كلید واژه: غشای ماتریس آمیخته ، تراوایی، مدلاسیون تراوش ، کسر حجم آزاد  ، پرکننده تراوا

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                              صفحه

 

فصل اول   1

1.1مقدمه ای بر غشاهای جداسازی گاز    2

1.2غشاهای ماتریس آمیخته          4

1.3تاثیر پرکننده های معدنی برعملکرد جداسازی گاز توسط غشاهای ماتریس آمیخته         6

1.4پیش بینی تراوایی در غشاهای ماتریس آمیخته    8

1.5اهداف پژوهش                                                                                                                                                                                                                                                                                             10

2ادبیات و پیشینه پژوهش    12

تاثیر پر کننده های معدنی بر عملکرد جداسازی غشاهای ماتریس آمیخته  13

2.1غشاهای ماتریس آمیخته پرشده با میکروذرات معدنی تراوا 13

2.1.1پیش بینی تراوایی در غشاهای ماتریس آمیخته پرشده با میکروذرات معدنی تراوا 16

2.1.2مدل های پیش بینی تراوایی غشاهای ماتریس آمیخته تماس ایده آل                                                                                                                         17

2.1.3مدل های پیش بینی تراوایی غشاهای ماتریس آمیخته تماس غیرایده آل 31

2.1.4مقایسه مدل هایی اراائه شده برای تراوایی غشاهای ماتریس آمیخته شامل پرکننده های معدنی تراوا 55

2.2غشاهای ماتریس آمیخته پرشده با نانوذرات معدنی غیرتراوا 57

2.2.1مدل های تراوش برای غشاهای ماتریس آمیخته شامل پرکننده های معدنی ناتراوا 61

2.2.2مقایسه مدل هایی ارائه شده  برای تراوایی غشاهای ماتریس آمیخته شامل پرکننده های معدنی نا تراوا 67

2.3غشاهای ماتریس آمیخته پرشده با نانوذرات معدنی  تراوا 68

2.4تاثیر افزودن نانوذرات معدنی تراوا  بر کسر حجم آزاد پلیمر    73

2.5مدل های تراوش برای غشاهای ماتریس آمیخته شامل پرکننده های معدنی تراوا                         76

3روش پژوهش         79

3.1کلیات روش پژوهش 80

3.2انتخاب داده های تجربی  تراوایی     83

3.3مدل های تماس ایده آل پر کننده –پلیمر             86

3.4مدل های تماس غیرایده آل پر کننده –پلیمر             87

3.5ارائه روش جدیدی برای محاسبه تراوایی لایه میانی                        94

3.6اعتبار سنجی و مقایسه ی عملکرد مدل های استفاده شده  96

4نتایج پژوهش         97

4.1بررسی رفتار MMMs پرشده با نانو MOFs  98

4.2اعتبار سنجی مدل های استفاده شده برای محاسبه تراوایی در MMMsپر شده با نانو MOFs  104

4.3اصلاح ضرایب ثابت مدل فوجیتا  121

4.4تاثیر تراوایی لایه میانی بر عملکرد مدل فوجیتا                  122

4.5بررسی علل خطاهای به جود آمده در پیش بینی تراوایی      124

4.6مقایسه یافته های پژوهش با نتایج دیگر پژوهشگران     127

4.7پیش بینی تراوایی در MMMs پرشده با نانو MOFs جدید   127

5نتایج پژوهش           129

5.1جمع بندی 130

 

5.2نتیجه گیری                                                                                                                                                                                                                                                                                                        131

5.3پیشنهادات       132

6پیوست       133

6.1منابع     134

6.2نتایج مربوط به تراوایی پیش بینی شده در مقابل داده های تجربی      140

Abstract   149

فهرست شکل ها

عنوان                                                                                                                                              صفحه

  5

شکل 1-2 نمایش مورفولوژی غیر ایده آل در غشای ماتریس آمیخته  14

شکل2-2 استفاده از شکل اصلاح شده ای 2 مرحله ای معادله مکسول  33

شکل3-2 طرح کلی مدل اصلاح شده دو فازی و سه فازی مکسول  37

شکل4-2مقایسه داده های تجربی با پیش بینی های از مدل ماکسول  40

شکل 5-2،    در مقابل   برای مقادیر متفاوت   47

48

  51

  64

  66

    103

107

109

111

114

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                                              صفحه

جدول 1-1 استفاده ی صنعتی غشاهای جداسازی گاز  4

جدول1-2 خلاصه ای از تاثیر پدیده های نواقص سطحی ایجاد شده بر عملکرد غشاهای ماتریس آمیخته  14

جدول 2-2 مقایسه اشکال مختلف معادله مکسول  23

جدول3-2 مقایسه مقادیر پیش بینی شده توسط مکسول و داده های آزمایشگاهی[35] 32

جدول4-2  بهترین مقادیر بدست آمده برای β و  برای پیش بینی با بهره گرفتن از مدل های چند فازی   41

46

52

56

    81

   84

  85

   89

   91

   93

   95

    104

    116

     120

  140

  141

  141

  142

  142

  143

  143

  144

  144

  145

  145

  146

  146

  147

  147

  148

1.1         مقدمه ای بر غشاهای جداسازی گاز

جداسازی یک یا چند گاز از مخلوطهای پیچیده گازی در بیشتر صنایع اهمیت دارد . در حال حاضر این جداسازی ها به صورت تجاری توسط فرایندهای تبرید ، جذب با تناوب فشار (PSA) و جداسازی توسط غشاها صورت میگیرد که هر یک از این فرایند ها با توجه به  شرایط عملیاتی خاص خود ، نوع ، شکل ، اندازه و حجم گاز نافذ مزایا و معایبی دارد .[1]

اولین مشاهدات علمی انجام شده در زمینه جداسازی گازها توسط میشل[1] در سال 1831 بوده است. با این حال توماس گراهام شیمیدان اسکاتلندی سهم قابل توجهی در بیان انتشار گازها و مایعات دارد. تقریبا همزمان با همان موضوع فیک فیزیولوژیست برجسته فرضیه مفهوم انتشار و قانون اول فیک را با مطالعه انتقال گاز از نیتروسلولوز فرموله کرد.[1, 2]

امروزه غشاهای جداسازی گاز در بسیاری از فرایندهای جداسازی از جمله جداسازی نیتروژن ، هیدروژن ، اکسیژن و گاز طبیعی (جهت جداسازی دی اکسید کربن ، آب زدایی و تنظیم نقطه شبنم) جداسازی بخار-بخار و آب زدایی از هوا  استفاده می شود .[3] ویژگی های خاص و مزایای فرایندهای غشایی را می توان به شرح زیر گزارش کرد :[1]

• سادگی در عملیات ، راه اندازی و نصب تجهیزات
• سرمایه پایین مورد نیاز و پایین بودن مصرف انرژی و عدم نیاز به تجهیزات گران قیمت مانند کمپرسور (که در فرایند تبرید از آن استفاده می شود )
• اقتصادی بودن و انعطاف پذیری بالا حتی در سیستم هایی با ظرفیت بالا
• عدم نیاز به فضای زیاد و سیستم های کمکی
• قابلیت استفاده در شرایط دما و فشار معمولی
• قابلیت استفاده به صورت عملیات پیوسته
• سادگی در استفاده همزمان با دیگر فرایندهای جداسازی

رشد سریع در تکنولوژی غشاها به ویژه برای جداسازی گاز از اوایل سال 1960 آغاز شد. [2] این غشاها امروزه به طور گسترده ای در صنایع شیمیایی و در کاربردهای پزشکی استفاده می شود . [3]