرایند تقطیر غشایی خالء با اعمال خالء شار تراوش کننده به شدت افزایش می یابد اما به دلیل باال رفتن نیرومحرکه احتمال خیس شQQدن غشا در این روش نسبت به سایر شکلهای تقطQQیر غشQQایی بیشQQتر اسQQت. بنQQابراین در اینجا نیز بایستی یک تعادل بین ترشQQدگی غشQQا و شQQار بQQاال بQQا انتخQQاب مناسQQب فشQQار اعمالی ایجاد شQQود. بQدیهی اسQQت کQه هرچQه فشQار خالء پQایین تQر محصQQول بیشQتری بدست خواهد آمد اما انتخابپذیری غشا کاهش می یابد کQQه البتQQه بQQه نQQوع خQQوراک نQQیز وابسته است. معموال در این روش تالش می شود از غشاها با انQQدازه حفQQره کوچکQQتر

استفاده شود.

(:Qشدت جریان خوراک) شدت جریان خوراک عامل دیگQری بQود کQه در آزمایشQها کنQترل شQد. بQه این منظQور

موردQ، 90 Q، 120 lit/h 60آزمایشهای تقطیر غشایی خالء در شدت جریان خوراک بررسی قرار گرفت. این فاکتور تاثیر چندانی روی شار محصول ندارد اما حداقل تاثیر افزایشی که روی شار دارد از طریق افزایش ضریب انتقQال حQرارت و کQاهش پدیQده

پالریزاسیون دمایی و غلظتی می باشد.

(:Cغلظت خوراک) درصد وزنی از مونو اتیلن گلیکولQ، 40، 50 30 سطح 3در این آزمایشها غلظت در

در آب مورد بحث قQQرار گQQرفت. بQQا توجQQه بQQه اینکQQه سQQیاالت خنQQک کننQQده طی فراینQQد هیچگونه واکنش شیمیایی انجام نمی دهنQQد و نقش آنهQQا بQQه صQQورت انتقQQال حQQرارت و افزایش و کاهش نقطه جQوش و نقطQه ذوب می باشQQد بنQQابراین در پسQابهای اینگونQQه

هQQای فQQوق در مایعQQات تغیQQیر غلظت چنQQدانی مشQQاهده نمی شQQود از این رو غلظت محدوده غلظتی ساخت مایعات خنک کننده به ویQQژه اتیلن گلیکQQول- آب می باشQQد. در اینجا نیز باال بودن بیش از انQQدازه غلظت اتیلن گلیکQQول می توانQQد مQQوجب ترشQQدگی و پالریزاسیون غلظتی شود و با توجه به ویسکوز بQQودن این مQQاده، پیش بیQQنی می شQQود

بازدهی در غلظتهای پایین باالتر باشد.

:فاکتور های قابل کنترل و سطوح انتخابی2-3جدول 3سطح2سطح1سطحواحدپارامترشاخص

A خوراک 405060℃دمای

B خالء mbar3070100فشار

CغلظتWt%304050

D خوراک lit /hr6090120دبی

59

:MINITAB(طراحی آزمایشها بوسیله نرم افزار 3-5

سQQطح بQQه صQQورت3 پQQارامتر و 4آزمایشها به ترتیب جQQدول زیQQر بQQا در نظQQر گQQرفتن طراحیMINITAB که به روش تاگوچی با استفاده از نرم افزار L9ماتریس آرایه ی

بQQار2شده مورد اجرا قرار گرفت و به منظور آنالیز داده ها و تعیین خطا، هر آزمایش انجام می شود:

L9 : ماتریس آرایه ی 3-3جدول

شمارهآزمایش

پارامترهای آزمایش

دمای(Aخوراک)

فشار خالء)B)

غلظت(Cخوراک)

جریان(Dخوراک)

140303060240704090340100501204503040120550705060650100309076030509086070301209601004060

60

فصل چهارم

نتایج و بحث(نتایج حاصل از آزمایش ها:4-1

نتایج بدست آمده از آزمایشهای انجام شده بQQرای شQQار تQQراوش2-4 و 1-4در جداول تغییرات1-4کننده و فاکتور جداسازی اتیلن گلیکول از محلول ارائه شده و در نمودار

نشان داده شده است. PTFEو PPشار جریان تراوشی با زمان برای غشای

(PP: نتایج بدست آمده برای غشای پلی پروپیلن)1-4جدول

شQQمارهآزمQQQQQای

ش

دما(C˚)

فشQQQQارخالء

(mbar)

شQQQدتجریان

(lit/h)

غلظت(Wt%)

شQQQQQار جریQQQQQانتراوشی

(kg/m2.h)

فاکتور جداسQQازیاتیلن گلیکول)%(

2نوبت 1نوبت 2نوبت1نوبت 14030603012.9214.2294.6895.662407090402.621.4083.685.96340100120502.883.3068.9270.84450301204017.3719.8192.5293.825507060506.847.7290.0096.0865010090302.73.483.886.6676030905018.8219.9492.0090.96860701203030.8229.693.4695.16960100604011.5212.2297.6595.03

(PTFE:نتایج بدست آمده برای غشای پلی تترا فلوئورو اتیلن)2-4جدول

شHHمار ه

آزمHHHایش

دما(C˚)

فشHHارخالء

(mbar)

شHHدتجریان

(lit/h)

غلظت(Wt%)

شHHHار جریHHHانتراوشی

(kg/m2.h)

فHHHHHHHHHHHHاکتور جداسHHHHHHHHازی

اتیلن گلیکول)%(

61

نوبت1

نوبت2

نوبت1

نوبت2

14030603021.0818.1095.1697.82407090405.82.7491.1289.26340100120506.233.7575.8276.48450301204027.3224.994.0296.1855070605016.9113.8795.5192.65650100903011.838.4290.1889.376030905028.226.4792.8793.15860701203051.3949.0597.9295.4960100604020.8617.8095.2898.92

0 02 04 06 08 001 021 0410

01

02

03

04

05

06

h/l021=Q,%03=C,rabm07= P,C˚06=T:EFTPh/L021=Q,%03=C,rabm07=P,C˚06=T:PP

enarbmeM PP

enarbmeM EFTP

)nim(t

)rh.

2m/g

k(xu

lF ta

emre

P

PTFEو PP:تغییرات شار با زمان برای غشای 1-4نمودار (تحلیل آماری نتایج آزمایشگاهی مربوط به شار جریان تراوشی4-2

، نتQQایجMINITABبQه کمQک روش طQQراحی آزمQایش تQاگوچی و اسQQتفاده از نQرم افQزار اثQQر3-4 و 2-4تجربی حاصل مورد تجزیه و تحلیل آماری قرار گرفت. در نمودارهQQای

فاکتور قابل کنترل )دما، فشار خالء، غلظت خوراک، دبی جریان( روی متوسط شار4 ارائه شده است. با توجه بQQه نمودارهQQا، رونQQد تQQاثیرPTFEو PPمحصول هر دو غشای

گذاری عوامل بر روی شار جریان تراوشی در مورد هQر دو نQوع غشQا مشQQابه یکQQدیگر آمده است. 3-4است. نتایج آماری بدست آمده نیز در جدول

:نتایج آماری بدست آمده برای شار جریان تراوشی3-4جدول

62

)%(SSd.o.fFPپارامترPPPTFEPPPTFEPPPTFEPPPTFE

.665.531599(˚Cدما)13

22433.87

208.84

46.64

50.1

384.68612.1(mbarفشار خالء)3

22250.77

79.94

26.96

19.18

غلظت خوراک)Wt%)

112.3434.68

2273.21

56.77

7.8713.62

شدت جریان)lit/h)

264.34545.63

22172.33

71.26

18.53

17.1

63

SN و نسبت PP:تاثیر پارامترهای فرایند به روی شار جریان تراوشی غشای 2-4نمودارآنها.

64

SN ونسبت PTFE:تاثیر پارامترهای فرایند روی شار جریان تراوشی غشای 3-4نمودارآنها.

(بررسی تاثیر هریک از پارامترهای فرایندی به روی شار جریان4-5تراوشی:

(چگونگی تاثیرگذاری دما به روی نرخ جریان تراوشی:4-5-1 در همه شکلهای تقطیر غشایی، نرخ تراوش از غشا با افزایش دمای خوراک بصورت

نمایی باال می رود. این واکنش به دلیل افزایش نمایی فشاربخار محلول با افزایش دماست که موجب افزایش اختالف فشار دو سمت غشا )نیرومحرکه انتقال جرم(

تاثیر پارامتر دما به روی نرخ تراوش به صورت مقایسه دو4-6می شود. نمودار ارائه شده است.PTFE و PP غشای

، شQQار جریQQانPTFEدر مقایسه با روند تغییرات شار محصول بQQا دمQQا در مQQورد غشQQای بهQتر اسQQت در این مقادیر پایین تری را به خود اختصاص می دهQد.PPتراوشی غشای

فرایند دمای خوراک حد االمکان باال باشد تا بازدهی تبخیر داخلی )نسQQبت گرمQای الزم برای تبخیر به کل گرمایی که بین خوراک و سمت محصول مبادله می شQQود، افQQزایش یابد.( در حالیکه اثر پالریزاسیون دمایی با افزایش دما زیاد می شود. البته این نکته را می بایست در نظر داشت که در حالتی که خوراک حاوی ترکیبات آلی اسQQت افQQزایش نمایی شار محصول در اثر افزایش دمای خوراک ممکن است با کاهش انتخاب پذیری

در دبی های بQQاال افQQزایش دمQQا تQQاثیر شQQدیدتری بQQر روی شQQار دارد زیQQراهمراه باشد. افزایش دبی باعث کاهش الیQQه مQQرزی حQQرارتی و کQاهش مقQQاومت موجQQود در سQQطح غشاء می شود و چون میزان پالریزاسیون دمایی که مهمترین عامQQل در کQQاهش شQQار

65

در فرایند تقطیر غشایی می باشد، بعلت کاهش اختالف دمای بین سطح غشاء و توده بنابراین بهینه.خوراک، کاهش می یابد و شار افزایش بیشتری از خود نشان می دهد

سازی دمای خQQوراک در این فراینQQد راه مQQوثری بQQرای افQQزایش نQQرخ جریQQان تراوشQQیخواهد بود.

در این فرایند، به موجب فشار خالء که روی سمت جریان تراوشQQی اسQQت، دمQQای این سمت با دمای اندازه گیری شده در ورودی حفره غشا در سمت خوراک یکسان است و انتقال گرمای هدایتی در این روش نسبت به سایر روشQQهای تقطQQیر غشQQایی بسQQیار ناچیز است. در دماهای باالی خQQوراک پدیQQده پالریزاسQQیون دمQQایی اتفQQاق می افتQQد. در نتیجه بایستی شدت جریان محلول نیز باال باشد تا مقاومت پالریزاسیون دمایی و الیQQه مرزی انتقال جرم و حرارت کاهش یابد. از این رو مسQQیر انتقQQال بخQQار از میQQان غشQQا کاهش یافته و نرخ تراوش کننده افزایش می یابQQد. در حQQالت کلی باتوجQQه بQQه اختالف نقطه جوش زیاد آب و اتیلن گلیکول افزایش دما به منظور باال بQQردن بQQازدهی فراینQQد منطقی به نظر می رسد البته در دماهای بسیار باال ممکن است بخQQار عبQQوری شQQامل

PTFEدرصد بیشتری از اتیلن گلیکول باشد. با توجه به نمودارها در دماهای باال غشای عمل میPPکه از مقاومت حرارتی باال و آبگریزی باال برخوردار است بهتر از غشایی

کند.

53 04 54 05 55 06 560

5

01

51

02

52

03

53

3716.9

802.71

3.23

2.6

46.9

94.02

snaeM rof tolP stceffE niaM

PP

EFTP

)C˚(T

)rh.

2m/g

k(xu

lF ta

emre

P

66

53 04 54 05 55 06 565

01

51

02

52

03

53

74.71

60.42

94.92

87.21

44.71

16.52

soi tar NS rof tolP stceffE niaM

PP

EFTP

)C˚(T

)rh.

2m/g

k( x

ulF

taem

reP

آنها.SN و نسبت PTFEوPP: مقایسه تاثیر پارامتر دما روی شار غشای 13-4نمودار

(چگونگی اثرگذاری فشار خالء روی نرخ جریان تراوشی:4-2

نیرومحرکQQه فراینQQد تقطQQیر غشQQایی اختالف فشQQار بخQQار بین دوسQQمت غشاسQQت. این اختالف فشار می توانQد از طریQق اختالف دمQا یQا بکQQار بQردن خال در سQQمت محصQول مدول غشایی ایجاد شود. در مQQورد اثQQر اختالف فشQQار نمی تQQوان گفت کQQه در تمQQامی ساختارهای تقطQQیر غشQQایی بQQا افQQزایش اختالف فشQQار بخQQار در دو سQQمت غشQQاء یQQک افزایش خطی در شار محصول مشاهده می شQQود. در تقطQQیر غشQQایی خالء عالوه بQQر شار نرخ تراوشی، فشار هیدرواستاتیک دو سمت غشاء نیز با کاهش فشار خال اعمال شده افزایش یافته و احتمال تر شدن حفرات غشاء بسیار باال خواهد بود. با این حال، زمانیکه یک تQQرکیب فQرار آلی در خQوراک حضQQور داشQQته باشQQد، اثQر کQاهش فشQار در

تقطیر غشایی خالء، همراه با افزایش شار جریان تراوشی خواهد بود.

افزایش نیرومحرکه از این طریق باعث کاهش مقQQاومت انتقQQال جQQرم می شQQود زیQQرا مکانیسمهای انتقال برای انتقال جرم از میان غشا معموال بر مبنای نفQQوذ نودسQQن می باشند. اثر وجود هوا در حفره های غشQQا بQQه روی نفQQوذ بخQQار آب می توانQQد در فراینQQد تقطیر غشایی خالء ناچیز تلقی شQQود. همچQQنین فشQQار پQQایینی کQQه اعمQQال می شQQود از تشکیل الیQQه مQQرزی روی سQQمت پQQرمیت جلوگQQیری می کنQQد بنQQابراین این مقQQاومت در مقایسه با سایر فرایندهای غشایی می تواند صرف نظر شود. در مQQورد محلQQول آب و اتیلن گلیکول می توان گفت در غلظت های باالی اتیلن گلیکول امکان ترشQQدگی غشQQا در اثر اعمال فشار خالء بیشتر خواهد بود بنQQابراین در اینجQQا نQQیز شQQدت جریQQان بQQاال و ایجQQاد جریQQان درهم می توانQQد مQQدت زمQQان گQQرفتگی غشQQا و نQQرخ جریQQان تراوشQQی را

67

به دلیل مقQQاومت مکQQانیکی بQQاالی خQQودPTFEافزایش دهد. با توجه به نمودار غشای کمتر از تغییرات فشار خالء تاثیر می پذیرد.PPنسبت به غشای

02 03 04 05 06 07 08 09 001 0110

5

01

51

02

52

03

53.4292.32

84.11

81.71

71.31

89.5

snaeM rof tolP stceffE niaM

PP

EFTP

)rabm(P

)rh.

2m/g

k( x

ulF

taem

reP

02 03 04 05 06 07 08 09 001 01101

21

41

61

81

02

22

42

62

82

03

46.72

64.32

39.91

95.42

46.71

6.31

soi tar NS rof tolP stceffE niaM

PP

EFTP

)rabm(P

)rh.

2m/g

k( x

ulF

taem

reP

68

وPTFEوPP: مقایسه تاثیر پارامتر فشار خالء روی شار محصول غشای 14-4نمودار آنها.SNنسبت

(چگونگی تاثیر شدت جریان خوراک روی نرخ جریان تراوشی:4-3

اثر مشخص افزایش شدت جریان خوراک افزایش ضQQریب انتقQQال حQQرارت در سQQمت خوراک مدول غشایی و کاهش اثرات پالریزاسیون دمایی و غلظتی است که در نهایت شار جریان تراوشی را افزایش می دهد. بعضی از مطالعات انجام شده در این زمینه نشان می دهد که شار جریان تراوشی در تقطQQیر غشQQایی بصQQورت خطی بQQا سQQرعت گردش خوراک افزایش می یابد. برای دستیابی به میزان محصQQول بیشQتر بهQتر اسQQت عملیات تحت شرایط جریان درهم انجام شود. این حالت با شQQدت جریانهQQا و سQQرعت هم زدن باال بدست می آید بطوریکه دما در سطح غشا به دمای تQQوده خQQوراک نزدیQQک تQQر شQQده و درنتیجQQه آن اختالف فشQQار بخQQار افQQزایش می یابQQد. بQQا وجQQود آنکQQه در

با افزایش شدت جریان خوراک شار محصول نیزDCMD ، AGMD ،VMDساختارهای افزایش می یابد. همچنین تقریبا در تمامی ساختارهای تقطیر غشایی، افزایش فاکتور جداسازی با افزایش سرعت جریان خQوراک گQزارش شQده کQه در اثQر اختالط بهQتر و

کاهش اثر پالریزاسیون غلظتی می باشد. البته همانطور که می دانیم بین عدد رینولدز و سرعت جریان رابطه خطی وجود دارد در حالیکQQه اختالف فشQQار در طQQول مQQدول غشQQاء تQQابع مرتبQQه دوم از سQQرعت اسQQت. بنQQابراین در افQQزایش شQQدت جریQQان خQQوراک می بایسQQت مQQراقب بQQود تQQا فشQQار هیدرواستاتیک بر روی غشاء از فشار نفوذ خوراک به درون حفرات غشاء کمتر بوده و

در حالت کلی، افزایش دبی باعث افQQزایش نQQرخ جریQQان تراوشQQیغشاء خیس نشود. می باشد.PTFE کمتر از غشای PPمی گردد اما میزان این تغییرات در مورد غشای

69

55 56 57 58 59 501 511 5210

5

01

51

02

52

03

1.81

19.31

1.72

19.01

51.8

82.71

snaeM rof tolP stceffE niaM

PP

EFTP

)rh/l(Q

)rh.

2m/g

k( x

ulF

taem

reP

55 56 57 58 59 501 511 52101

21

41

61

81

02

22

42

62

82

1.52

84.02

44.52

64.02

38.31

45.12

soi tar NS rof tolP stceffE niaM

PP

EFTP

)rh/l(Q

)rh.

2m/g

k( x

ulF

taem

reP

PTFEوPP:مقایسه تاثیر پارامتر شدت جریان به روی شار محصول غشای 15-4نمودار

آنها.SNو نسبت

70

(چگونگی تاثیر غلظت خوراک روی نرخ جریان تراوشی:4-3

تقطیر غشایی می تواند برای تصفیه ی محلولهایی با غلظت باال)برای حل شونده های غیر فرار(، بدون بروز کاهش زیادی در میزان تراوایی که در سایر فراینQQدهای غشQQایی نظیر فرایندهایی با نیروی محرکه فشاری دیده می شQQود مQQورد اسQQتفاده قQQرار گQQیرد. هنگامی که در خوراک اجزای غیر فرار حضور داشته باشQQند شQQار جریQQان تراوشQQی در تمامی سQQاختارهای تقطQQیر غشQQایی کQQاهش می یابQQد. این کQQاهش در نتیجQQه ی کQQاهش فشار بخار جزئی و در پی آن کاهش نیروی محرکه ی فرایند در اثر حضور ترکیب غیر فرار اتفاق می افتد. همچنین پالریزاسیون غلظتی نیز از طریق تشکیل یک الیه مرزی بر روی سطح غشاء که در مجاورت خوراک قرار دارد در کاهش شار نقش دارد. البته تاثیر این عامل در مقایسه بQQا اثQQر پالریزاسQQیون دمQQایی کمQQتر اسQQت. از طQQرف دیگQQر، هنگامی که خوراک حاوی ترکیبات فرار است)مانند الکل ها( اثر افQQزایش غلظت حQQل شونده کامال متفاوت بوده و به خصوصیات ترمودینامیکی ترکیبات و برهمکنش آنها بQQا آب بسQQتگی دارد. بطQQور کلی در این شQQرایط افQQزایش غلظت ترکیبQQات فQQرار مQQوجب

اثQQر غلظت محلQQول خQQوراک روی نQQرخ 9-4افزایش شار محصول خواهد شد. نمودار را نشان می دهد.PTFE و PPتراوش کننده برای غشای

زمانیکه غلظت اتیلن گالیکل افزایش می یابد مطابق با قانون رائولت منجر به کاهش فشار بخار خواهد شد این تقلیل نیرو محرکه باعث کQQاهش شQQار جریQQان تراوشQQی می شود. بدیهی است که غلظت باال و ویسQکوز بQQودن اتیلن گلیکQQول ممکن اسQQت اثQQرات

همانگونQQه کQQه بیQQان شQQد بQQاغیر قابل پیشبینی روی جداسازی بگQQذارد. از سQQوی دیگQQر افزایش غلظت اتیلن گلیکول افزایش پالریزاسیون غلظQQتی را داریم این پدیQQده بQQاعث گQرفتگی سQQطح غشQQاء ، در نتیجQQه کQQاهش نQQرخ تQQراوش می گQردد. در فراینQQد تقطQQیر غشایی خالء از آنجا که میزان اختالف فشار در فصل مشترک معموال نسبت بQQه دیگQQر روشهای تقطیر غشایی بیشتر می باشد در نتیجه احتمال وقوع پدیده تر شدگی غشQQاء توسط مایع)مایع شدن بخQQارات در داخQل غشQاء( نسQبت بQه دیگQر روشQها بیشQتر می باشد. این پدیده بخصوص با افزایش غلظت اتیلن گلیکول و افزایش دما بیشتر اتفQQاق می افتد. بنابراین بکارگیری فرایند تقطیر غشایی به ویQQژه تقظQQیر غشQQایی خالء بQQرای جداسازی اتیلن گلیکول از آب در غلظت های باال از لحاظ اقتصQQادی توجیQQه پQQذیر نمی

باشد.

71

53 04 54 05 55 06 565

01

51

02

52

03

646.62

75.61

19.5116.51

28.01

98.9

snaeM rof tolP stceffE niaM

PP

EFTP

)%tW(C

)rh.

2m/g

k( x

ulF

taem

reP

52 03 53 04 54 05 5551

71

91

12

32

52

72

92

56.62

32.2241.22

56.02

56.7135.71

soi tar NS rof tolP stceffE niaM

PP

EFTP

)%tW(C

)rh.

2m/g

k( x

ulF

taem

reP

وPTFEو PP : مقایسه تاثیر پارامتر غلظت روی شار محصول غشای 16-4نمودار آنها.SNنسبت

72

)C˚(T )rabm(P )%tW(C )rh/l(Q

%0

%01

%02

%03

%04

%05

%06

PP

EFTP

)%P( noi tubirtnoC

)%(t

necr

ep n

oitu

birt

noC

( هریک از پارامترها روی شار جریان تراوشی غشاهای%P: توزیع سهم )4-4نمودار PP و PTFE

(تحلیHHل آمHHاری نتHHایج آزمایشHHها مربHHوط بHHه درصHHد جداسHHازی اتیلن4-3 گلیکول

اسQQتفاده شQQد. از لحQQاظ MINITABمشابه بخش قبل برای تحلیل نتQQایج از نQQرم افQQزار بQQه دلیQQل PTFEفاکتور جداسازی دو غشا تقریبQQا عملکQQرد یکسQQانی دارنQQد امQQا غشQQای

.آبگریزی باال کمی بهتر عمل می کند

:نتایج آماری بدست آمده برای درصد جداسازی4-4جدول)%(SSd.o.fFPپارامتر

PPPTFEPPPTFEPPPTFEPPPTFE

.364.54198(˚Cدما)76

2249.56

40.51

32.65

29

.286.09178(mbarفشار خالء)2

2238.936.31

25.63

26.02

Wtغلظت خوراک)

%)178.6167.

272224.2

834.0

915.624.

43.287.18140(lit/hشدت جریان)

452239.0

428.6

225.7

220.51

73

(:Rتحلیل نمودار مربوط به فاکتور جداسازی اتیلن گلیکول) الف(تاثیر پارامتر دما :

با توجه به نمودارها فاکتور جداسازی به شدت با دما تغییر می کند شQQیب نمQQودار دمQQا ابتدا افزایش یافته و سپس از شیب آن کاسته می شود کQQه می تQQوان آنQQرا بQQه پدیQQده پالریزاسیون دمایی نسبت داد بنابراین با رخداد این پدیQQده نQQیروی محرکQQه کQQه اختالف دما و در نتیجه اختالف فشار بخQQار اسQQت بQQه شQQدت کQQاهش می یابQQد و جداسQQازی بQQه خوبی صQQورت نمی گQQیرد و همین طQQور در دماهQQای بQQاالتر بخشQQی از بخQQارات عبQQوری شامل اتیلن گلیکول نیز می شود. اما در کل هرچه دمای عملیاتی باالتر باشد بQQازدهی

فرایند بیشتر خواهد بود چون شار جریان تراوشی نیز باال خواهد بود.

ب(تاثیر پارامتر فشار خالء: بQQا مشQQاهده نمودارهQQا می بیQQنیم کQQه فQQاکتور جداسQQازی بQQا فشQQار رابطQQه عکس دارد بطوریکه در فشار خالء پایین تر درصد بQQاالیی از جداسQQازی حاصQQل می شQQود کQQه می توان این موضوع را به افزایش نیرومحرکه اختالف فشار بخQQار بQQا کQQاهش فشQQار خالء

کم بQQوده امQQا از این فشQQار بQQه70نسبت داد. با توجه به نمودار شیب نمودار تا فشار 70شدت افزایش می یابد می توان اینگونه تحلیل کرد کQQه نیرومحرکQQه پس از فشQQار

به شدت کاهش می یابد و بخارات محلول شامل کسQQر بیشQQتری از اتیلن گلیکQQول می شود. بطور کلی در فشارهای پایین تر این فرایند نتایج بهتری را ارائQQه می دهQQد چQQون

فشار پایین نرخ جریان تراوشی باالتری را نیز تامین می کند.

ج(تاثیر پارامتر غلظت: با توجه به نمودارها در مورد غلظت خوراک می بینیم که شیب نمودار از غلظت وزنی

از تقریبا ثابت اسQQت کQQه نشQQان دهنQQده عملکQQرد خQQوب غشQQا در این40 تا غلظت 30 در ادامه با افQQزایش غلظت غشQQا توانQQایی خQQود را بQQه دلیQQلناحیه ی غلظتی می باشد

پالریزاسیون غلظت و کاهش نیرومحرکه به شدت از دست می دهد و جداسازی اتیلن گلیکول به شدت کاهش می یابQQد. بنQQابراین بQQه دلیQQل ویسQQکوزیته بQQاالی اتیلن گلیکQQول بایستی از غشاها با حفره های کوچکتر استفاده شود تا از ترشدگی غشا در غلظتهQQای باالتر جلوگیری شود و یا پس از هر مرحله خوراک رقیق سQQازی شQQود و غلظت آن در

تنظیم شود تا مجبور به تعویض یا تمیز کQQردن غشQQا و هزینQQه40 الی 30محدوده بین های مضاعف نشویم.

د(تاثیر پارامتر شدت جریان: با بررسی نمودار درمورد پارامتر شدت جریان می تQQوان گفت بQQا توجQQه بQQه اینکQQه این فQQاکتور تQQاثیر کمی روی نQQرخ جریQQان تراوشQQی دارد بیشQQتر روی تQQاثیر این عامQQل روی فاکتور جداسازی اتیلن گلیکول متمرکQQز می شQQویم. بQQا مشQQاهده نمQQودار می بینم کQQه هرچه شدت جریان باالتر می رود به شدت از فQاکتور جداسQازی کاسQته می شQQود بQه

74

عبارتی هرچه شدت جریQQان بیشQQتر بQQه خQQوراک فرصQQت کمQQتری داده می شQQود تQQا در مجاورت غشای متخلخل قرار گیرد و در اثر این تالطمی کQQه ایجQQاد می شQQود گQQزینش پذیری غشا کاهش می یابد و همین طور بایستی توجه داشت که در شدت جریان های باالتر انرژی باالی برای به جریان درآوردن محلQQول خQQوراک توسQQط پمپ مصQQرف می

شود.

آنها.SNو نسبت PP :تاثیر پارامترهای فرایند روی درصد جداسازی غشای 5-4نمودار

75

SN و نسبت PTFE: تاثیر پارامترهای فرایند روی درصد جداسازی غشای 6-4نمودار آنها.

76

53 04 54 05 55 06 5657

08

58

09

59

001

82.38

84.09

1.49

6.78

579.29

95.59

snaeM rof tolP stceffE niaM

EFTP

PP

)C˚(T

)%(la

vom

eR

PTFE و PP:مقایسه تاثیر دما روی فاکتور جداسازی دو غشای 7-4نمودار

52 53 54 55 56 57 58 59 50187

08

28

48

68

88

09

29

49

69

72.39

17.09

28.38

68.4946.39

66.78

snaeM rof tolP stceffE niaM

EFTP

PP

)rabm(P

)%(la

vom

eR

PTFE و PP :مقایسه تاثیر فشار خالء روی فاکتور جداسازی غشای 8-4نمودار

77

53 04 54 05 55 06 5608

28

48

68

88

09

29

49

69

75.19

34.19

8.48

92.4931.49

47.78

snaeM rof tolP stceffE niaM

EFTPPP

)%tW(C

)%(la

vom

eR

و PP:مقایسه تاثیر پارامتر غلظت خوراک روی فاکتور جداسازی غشای 9-4نمودارPTFE

55 56 57 58 59 501 511 52108

28

48

68

88

09

29

49

69

89

58.49

61.78

97.58

98.59

89.09

3.98

snaeM rof tolP stceffE niaM

EFTP

PP

)rh/l(Q

)%(la

vom

eR

:مقایسه تاثیر پارامتر شدت جریان خوراک روی فاکتور جداسازی غشای10-4نمودارPP و PTFE

78

%56.23

%36.52

%06.51

%27.52

enarbmeM PP

)C˚(T

)rabm(P

)%tw(C

)rh/l(Q

( هریک از پارامترها روی فاکتور جداسازی غشای%P:درصد توزیع سهم )11-4نمودارPP

%00.92

%20.62%34.42

%15.02

enarbmeM EFTP

)C˚(T

)rabm(P

)%tw(C

)rh/l(Q

( هریک از پارامترها روی فاکتور جداسازی غشای%P:درصد توزیع سهم)12-4نمودارPTFE

(آزمایشهای مربوط به تایید نتایج آزمایشهای انجام شده:4-6 برای ارزیابی میزان دقت پیش بیQQنی روش طQQراحی تQQاگوچی در ترکیبهQQای مختلQQف از

تQQرکیب ارائQQه9سطوح و پارامترها ) دما ، فشار خالء، شدت جریان، غلظت(، به جزء ، سه ترکیب تصادفی از عوامل فوق برای هریک از غشاها انتخاب3-3شده در جدول

79

بQQار آزمQQایش انجQQام2شد و شش آزمایش تایید کننده صورت گQQرفت )در هQQر تQQرکیب آمده است.5-4شد( که نتایج آنها در جدول

:مقایسه نتایج آزمایش های تاییدکننده با پیش بینی روش تاگوچی برای5-4جدول.PTFEو PPغشای

دماعامل(C˚)

فشQQQارخالء

(mbar)

شد ت

جریان(lit/hr)

غلظتخQQQورا

ک(Wt%)

شار(kg/m2.hr)میزان

خطا)%(PPPTFE

متوسط

)تجربی(

حQQQQدسزده

متوسط)تجربی

)

حدسPPPTFEزده

آزمای1ش

40301203013.95

14.8620.8621.276.52

1.96

آزمای2ش

50701204016.84

17.6424.6525.484.75

3.36

آزمای3ش

6010060509.7410.5917.5218.128.72

3.42

درصد9با توجه به جدول باال حداکثر خطای آزمایش در مقایسه با روش تاگوچی برای میزان شار محصول می باشد. در مجموع با در نظر گرفتن نتایج بدست آمده

از لحاظ نرخ تولید محصول وPTFE و PPشرایط بهینه عملیاتی برای هردو غشای ˚Cفاکتور جداسازی برای فرایند جداسازی آب و اتیلن گلیکول عبارت است از: دما

میl/hr 60، شدت جریان خوراک Wt% 30، غلظت خوراک mbar 30 ، فشار خالء 60 به شدت کاهش میl/hr 120باشد. با توجه به اینکه درصد جداسازی در شدت جریان

اندکی از شدتl/hr 60یابد و با توجه به اینکه نرخ تولید محصول در شدت جریان ،بازدهی فرایندl/hr 60 کمتر است بنابراین با انتخاب شدت جریان l/hr 120جریان

حداکثر خواهد بود.

جمع بندی و پیشنهادات داده ها حاکی از آن است که در اکثر موارد تقطیر غشایی خالء،اتیلن گلیکول را تقریبا بطور کامل دفع کرده است. در غلظتهای باال بعلت زیاد شدن مقدار اتیلن گلیکQQول در خوراک و در تماس بQQودن مQQیزان بیشQQتری از آن بQQا غشQQاء مQQیزان ناخالصQQی محصQQول افQQزایش یافتQQه اسQQت. همچQQنین در دماهQQای بQQاال بعلت تبخQQیر جQQزئی ایتلن گلیکQQول و افزایش آن در فاز بخار مقدار کمی از بخارات این ماده از غشاء عبور کرده است اما بطور کلی غلظت، اتیلن گلیکول در محلول همواره چند درصد وزنی بوده و غالبا قابل

صرفنظر کردن است و می توان گفت جداسازی با موفقیت انجام شده است.

80

پیشنهادات: باتوجه به روند رو به رشد کاربرد فرایندهای غشایی پیشنهادات ذیل در این زمینه

ارائه می گردد:

در غلظتهای پایین اتیلن گلیکول عملکرد بسیار خوبی ازء-فرایند تقطیر غشایی خال1خود نشان می دهد.

برای جداسازیSGMD و AGMD-بایستی روشهای دیگر فرایند تقطیر غشایی مانند 2اتیلن گلیکول از آب، استفاده شود.

-با توجه به هزینه بر و زمان بر بودن انجام آزمایشها ، بهتر است از مدلسازی برای3 بررسی رفتار غشاء استفاده شود و در صورتیکه نتایج مدلسازی رضایت بخش بود،

آزمایش انجام گیرد. -فرایند تقطیر غشایی خالء به شدت به وجود ذرات ریز موجود در محلول حساس4

بوده و روی انتخابپذیری غشا تاثیر می گذارد بنابراین برای تغلیظ مایعات خنک کننده بایستی یک مرحله پیش تصفیه به منظور جداسازی ذرات ریز فلزات و سایر ذرات

جامد صورت پذیرد. -به دلیل حساسیت باالی این فرایند به فاکتور دما و فشار خالء برای کنترل و تنظیم5

این فاکتورها بایستی از سیستم کنترلی دقیق تری استفاده شود.

منابع و ماخذ[1'.]http://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_glycol

[2.]Glycol Application GE Instructors Water& Process Technology,Http://WWW.gewater.com/library/tp/833-what-is.jsp

[3.]Antifreeze Recycling Environmental Practices for Auto Rapair and Fleet Maintenance

,Department of Toxic Substances Control,November 2001,www.dtsc.ca.gov/PollutionPrevntion/VSR/vsrfactsheets/Antifreeze-recycling02.pdf

81

[4.]W.Jehle Th.Staneff, B.Wagner, J.Steinwandel, Separation of glycol and water from coolant liguids by evaporation, reverse osmosis and pervaporation,Journal of Membrane Science 102)1995( 9-19

[5.]Storm Water Technology Fact Sheet,Airplane Deicing Fluid Recovery Systems,U.S.A,

EPA,Office of Water,Washington D.C., September 1999.www.epa.gov/owm/mtp/airplnde.pdf

[6.]Mc.Cabe ,W.L,Smith , J.C., "Unit Operation Of Chemical Engineering "4th Edition ,1985

[7.]H.David Bowes,Erie, Pa ,multiple pressure distillation, U.S.patent,5162081.

[8 ]Khayet Mohamed 'Membrane and Theorical Modeling of Membrane Distillation:A review',Journal of membrane science,164)2011( 56-88

[9]M.Khayet, "Introduction to Membrane Distillation", Chapter 1 of Membrane Distillation Book,)2011(

[10 ]Abdullah Alkhudhiri,Naif Darwish , Nidal Hilal,"Membrane Distillation: A comprehensive review"Journal of membrane science,)2011(

[11 ]E.El-Zanati ,K.M.El-Khatib,"Integrated membrane based desalination

system",Desalination,Volume 205,pp.15-35,2007.

[12.]E.Curcio, E.Drioli"Membrane Distillation and related Operation – A review"Separation and

Purification Technology,Volume 34,pp.35-86,2005.

[13 ]L.Martinez- Diez , M.I Vazcuez-Gonzalez,"Temperature and Concentration Polarization in Membrane Distillation of Aqueous Salt Solution",Journal of membrane Science,Volume 156,pp 265-273,1999.

[14 ]K.W.Lawson, D.R.Liyod, "Membrane Didtillation",Journal of membrane

science,Volume124,pp1-25,1997.

[15.]M.Khayet, K.Matssura,"Economics,Energy Analysis and Costs Evalution in MD", Chapte 15

,Membrane Distillation Book,)2011(.

[16 ]M.Khayet, K.Matssura,"Future Direction in Membrane Distillation"

82

Chapter 16, Membrane Distillation Book,)2011(.

[17.]T.Mohammadi, M.Akbbarabadi, Separation of ethylene glycol solution by vacuum membrane distillation)VMD(,Desalination 181)2005(35-41

[18.]M.S. El-Bourawi, Z.Ding ,R.Ma, M.Khayet,"A framework for better understanding membrane distillation separation process", Journal of Membrane Science,Volume 285.pp.4-29,2006.

83

ABSTRACT

In the present pepar the feasibility of using vacuum membrane distillation for the consentration of ethylene glycol from used coolant liquids is analyzed. Membrane distillation experiments were performed with water-ethylene glycol mixture, using a tangential flow cell, various membranes and different temperature. The process simply consists of a flat sheet hydrophobic micro porous PP and PTFE membranes and vacuum pump with condenser for the water recovery or trap. effects of operating parameters on the yield of consentration of ethylene glycol were studied. four parameters at three levels were selected: temperature)40, 50 and 60 ℃(, vacuum pressure)30,70 and 100 mbar( , flow rate )60,90 and 120 lit/h(, consentration )30,40 and 50 wt%(.taguchi method was used to plan a minimum number of experiments. The optimal levels thus determined for the four factors were: temperature 60 ℃, vacuum pressure 30 mbar, flow rate 30 lit/h, concentration 30 Wt%. The results show that increasing temperature and decreasing vacuum pressure improve premeat flux. The permeat flux was strongly affected by the feed inlet temperature. Fouling effects, temperature and consentration polarization, membranes used, energy consumption, system application and configuration, and very approximate cost estimates are presented.

84

ISLAMIC AZAD UNIVERSITYTEHRAN SOUTH BRANCH

FACULTY OF GRADUATE STUDIES

DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING“M.Sc” THESIS

SUBJECT:Experimental Studying for Separation Ethylene Glycol of

Wastewater by Membrane Distillation Process

THESIS ADVISOR:Prof.T.Mohammadi

CONSULTING ADVISOR:Dr.S.N.Ashrafi zadeh

BY:Morteza Taghipour

January 2012

85

86