—c668

2-10)آنالیز و تخمین انرژی مصرفی در فرایند تقطیر غشایی 45
2-11)زمینه های که در تقطیر غشایی کم کار شده 50
2-12)چشم اندازی بر آینده ی تقطیر غشایی 51 فصل سوم :مواد و روشهای انجام آزمایشات 3-1)سیستم آزمایشگاهی 54
3-2)تجهیزات مورد استفاده در فرایند تقطیر غشای خلاء 56
3-3)طراحی آزمایش ها 58
3-4)پارامترهای موثر در فرایند تقطیر غشایی 61
3-5)طراحی آزمایش به وسیله ی نرم افزار MINITAB 63
فصل چهارم :نتایج آزمایشها و بحث 4-1)نتایج حاصل از آزمایش ها 64 4-2)تحلیل آماری نتایج آزمایشگاهی مربوط به شار محصول 66
4-3) بررسی تاثیر هریک از پارامترهای فرایندی به روی شار جریان تراوشی 69
4-4) تحلیل آماری نتایج آزمایشها مربوط به درصد جداسازی(R) اتیلن گلیکول 77
4-5) تحلیل نمودار مربوط به فاکتور جداسازی اتیلن گلیکول 78
4-6)آزمایشها مربوط به تایید نتایج آزمایشهای انجام شده 84
نتیجه‌گیری و پیشنهادات 85
منابع و ماخذ 86
فهرست جدول ها
عنوان شماره صفحه

1-1)مشخصات شیمیایی و فیزیکی اتیلن گلیکول و آب 4
2-1)مشخصات غشاهای تخت تجاری در فرایند تقطیر غشایی 25 2-2)مشخصات غشاهای موئینه و الیاف توخالی در فرایند تقطیر غشایی 26 2-3)شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای تجاری صفحه تخت 27 2-4)شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای تجاری موئینه والیاف توخالی 28 2-5)شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای صفحه تخت مختلف ساخته شده 30 2-6)شار نفوذی گزارش شده مربوط به غشاهای الیاف توخالی مختلف ساخته شده 31 2-7)انرژی مصرف شده در سیستمهای مختلف تقطیر غشایی 47
2-8)تخمین هزینه ی تولید آب برای سیستمهای مختلف تقطیر غشایی 49
3-1)مشخصات غشاهای مورد استفاده 56
3-2)فاکتورهای قابل کنترل و سطوح انتخابی 68
3-3)ماتریس آرایه ی L9 69
4-1)نتایج بدست آمده برای غشای پلی پروپیلن(PP) 70
4-2)نتایج بدست آمده برای غشای PTFE 71
4-3)نتایج آماری بدست آمده برای شار محصول 72
4-4)نتایج آماری بدست آمده برای فاکتور جداسازی 75
4-5)مقایسه نتایج آزمایش ها تایید کننده با پیش بینی روش تاگوچی 90
فهرست نمودارها
عنوان شماره صفحه

1-1)منحنی انجماد محلول آبی اتیلن گلیکول 7
1-2) فشار بخار محلولهای آبی اتیلن گلیکول در دماهای مختلف 8
2-1)نرخ رشد تحقیقات در زمینه MD به شکل تعداد مقالات سالانه منتشر شده 14
2-2) تعداد مقالات منتشر شده در زمینه ی مطالعات تجربی و مدلسازی روی MD 15
2-3) روند رشد تعداد مقالات منتشر شده در زمینه ی ساخت غشای MD 16
3-1)مراحل انجام آزمایش با استفاده از روش تاگوچی 64
4-1)تغییرات شار با زمان برای غشای PP و PTFE 71
4-2)تاثیر پارامترهای فرایند به روی شار محصول غشای PP و نسبت SN آنها 73
4-3)تاثیر پارامترهای فرایند به روی شار محصول غشای PTFE و نسبت SN
4-4)درصد توزیع سهم هریک از پارامترها روی شار تراوش کننده ی غشا 74
75
4-5)تاثیر پارامترهای فرایند روی فاکتور جداسازی غشاء PP و نسبت SN 77
4-6)تاثیر پارامترهای فرایند روی فاکتور جداسازی غشاء PTFE و نسبت SN 78
4-7)مقایسه تاثیر دما روی فاکتور جداسازی دو غشای PP و PTFE 79
4-8)مقایسه تاثیر فشار روی فاکتور جداسازی دو غشای PP و PTFE 79
4-9)مقایسه تاثیر پارامتر غلظت خوراک روی فاکتور جداسازی دو غشای PP و PTFE 80
4-10) مقایسه تاثیر پارامتر شدت جریان روی فاکتور جداسازی دو غشای PP و PTFE 80
4-11)توزیع سهم هریک از پارامترها روی فاکتور جداسازی غشای PP 81
4-12) توزیع سهم هریک از پارامترها روی فاکتور جداسازی غشای PTFE 81
4-13)مقایسه ی تاثیر پارامتر دما روی شار غشای PP و PTFE و نسبت SN 83
4-14) مقایسه ی تاثیر پارامتر فشار خلاء روی شار غشای PP و PTFE و نسبت SN 85
4-15) مقایسه ی تاثیر پارامتر شدت جریان روی شار غشای PP و PTFE و نسبت SN 87
4-16) مقایسه ی تاثیر پارامتر غلظت خوراک روی شار غشای PP و PTFE و نسبت SN 89
فهرست شکل‌ها
عنوان شماره صفحه

2-1)گونه های مختلف فرایند جداسازی تقطیر غشایی 17 2-2)تصویر SEM از سطح بالایی(a) و سطح مقطع (b) غشاهای صفحه تخت 32 2-3)مکانیزم های مختلف انتقال در مدل Dudty Gas 38 2-4)انتقال گرما در فرایند تقطیر غشایی 41 2-5)شماتیک فرایند عملیاتی MD همراه با بازیابی گرما به وسیله ی مبدل حرارتی 46 3-1)شماتیک فرایند تقطیر غشایی خلاء 55
چکیده:
در این پایان نامه امکان استفاده از تقطیر غشایی خلاء برای تغلیظ اتیلن گلیکول به عنوان یک مایع خنک کننده با ارزش بررسی شده است. آزمایشهای تقطیر غشایی با یک مخلوط آب - اتیلن گلیکول و با استفاده از یک سلول جریان مماسی و غشاهای مختلف و در شرایط عملیاتی متفاوت انجام شد. این فرایند با 2 غشای صفحه تخت آبگریز میکرو متخلخل PP و PTFE و با استفاده از پمپ خلاء و کندانسور برای بازیابی و جمع آوری بخار آب ، صورت پذیرفت. اثر پارامترهای عملیاتی گوناگون روی بازده تغلیظ اتیلن گلیکول مورد مطالعه قرار گرفت. 4 پارامتر در 3 سطح انتخاب شدند که عبارتند از : دما(40 ،50 و 60 ℃)، فشار پایین دست(خلاء)(30 ،70 و 100 mbar)، دبی جریان(60 ،90 و 120 lit/h)، غلظت(30، 40 و50 wt%). روش تاگوچی به منظور حداقل کردن تعداد آزمایشها استفاده شد. نتایج نشان می دهد که افزایش دما و کاهش فشار خلاء شار پرمیت را بهبود می بخشد. شار پرمیت به شدت از دمای خوراک ورودی اثر می پذیرد. در شرایط دما 60 ℃ و فشار خلاء 30 mbar و غلظت 30 wt% و دبی خوراک 60 l/h، شار تولیدی پرمیت به حداکثر مقدار خود می رسد.

مقدمه :
امروزه قوانین محیط زیستی محدودیت های زیادی را برای صنایع به وجود آورده است تا آنجا که عمده ی هزینه ها در طراحی های جدید کارخانجات، در نظر گرفتن اینگونه قوانین و ایجاد صنعت پاک و بدون آلاینده می باشد. لذا در دهه های اخیر به شدت به روی تصفیه پسابها و ضایعات حاصل از صنایع تاکید شده است. به جهت تنوع محصولات حاصل از نفت و صنایع مرتبط، محدوده وسیعی از پسابها و ضایعات با درصد آلایندگی گوناگون تولید می شوند و از طرفی از آنجا که نفت و گاز جزء منابع تجدید ناپذیر به حساب می آیند لذا کوشش در مصرف بهینه و صحیح این منابع در اکثر کشورها به شدت مورد توجه قرار گرفته است. یکی از راههای ذخیره کردن و استفاده صحیح ، بازیابی و تصفیه پسابهای صنایع می باشد. امروزه تکنولوژی بازیافت و تصفیه پسابها هم بعلت کمک به کاهش آلودگی محیط زیستی و هم حفظ منابع ملی به سرعت رو به رشد می باشد و روش های جدید و پربازده ی در این زمینه ابداع شده است. متاسفانه در کشورهایی که دارای منابع نفت و گاز هستند به این موضوع توجه خاصی نمی گردد و فقط این مسائل مورد توجه مجامع علمی و دانشگاهی قرار گرفته است.
اتیلن گلیکول یکی از محصولات با ارزش می باشد، کاربرد وسیع این ماده به خصوص در تهیه ضدیخ و سیستمهای خنک کننده آنرا جزء مهمترین محصولات صنایع پتروشیمی قرار داده است. به تبع کاربرد فراوان آن در صنعت ، ضایعات حاوی اتیلن گلیکول که همراه با مقدار زیادی آب می باشند نیز به وفور وجود دارد. میزان قابل توجهی از این پسابها سالانه تولید می شود، لذا بازیابی این ماده و جدا کردن آب از آن می تواند بسیار سودمند و مفید باشد.
از طرفی در واکنش تولید اتیلن گلیکول مقدار زیادی آب به منظور افزایش تولید محصول اصلی اتیلن گلیکول و کاهش تولید محصولات جانبی به واکنش اضافه می شود. هنگامیکه نسبت مولی آب به اکسید اتیلن 1:22 باشد، بیشترین مقدار اتیلن گلیکول و مقدار زیادی آب تولید می شود. بنابراین محصول حاوی مقدار زیادی 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 کاربردهای این ماده و سپس به روش هایی که تاکنون برای بازیابی و تغلیظ آن به کار رفته است پرداخته شود.سرانجام،هدف این پروژه مطالعه آزمایشگاهی جداسازی و تغلیظ کامل(تقریبا 99%) اتیلن گلیکول از محلول آبی آن توسط تکنولوژی و فرایند تقطیر غشایی می باشد.

فصل اول
اتیلن گلیکول ،کاربردها و روشهای تصفیه
1-1)مقدمه :
اتیلن گلیکول (مونو اتیلن گلیکول1) با نام آیوپاک اتان 1و2 – دیول یک الکل با دو گروه عاملی می باشد.اتیلن گلیکول ماده ی شیمیایی است که به سبب پایین بودن نقطه انجماد و بالا بودن نقطه جوش به طور گسترده در خنک کننده ها و به عنوان ضدیخ و ضد جوش در وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد.در حالت خالص، مایعی بی رنگ، لزج ،با مزه ی شیرین می باشد.جرم ملکولی 62.068 ،چگالی 1.1132 g/cm3 ،نقطه جوش 197.5 ℃و دارای فراریت کمی می باشد.فشار بخار آن در 25 ℃در حدود 12.25 Pa می باشد.اتیلن گلیکول سالهاست به دلیل صدماتی که به سیستم عصبی و کلیه ها می رساند در زمره مواد سمی شناخته شده است.
این ماده برای اولین بار در سال 1859 به وسیله شیمیدان فرانسوی چارلز ورتز2 تهیه شد و در میزان کم در زمان جنگ جهانی اول به عنوان سیال خنک کننده و بخشی از آن در تولید مواد منفجره مورد استفاده قرار گرفت.تولید انبوه صنعتی این ماده در سال 1927 وقتی که ماده ی اولیه آن یعنی اکسید اتیلن به راحتی و ارزان در دسترس سازندگان قرار گرفت،آغاز شد.این ماده وقتی برای اولین بار معرفی شد انقلابی هرچند کوچک در صنعت هواپیمایی خلق کرد هنگامیکه به جای آب به عنوان خنک کننده در رادیاتور ها استفاده شد،این ماده به دلیل بالا بودن نقطه جوش خود این امکان را فراهم کرد که رادیاتورهای کوچکتر در حرارتهای بالاتر هم کار کنند.قبل از تولید این ماده اکثر سازندگان هواپیماها از سیستمهای خنک کننده تبخیری که از آب با فشار بالا استفاده می کردند ،بهره می جستند بطوریکه این سیستمها غیر قابل اعتماد و در عملیات جنگی به آسانی آسیب پذیر بودند چرا که این سیستم فضای زیادی را در اتاق هواپیما اشغال می کرد و به راحتی می توانست مورد اصابت گلوله قرار گیرد.[1]

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

جدول1: مشخصات شیمیایی و فیزیکی اتیلن گلیکول و آب

1-2) روش تولید :
هیدرولیز اکسید اتیلن متداولترین روش تولید EG می باشد.اکسید اتیلن با آب طبق معادله زیر واکنش می دهد :
C2H4O + H2O HOCH2CH2OH
این واکنش به وسیله کاتالیزور اسید یا باز تسریع می شود و یا در pH خنثی با افزایش دما انجام می گردد. جریان خوراک حاوی اکسید اتیلن (حاصل از اکسیداسیون مستقیم اتیلن) و آب می باشد. مخلوط تحت فشار و در دمای 100 ℃ که در انتهای واکنش به 170℃ می رسد به داخل راکتور فرستاده می شود. مقداری 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 منظور افزایش مقدار اتیلن گلیکول در محصولات و کاهش دی اتیلن گلیکول و تری اتیلن گلیکول افزوده می شود. هنگامیکه نسبت مولی آب به اکسید اتیلن 22 به 1 باشد ، بیشترین مقدار اتیلن گلیکول و 68% وزنی آب تولید می شود.بنابراین محصول حاوی مقدار زیادی آب می باشد که بایستی جدا گردد. محلول گلیکول خام در چند تبخیرکننده تغلیظ می شود و جداسازی نهایی به وسیله تقطیر انجام می شود.[1]
1-3)کاربردهای اتیلن گلیکول:
1-3-1)ضدیخ و خنک کننده
بیشترین کاربرد اتیلن گلیکول در تولید مایع ضدیخ1 و خنک کننده2 است. محصولات بر پایه گلیکول به مدت چندین سال برای کاهش دمای یخ زدن و افزایش نقطه جوش خنک کننده موتور مورد استفاده قرار می گیرند. مواد افزودنی به گلیکول ، مانع خوردگی در سیستم خنک کننده می شوند. امروزه عمده ی ضد یخها بر مبنای اتیلن گلیکول می باشند اما محصولات پروپیلن گلیکول3(PG) نیز در حال رشد می باشند. محصولات EG ارزانتر از PG بوده و در مقابل سمیت محصولات EG بیشتر از PG می باشد. اما هنوز EG جزء اصلی همه ی ضدیخها می باشد.
بدون توجه به نوع گلیکول مصرفی ، خنک کننده موتور چهار کار مهم را انجام می دهد. این موارد انتقال حرارت ، کاهش دمای یخ زدن ، افزایش دمای جوش و بالاخره جلوگیری از خوردگی می باشد. آب گرما را به خوبی هدایت می کند اما گلیکولها هدایت خوبی ندارند در نتیجه وقتی که غلظت گلیکول افزایش می یابد ضریب انتقال حرارت مخلوط کاهش می یابد. به منظور بهینه کردن انتقال حرارت ، موتورهای پیشرفته امروزی طوری طراحی می شوند که با مخلوطی در محدوده 40 به 60 تا 60 به 40 حجمی از آب و اتیلن گلیکول کار کنند. کیفیت آب مورد استفاده در ساخت خنک کننده به منظور اطمینان از کارکرد طولانی سیستم خنک کننده و موتور آب مقطر و یا آب دی یونیزه شده پیشنهاد می گردد.
1-3-2)سیال یخ زدای هواپیما4
اتیلن گلیکول به عنوان سیال یخ زدای هواپیما در فصول سرد به داخل موتور و بالها و بدنه هواپیما پاشیده می شود. این سیال به طور متداول حاوی 10 الی 50 درصد EG (مونو اتیلن گلیکول)، مواد فعال کننده سطحی و دیگر افزودنیها شیمیایی می باشد. البته حجم زیادی از پسابهای این ماده مشکل زیادی را برای فرودگاهها ایجاد می کند.

1.Antifreeze liquid 3.Propylene Glycol
2.Coolant 4.Airplan Deicing Fluid

1-3-3)پرداخت فلزات1
عملیات پرداخت فلزات در مقیاس بزرگ مانند ساختن هواپیما به عمل خنک کاری بخشهای گرم فلز به وسیله این سیال انجام می شود. سیالات خنک کننده اکثرا حاوی تقریبا 50% پلی اتیلن گلیکول،پلی آلکیل گلیکول یا اکسی پلی گلیکولها به همراه مقادیری از مواد مانع خوردگی در حدود چند ppm می باشند.
1-3-4)سایر کاربردهای اتیلن گلیکول
اتیلن گلیکول در صنعت پلاستیک برای تولید الیاف پلی استر،رزین ها و همچنین پلی اتیلن ترفتالات ، که برای ساخت بطری های پلاستیکی نوشیدنی های غیر الکلی استفاده می شود.
بالا بودن نقطه جوش اتیلن گلیکول و تمایل ترکیب با آب ، آن را یک خشک کن ایده آل برای بهره برداری از گاز طبیعی می سازد. در این مورد معمولا بخار آب اضافی با جذب توسط گلیکول2 برداشته می شود. اتیلن گلیکول از بالا به پایین برج جاری شده و با مخلوط بخار آب و گاز هیدروکربن که از کف چاه بالا می آیند برخورد می کند گلیکول به طور شیمیایی بخار آب را جذب کرده و اجازه می دهد که گاز خشک شده از بالای برج خارج شود سپس گلیکول و آب از یکدیگر جدا شده و گلیکول مجددا به برج برگشت داده می شود. بعلاوه مقدار تزریق مونو اتیلن گلیکول برای جلوگیری از تشکیل هیدرات ها بسیار پایین تر از مصرف دی اتیلن گلیکول در سیکل جذب آب از گاز است[2].
1-4)خطرات صنعتی
اتیلن گلیکول در دمای 230 تا 250 ℉(110-121℃) می تواند شروع به شکستن کند. بایستی توجه کرد که شکستن می تواند وقتی که دمای کل سیستم زیر این حد است هم اتفاق بیافتد ، زیرا درجه حرارت سطحی در مبدل های حرارتی و دیگ بخار می تواند در برخی بخشها حتی بالای دمای فوق باشد.
مسموم کنندگی به عنوان خطر محیط زیستی اصلی اتیلن گلیکول در نتیجه استفاده بیش حد آن می باشد . به دلیل مزه شیرین آن گاهی اوقات بچه ها و حیوانات مقدار زیادی از آن را مصرف می کنند در کشورهای پیشرفته معمولا یک ماده تلخ کننده بنام دناتونیم-بنزوات3 برای تغییر مزه اتیلن گلیکول به آن اضافه می شود[3].

1.Metal Finishing 2.Dehydration
3.Denatonium Benzoate

نمودار 1 : منحنی انجماد محلول آبی اتیلن گلیکول

نمودار 2 : فشار بخار محلولهای آبی اتیلن گلیکول در دماهای مختلف
1-5)منطق بازیابی اتیلن گلیکول
چند دلیل برای بازیابی خنک کننده های مصرف شده وجود دارد. اول اینکه طبق قوانین محیط زیستی اگرچه اتیلن گلیکول به صورت بیولوژیکی قابل تجزیه می باشد 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 قرار داده است ، لذا دفع آن به محیط و سیستم فاضلاب قبل از تصفیه غیر قانونی می باشد و همچنین به دلیل مقادیر زیاد آب در سیال خنک کننده سوزاندن روشی مناسب نمی باشد. بنابراین در عمل ، فرایند بازیافت گلیکول ، اگر هزینه کمتری نسبت به روشهای دیگر داشته باشد ترجیح داده می شود. در آلمان با وجود قوانین زیست محیطی سفت و سخت نسبت به مصرف مایع خنک کننده استفاده شده ، فقط در حدود 40% مایع خنک کننده استفاده شده برای تصفیه به مراکز بازیافت فرستاده می شود[8].
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. تجربه چنین بازیافتی در تصفیه و بازیابی روغن موتور مصرف شده نتایج خوب و مقرون به صرفه ای را برای صنعت به ارمغان آورده است. البته موضوع بازیابی ضدیخ و خنک کننده ها و محصولات این چنینی هنوز به طور عمده در کشورهای صنعتی مورد توجه قرار نگرفته است و در سالهای اخیر تلاشهای زیادی برای بازیابی اینگونه پسابها انجام نگرفته است[5].
بازیابی گلیکول مصرف شده نیازمند دو فرایند اصلی جداسازی می باشد که تنها مرحله دوم در تغلیظ محصول حاصل از واکنش آب و اکسید اتیلن مشترک می باشد.
1-جداسازی آلاینده ها به منظور تولید یک محصول پایه ی به اندازه کافی خالص از گلیکول و آب برای فرموله کردن دوباره ضدیخ
2-جداسازی آب و گلیکول تا غلظت اتیلن گلیکول در آب خالص برای تخلیه مستقیم به سیستم پساب مناسب گردد.
1-5-1)مرحله اول پیش تصفیه :
پیش تصفیه خنک کننده مصرف شده،نقشی حیاتی در عملکرد سیستمهای نمک زدایی جریانهای پایین دستی دارد. جداسازی ثقلی و فیلتراسیون ذرات معمولا در ابتدای فرایندهای نمک زدایی نصب می شوند. به خاطر پتانسیل بالای گرفتگی ، سیستمهای غشایی در مرحله پیش تصفیه کمتر مورد توجه قرار می گیرند و در فیلتراسیون / سانترفیوژ مواد حل شده از خنک کننده مصرف شده زدوده شده سپس به آن گرما داده می شود و بعضی از ناخالصی ها توسط عمل سانترفیوژ حذف می گردند.
1-5-2)مرحله دوم پیش تصفیه
مرحله دوم پیش تصفیه با استفاده از تکنیکهای جداسازی غشایی انجام می گیرد. تعدادی از سیستمهای بر پایه غشاء نیز ممکن است به منظور پیش تصفیه یا نمک زدایی خنک کننده مصرف شده به کار روند. این موارد را می توان به دو گروه ، نیرومحرکه فشاری و نیرومحرکه الکتریکی تقسیم بندی کرد. فرایندهای غشایی با نیرومحرکه فشار بر پایه اندازه ذرات و روشهای با نیرومحرکه الکتریکی براساس یونهای باردار عمل می کنند.

1-5-3)فرایندهای غشایی با نیرومحرکه فشار
الترافیلتراسیون(UF) : این روش به طور متداول مواد آلی دارای وزن ملکولی بالاتر از 1000 را دفع می کند. در حالیکه یونها و ذرات آلی کوچکتر را از خود عبور می دهد و معمولا این روش با نانوفیلتراسیون ترکیب می شود. UF می تواند ضد یخ روغنی ، کدر و مصرف شده را به منظور تولید محصولی نیمه 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 دسترسی به خواص خنک کننده اصلی تولید کند.
نانوفیلتراسیون(NF) : فرایند NF برای زدایش موثر ملکولهای و یونها با توجه به اندازه آنها در محدوده بین دو فرایند الکتروفیلتراسیون و اسمز معکوس انتخاب مناسبی می باشد. NF از غشاهای با تخلخل بیشتری نسبت به RO بهره می گیرد. این فرایند نمی تواند اجزای کوچکتر و دارای بار کمتر مانند کلرید را نگه داشته یا دفع کند و معمولا قادر به تولید خنک کننده با درجه خلوص کافی در حد خواص خنک کننده اصلی نمی باشد. بعضی از غشاهای NF مشابه غشاهای UF می باشد که درنتیجه می توانند بدون عبور دادن رنگ و یونهای چند والانسی (سخت) و دیگر آلاینده ها در امر تصفیه استفاده شوند.
اسمز معکوس(RO) : در اسمز معکوس آب از درون یک غشا نیمه تراوا از منطقه ای با غلظت بالاتر به درون منطقه ای رقیق تر به وسیله فشاری که بیشتر از فشار اسمزی می باشد رانده می شود. تحت فشار اسمزی نرمال ، آب از طرف رقیق تر به سمت غلیظ تر حرکت می کند. RO به غیر از تعداد کمی اکثر مواد را دفع کرده و درفشار 125 الی 1000 psia عمل می کند. غشاهایی که EG را دفع می کنند جهت تغلیظ گلیکولها برای تصفیه محلولهای مانند سیال یخ زدای فرودگاه ها که به صورت رقیق همراه با آب خارج می شوند، استفاده می شوند.
کاربرد RO در این زمینه عموما وقتی که غلظت EG اولیه در خوراک کمتر از 6% باشد عملی است و برای تغلیظ EG رقیق برای رسیدن به ماکزیمم غلظت حدود 10 الی 12 درصد در فشار عملیاتی 1000 psig مفید می باشد[5]. به منظور بازیابی ضد یخ وسایل نقلیه که بطور متداول در برگیرنده بیش از 20% اتیلن گلیکول می باشد غشاهایی که می توانند EG و یا آب را از خود عبور داده و نمکها و دیگر آلاینده ها را دفع کنند،استفاده می شوند. مشکل ابتدایی برای نیرومحرکه فشاری مانند UF/NF وجود روغنهای تعلیق شده می باشد، روغن روی سطح غشا را پوشانده(گرفتگی) در نتیجه بحث کاهش شدید نرخ تولید می شود. وقتی که گرفتگی اتفاق می افتد سیستم باید خاموش و تمیز گردد که این فرایند زمان بر می باشد.
1-6)فرایندهای مختلف بازیابی اتیلن گلیکول
مطابق با آنچه گفته شد پیش تصفیه برای جداسازی مکانیکی جامدات و مواد با وزن کم که عمدتا شامل فیلتراسیون ذرات و میکروفیلتراسیون یا الترافیلتراسیون برای جلوگیری از کلوخه شدن و کاهش رسوب گرفتگی در مراحل بعدی می شود انجام می گیرد. بعد از پیش تصفیه بایستی آب از اتیلن گلیکول جدا گردد.
فرایند های مختلف مورد بررسی قرار گرفته در جداسازی آب از اتیلن گلیکول شامل فرایندهای متداول تقطیر و تبخیر1 و فرایندهای غشایی، تراوش تبخیری2و تقطیر غشایی3 می گردد. در تبخیر(EV) مایع خنک کننده از 25% تا 70% وزنی گلیکول تغلیظ می گردد. دمای فرایند خیلی پایین تر از دمای سیستم خنک کننده موتور برای جلوگیری از تشکیل نیترو آمینها می تواند نگه داشته شود و آب با غلظت کمی از گلیکول به عنوان محصول بالادستی تولید می شود.
محصول اصلی EV برای تغلیظ بیشتر، خصوصا آب گیری به مرحله ی تراوش تبخیری(PV) فرستاده می شود. جزء عبور نکرده از غشاء تراوش تبخیری مایع گلیکولی با غلظت بالا (96%<) می باشد[8].
1-6-1)کاربرد فرایند تبخیر در جداسازی آب و اتیلن گلیکول
در تبخیر محلول آب و اتیلن گلیکول،محلولی که از ماده حل شده غیر فرار اتیلن گلیکول و حلال فرار آب تشکیل شده است تغلیظ می گردد. با بخار شدن قسمتی از آب، که بر اثر آن محلول غلیظ لیکور به دست می آید، تبخیر انجام می شود. تفاوت آن با تقطیر این است که بخار حاصل از تبخیر معمولا یک جزء تنهاست و حتی وقتی بخار به صورت مخلوط است ، در مرحله تبخیر سعی نمی شود بخار به اجزای تشکیل دهنده اش تفکیک شود[9].
فرایند تبخیر برای رسیدن به غلظت 70% وزنی اتیلن گلیکول مناسب می باشد. برای غلظت خوراک بالاتر از 70% کیفیت محصول بالادست به طور قابل ملاحظه ی به تغییر خصوصیات فاز آب و اتیلن گلیکول می انجامد. از طرف دیگر در فرایند تبخیر در محدوده ی غلظت اتیلن گلیکول بالاتر از 70% انرژی مورد نیاز به میزان چشمگیری با افزایش غلظت خوراک اتیلن گلیکول افزایش می یابد.

1. Evaporation 2.Pervaporation
3.Membrane Distillation
1-6-2)فرایند تقطیر در تغلیظ اتیلن گلیکول
خنک کننده مصرف شده قدیمی در موتور آلودگی هایی دارد که اثرات زیان باری در سیستم خنک کننده موتور به جای می گذارد. بنابراین سازندگان اتومبیل توصیه می کنند که خنک کننده مصرف شده در فاصله زمانی مشخصی جایگزین شود. استفاده 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 گلیکول مصرف شده و جداسازی آب و اتیلن گلیکول تقطیر است. روش تقطیر سیستم چند جزئی اتیلن گلیکول استفاده شده بدین صورت است که آب در یک فشار اولیه تقطیر شده و جزء دیگر (اتیلن گلیکول) در یک فشار ثانویه تقطیر می شود. هر جریان تقطیر شده ای به یک تانک ذخیره سازی جداگانه فرستاده می شود.
خنک کننده مصرف شده شامل دو جزء مهم به نام آب و اتیلن گلیکول می باشد. اجزای باقیمانده تقطیر ، ضد زنگ، نمک، سیلیکات ها، فلزات و دیگر آلودگی های نامطلوب می باشند، که اغلب بخش خیلی زیان آوری از حجم کلی را تشکیل می دهند.
در فرایند تقطیر دو جزء اصلی خنک کننده مصرف شده(آب و اتیلن گلیکول) از یکدیگر و از اجزاء دیگر جدا می شوند. در واقع آب خالص در یک ظرف و اتیلن گلیکول خالص در ظرفی دیگر جمع می شود. این جداسازی دفع قانونی آب با استفاده دوباره آب و استفاده مجدد اتیلن گلیکول را موجب می شود. آلودگی های باقی مانده حجم خیلی کمتری نسبت به مقدار خنک کننده فرآوری شده دارند که این امر دفع باقی مانده را با هزینه ی کمتر امکان پذیر می سازد. هدف این فرایند آب با خلوص 98% از خنک کننده مصرف شده و تولید حجم کمی از پسماند آلوده می باشد. این روش می تواند به طور خودکار اداره گردد. به طور خلاصه، مطابق با این فرایند از یک سیستم ناپیوسته برای جداسازی یک محلول یا مخلوط چند جزئی که شامل یک مایع با فراریت بیشتر، مایع با فراریت کمتر و مواد آلوده کننده جامد یا مایع غیر فرار می شود. مایع با فراریت بیشتر آب و مایع با فراریت کمتر اتیلن گلیکول می باشد[16].
مزایا و معایب فرایند تقطیر
این روش برای بازیافت خنک کننده مصرف شده ذاتا ساده می باشد.
به دلیل بازگشت سریع هزینه های ابتدایی صرف شده برای تجهیزات که نوعا در محدوده شش ماه تا 2 سال می باشد این فرایند ارزش تجاری بالایی دارد.
این فرایند محسنات زیست محیطی قابل توجه ای دارد، چرا که خنک کننده مصرف شده یک ماده مضر می باشد و جدا کردن آب و اتیلن گلیکول از خنک کننده مصرف شده به طور قابل ملاحظه ای حجم ماده ی مضر را کاهش می دهد. اگرچه در این فرایند اتیلن گلیکول به کیفیت قابل استفاده می رسد و اما برای رسیدن به این خلوص انرژی زیادی صرف می شود.
1-6-3)فرایند تراوش تبخیری برای تغلیظ اتیلن گلیکول
فرایند تراوش تبخیری1 در طی سالیان اخیر کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف شیمیایی به عنوان یک فرایند جداسازی به منظور بازیابی مخلوطهای مایع یافته است. این روش در مقایسه با روش های سنتی جداسازی تقطیر و تبخیر دارای مزایایی نظیر انرژی مورد نیاز کمتر ، آلودگی کمتر محیط زیست، کوچک بودن فضای مورد نیاز، سادگی فرایند و ... می باشد. در طی سالهای متمادی تراوش تبخیری بیشتر به عنوان فرایندی به منظور تولید مواد آلی با خلوص بالا جهت آبزدایی مخلوط های آبی – آلی که آزوتروپ تشکیل می دهند نظیر مخلوط آب و اتانل و یا جهت جداسازی مخلوطهایی با نقطه جوش نزدیک مانند مخلوط آب و ایزوپروپانول به کار رفته است، ولیکن در سالهای گذشته استفاده از آن در زمینه جداسازی مخلوط آب و اتیلن گلیکول نیز مورد توجه محققین قرار گرفته است.
غشاء در جداسازی آب و اتیلن گلیکول با فرایند تراوش تبخیری از اهمیت بالایی برخوردار است چرا که غشاء نقش زیادی در گزینش پذیری یا انتخاب پذیری جداسازی دارد و آنچه مهم است کاربرد غشایی است که فلاکس بالا و فاکتور جداسازی بالایی را فراهم آورد.
در تراوش تبخیری عمدتا از غشاهای پلیمری استفاده می شود ،پلیمرهایی مانند پلی وینیل الکل (PVA2)،چیتوسان(CS3) از عمده پلیمر هایی هستند که در فرایند تراوش تبخیری آب و اتیلن گلیکول مورد استفاده قرار گرفته اند.
گروههای آب دوست این غشاءها نقش مهمی در جذب آب و نفوذ از غشاء دارند. تحقیقات مختلف صورت گرفته بر روی این غشاءها نشان دهنده خصوصیات خوب این غشاءها نظیر سهولت تشکیل فیلم، مقاومت شیمیایی و گزینش پذیری بالا برای جداسازی آب می باشد. غشاهای آب دوست پلیمری جزء اولین غشاهایی هستند که 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 داشته است اما این غشاها در دماهای بالا و غلظت بالای آب ناپایدار می باشند، غشای زئولیتی NaA برای غلبه بر مشکلات بالا تنها غشای غیر پلیمری به کار گرفته شده در این زمینه می باشد[29]. زئولیتها آلومینا سیلیکات هیدراته ی هستند که متشکل از ساختار کریستالی همراه با خاصیت غربال ملکولی می باشند، زئولیت همچنین موادی با مقاومت شیمیایی و حرارتی بالا می باشند. اندازه حفرات زئولیت ها در محدوده 9-10 می باشد. از این رو زئولیت به منظور جداسازی ملکولهای آب در PV برای محلول های آبی در دماهای بالا مناسب می باشد.
'Permeate' + 'Evaporation' 'Pervaporation'

1.Pervaporation 2.Poly Venyl Alchol
3.Poly(D-glucosamine)
فصل دوم
فرایند جداسازی تقطیر غشایی
2-1:مقدمه
عمده ی فرایندهای غشایی به صورت هم دما انجام می شود و نیرو محرکه ی آنها فشار هیدرواستاتیک ، غلظت، پتانسیلهای الکتریکی یا شیمیایی می باشد. تقطیر غشایی، یک فرایند غیر هم دماست که بیش از 40 سال است که شناخته شده است اما واقعا هنوز برای صنعتی شدن نیاز به کار و تلاش مداوم دارد. ثبت اختراع این فرایند توسط Bodell در سوم جولای 1963 می باشد و اولین منابع علمی مقاله-منابع تحقیقدر مورد تقطیر غشایی، 4 سال بعد از آن توسط Findly در مجله ی "توسعه مهندسی طراحی فرایندهای شیمیایی و صنعتی" منتشر شد.
عبارت تقطیر غشایی از تشابه این فرایند با تقطیر معمولی (از جمله تقطیرساده و چند مرحله ای) نشات گرفته است که هردویی این فرایند ها برپایه ی تعادل بخار/ 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 به کار می رود که نیرو محرکه ی آن گرادیان فشار جزئی اجزا در دو سمت غشا می باشد که این غشا بایستی متخلخل بوده و بوسیله محلول فرایند خیس نشود بطوریکه تعادل بخار / مایع اجزاء را بهم نزند. این غشا از چگالش درون حفره ها جلوگیری می کند، و تا پایان فرایند بایستی در تماس مستقیم با محلول مایع خوراک گرم مقاومت مکانیکی خوبی داشته باشد.
پتانسیلهای کاربرد MD تولید آب با خلوص بالا، تغلیظ یونی، کلوئیدی و یا سایر محلولهای آبی غیر فرار و حذف آثار مواد آلی فرار (VOCs) از پساب ها می باشد. در کاربردهای گوناگون از جمله نمک زدایی، تصفیه پسابها با دیدگاه محیط زیستی، استفاده مجدد از آب، در صنایع غذایی و صنایع داروسازی و غیره ، تقطیر غشایی می تواند بکارگیری شود. همه این تفاسیر موجب می شود که تقطیر غشایی جذابیت کافی را در مجامع دانشگاهی داشته باشد.
دمای عملیاتی پایین تر از دمای تقطیر غشایی مرسوم، فشار هیدرواستاتیکی عملیاتی پایین تر از فشار فرایند ها با نیروی محرکه فشاری از ویژگی های بارز این فرایند می باشد از جمله فرایندهای نیرو محرکه فشاری عبارتند از (اسمز معکوس1، نانو فیلتراسیون2، اولترافیلتراسیون3، میکروفیلتراسیون4) می باشند که برخلاف آنها در تقطیر غشایی خواص مکانیکی غشا کمتر مورد نظر است و در این فرایند فاکتور بالایی از دفع به ویژه زمانیکه محلولها شامل اجزاء غیر فرار (نمکها، کلوئیدها و غیره) هستند به چشم می خورد. بعلاوه، توانایی استفاده از گرمای اتلافی و منابع انرژی تجدید پذیر سبب می شود تقطیر غشایی درکنار سایر فرایندهای صنعتی انرژی مورد نیاز خود را تامین کند.
اگرچه در سراسر دنیا تقطیر غشایی موضوع تحقیقاتی برای بسیاری از دانشمندان می باشد. از لحاظ تجاری تقطیر غشایی کم توجیه می شود و هنوز به عنوان ابزار کاربردی صنعتی نشده است. موانع عمده در مقابل این فرایند شامل ساخت غشای مخصوص تقطیر غشایی و طراحی مدول آن، تر شدن حفره های غشاء، نرخ جریان کم پرمیت (کاهش شار)، بعلاوه هزینه های انرژی و اقتصاد این فرایند نامشخص می باشند. اخیرا علاقه مندی در زمینه تقطیر غشایی بطور چشمگیری افزایش یافته است. در نمودار 1 تعداد مقالات منتشر شده در زمینه تقطیر غشایی که در مجلات وجود دارد می توان مشاهده نمود.

نمودار1 : نرخ رشد تحقیقات در زمینه MD به صورت تعداد مقالات سالانه منتشر شده
از این رو سزاوار یادآوری است که از میان شکلهای فرایند تقطیر غشایی، بیشترین تحقیق روی روش تقطیر غشایی تماس مستقیم 5بوده، اگرچه گرما در این روش از طریق مکانیسم هدایت از میان غشا انتقال داده می شود با در نظر گرفتن اتلاف گرمای در تقطیر غشایی این روش بیشترین اتلاف را در بین روشهای تقطیر غشایی به خود اختصاص می دهد.

1.Rever Osmosis 2.Nano Filteration 3.Ultra Filteration
4.Micro Filtration 5.Direct Contact Membrane Distillation
بیش از 60% تحقیقات تقطیر غشایی با استفاده از روش تقطیر غشایی تماس مستقیم صورت گرفته است. زیرا در این روش مرحله چگالش جریان تراوشی در داخل مدول انجام می شود و این امر منجر به ساده بودن فرایند می شود. در مقابل روش تقطیر غشایی با گاز حامل1، از میان روش های تقطیر غشایی کمترین سهم را به خود اختصاص می دهد زیرا در آن یک کندانسور خارجی برای جمع آوری جریان تراوشی مورد نیاز است که این امر طراحی سیستم را پیچیده و هزینه آن را بالا می برد. شایان ذکر است که هر روش تقطیر غشایی مزایا و معایبی برای کاربرد خاص خود خواهد داشت.
بیشتر موضوعات مورد توجه در نشریات در نمودار 2 آمده که شامل مدلسازی تئوری تقطیر غشایی و مطالعات آزمایشگاهی بررسی اثر پارامترهای عملیاتی می باشد.44% از تحقیقات در رابطه با مدل های تئوری این فرایند بوده و در حالیکه 14.8% از پژوهش ها روی ساخت غشا برای تقطیر غشایی تمرکز دارند. در مقایسه با سایر فرایندهای جداسازی غشایی از جمله،تراوش تبخیری،اسمز معکوس،نانوفیلتراسیون،اولترافیلتراسیون و جداسازی با گاز تنها تعداد کمی از محققان به امکان ساخت و طراحی غشاهای جدید برای استفاده در تقطیر غشایی توجه دارند. اخیرا تعداد مقالات در زمینه تولید غشاهای مخصوص فرایند تقطیر غشایی طبق نمودار 3 در حالا افزایش است.

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

1.Seewp Gas Membrane Distillation

نمودار 3 : روند رشد تعداد مقالات منتشر شده در زمینه ساخت غشای مخصوص MD
در شکل 1 انواع روشهای تقطیر غشایی را می توان مشاهده کرد. به دلیل وجود همزمان پدیده های انتقال گرما و جرم از میان غشا، تنوع شکلهای مختلف تقطیر غشایی و کاربردهای مختلف آن باعث شده در مجامع دانشگاهی به عنوان یک فرایند آموزشی نیز استفاده شود. بعلاوه، امکان استفاده از گرمایی اتلافی و یا منابع انرژی دیگری از جمله انرژی خورشیدی و زمین گرمایی و انرژی باد در تقطیر غشایی وجود دارد و این فرایند می تواند با سایر فرایندها در یک سیستم یکپارچه ترکیب شود که این موضوعات باعث شده به عنوان تکنیک جداسازی امیدوار کننده ای در مقیاس صنعتی بکار گرفته شود. این فرایند به عنوان یک مرحله عملیات پیش تصفیه و یا پس تصفیه با فرایندهای دیگر ادغام می شود.

شکل1:گونه های مختلف فرایند جداسازی تقطیر غشایی
این فرایند بیشتر برای کاربردهای که در آن آب جزء عمده حاضر در محلول خوراک می باشد مناسب است. به عنوان مرور، تقطیر غشایی یک فرایند با نیرو محرکه گرمایی می باشد که در آن تنها ملکولهای بخار از میان غشای آبگریز متخلخل عبور می کند. مایع خوراک برای اینکه تصفیه شود بایستی در تماس مستقیم با یک سمت از غشا قرار گیرد. آبگریزی ذاتی غشا مانع از ورود محلول آبی در داخل حفره هایش می شود که به دلیل کشش سطحی مواد غشا می باشد. در نتیجه، سطح مشترک مایع/ بخار در ورودی حفره های غشا تشکیل می شود.
باتوجه به شکل 1 نیرومحرکه تقطیر غشایی بوسیله یکی از 4 طریق زیر در سمت جریان تراوشی اعمال می شود:
1)یک محلول آبی سردتر از محلول خوراک در تماس مستقیم با سمت جریان تراوشی غشا نگهداری می شود و شکلی که ما آن را به نام تقطیر غشایی تماس مستقیم1 می شناسیم . هردوی محلولهای آبی خوراک و جریان تراوشی به صورت مماس با سطح غشاء بوسیله پمپهای به گردش در می آیند و یا درون سلول غشایی توسط همزنهای مغناطیسی چرخانده می شوند. در این مورد اختلاف دمای طرفین غشا یک اختلاف فشار بخار را القا می کند. در نتیجه، ملکولهای فرار تبخیر شده در سطح مشترک گرم مایع/بخار از حفره های غشا عبور کرده و وارد فاز بخار و در سطح مشترک سرد مایع/بخار در درون مدول غشایی چگالش می یابد. یک نوع دیگر از تقطیر غشایی نوعی است که در آن یک لایه ی مایع سرد ساکن بین غشا و سطح خنک کننده در سمت جریان تراوشی وجود دارد و این کار به منظور کاهش اتلاف حرارتی انجام می شود. (شکل a)
2)فشار پایین در سمت جریان تراوشی از مدول غشا بوسیله یک پمپ خلاء اعمال می شود. فشار خلاء اعمال شده کوچکتر از فشار اشباع ملکولهای فراری است که از محلول خوراک جدا می شوند. در این مورد چگالش در بیرون از مدول اتفاق می افتد. این شکل از تقطیر غشایی به تقطیر غشایی خلاء2 معروف است. (شکلb)
3)یک شکاف هوا بین غشا و سطح چگالنده ایجاد می شود.در این شکل،ملکولهای فرار تبخیر شده از هردوی حفره های غشا و شکاف هوا عبور کرده و سرانجام روی یک سطح سرد در درون مدول غشایی چگالش می یابد. این نوع از تقطیر غشایی با عنوان تقطیر غشایی با شکاف هوا3 نامیده می شود.(شکل d)
4)یک گاز جاروکننده خنثی و سرد در سمت جریان تراوشی غشا ملکولهای بخار تراوش کننده را حمل کرده و چگالش بیرون از مدول غشا رخ می دهد. این نوع شکل از تقطیر غشایی منصوب به تقطیر غشایی با گاز حامل معروف است. در این شکل، به دلیل گرمای انتقال یافته از سمت خوراک از میان غشا ، دمای گاز حامل در سمت جریان تراوشی در امتداد مدول غشایی به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. یک نوع دیگر تقطیر غشایی با گاز حامل با نام تقطیر غشایی با گاز حامل دما ثابت4 اخیرا پیشنهاد شده است. در این شکل از تقطیر غشایی با گاز حامل افزایش دمای گاز با استفاده از یک صفحه ی سرد در سمت جریان تراوشی به حداقل می رسد.(شکل c)

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

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *