دانلود مقاله چشم‌ اندازی بر بیو رادیوراکتور های غشایی جهت تصفیه آب و پساب، رسوب گیری غشایی و راهکاری پیشگیری از آن

چیکده:

بیوراکتورهای غشایی (MBRs) طی سال‌های اخیر به عنوان سیستم‌های پیشرفته تصفیه پساب کاربرد گسترده‌ای داشته‌اند.

البته مشکل رسوب‌گیری در این سیستم‌ها باعث کاهش توان رقابتی آنها گردیده است.

به طور کلی، رسوب‌گیری در غشاهای آبگریز بیشتر از غشاهای آبدوست رخ می‌دهد که این امر به دلیل تعاملات آبگریز بین مواد محلول، سلول‌های میکروبی و مواد غشایی است.

همچنین رسوب‌گیری غشایی می‌تواند به دلیل جذب گونه‌های آلی رسوب کردن گونه‌های معدنی کم‌محلول و چسبیدن سلول‌های میکروبی بر روی سطح غشایی می‌تواند به دلیل جذب گونه‌های آلی، رسوب کردن گونه‌های معدنی کم‌محلول و چسبیدن سلول‌های میکروبی بر روی سطح غشا باشد.

یکی از روش‌های اصلاح سطح غشاء، آماده‌سازی با پلاسمای CO2 است.

به نظر می‌رسد که سایز منفذ و تخلخل غشاء بعد از آماده‌سازی با پلاسما افزایش و در صورتی که زمان آماده‌سازی طولانی شود، کاهش می‌یابد.

روش دیگر تثبیت نانوذرات TiO2 بر روی اتوی غشاء است.

TiO2 نشسته بر روی غشاء تاثیر بیشتری بر کاهش رسوب‌گیری در مقایسه با TiO2 محبوس در غشا دارد که این امر به دلیل ازدیاد نانوذرات جای گرفته بر روی غشاء است.

صرف‌نظر از نوع ماده پلیمری رسوب‌گیری غشایی با تثبیت نانوذرات TiO2 کاهش می‌یابد.

در نتیجه غشاهایی که در آنها تثبیت TiO2 صورت گرفته است، انتخابی ساده و موثر برای کاهش رسوب‌گیری در بیوراکتورهای غشایی هستند.

با استفاده از بیوراکتورهای غشایی، برای تصفیه پساب می‌توان بر مشکلات جاری فرآیندهای لجن فعال که اکثراً مربوط به جداسازی توده میکروبی از آب تصفیه شده است، فائق آمد.

در این نوع بیوراکتورها میکرو یا اولترافیلتراسیون جایگزین فرآیند ته‌نشین‌سازی (معمولاً برای جداسازی توده میکروبی از آب تصفیه است) شده است.

در این روش به دلیل حبس کامل باکتری‌ها و ویروس‌ها کیفیت آب تصفیه شده افزایش می‌یابد.

همچنین امکان افزایش غلظت توده میکروبی به میزان قابل توجهی وجود دارد که موجب کاهش حجم راکتور و همچنین کاهش نرخ تولید لجن می‌شود.

افزون بر آن، فضای مورد نیاز برای واحد تصفیه پساب به دلیل حذف تانک‌های ته‌نشینی و کاهش سایز بیوراکتور، به دلیل افزایش غلظت توده میکروبی، کاهش می‌یابد.

مزایای بیوراکتورهای غشایی

امروزه از بیوراکتورهای غشایی برای تصفیه انواع مختلف پساب نظیر پساب شهری، پساب با بار آلی بالا و پساب‌های سنگین صنعتی استفاده می‌شود.

از مزایای بیوراکتورهای غشایی در مقایسه با روش‌های مرسوم لجن فعال به موارد زیر می‌توان اشاره نمود:

                      حذف کامل جامدات؛

                      ضدعفونی کردن پساب تصفیه شده؛

                      جداسازی زمان ماند هیدرولیکی (HRT) و زمان ماند لجن (SRT)؛

                      قابلیت بارگیری بیشتر و زمان ماند لجن طولانی‌تر؛

                      تولید لجن به مقدار کم‌تر و یا حتی صفر؛

                      فعال شدن سریع؛

                      سایر کوچک‌تر؛

                      مصرف انرژی کم‌تر.

مشکل بیوراکتورهای غشایی

عمده مشکل سیستم‌های غشایی در تصفیه پساب رسوب‌گیری غشاء است که منجر به کاهش فلاکس نفوذی می‌شود.

در نتیجه باید غشاء مرتباً تعویض و یا تمیز گردد که این امر افزایش هزینه را دربر دارد.

رسوب‌گیری غشایی در نتیجه تعامل بین غشاء و عصاره لجن فعال است.

نتیجه‌گیری

به طور کلی عوامل هیدرودینامیکی (تنش‌های برشی، فشار و ...) یا بیولوژیکی (دما، Ph، غلظت مواد مغذی و ...) و شرایطی که باعث تغییر رفتار بیولوژیکی سوسپانسیون و به تبع آن ترکیبات محلول (پلی‌ساکارید، فسفولیپید، پروتئین و ...) شوند، می‌توانند نقش مهمی در رسوب‌گیری غشاء ایفا کنند.

از آنجایی که رسوب‌گیری غشایی در غشاهای آبگریز خیلی جدی‌تر از غشاهای آبدوست است، توجه زیادی برای کاهش رسوب‌گیری غشایی با تبدیل مواد آبگریز به مواد نسبتاً آبدوست معطوف شده است.

یکی از روش‌هایی که برای بهبود سطح بکار می‌رود، آماده‌سازی با پلاسمای CO2 است.

با این روش سایز منافذ و میزان تخلخل غشاء افزایش می‌یابد.

تبلور

مقدمه

تبلور، تشکیل ذرات جامد در فاز همگن است.

تبلور به صورت ذرات جامد در فاز بخار، مثل برف یا انجماد مذاب یا مایع، مثل تک بلورهای درشت یا تبلور در محلول مایع ظاهر می‌شود.

تبلور محلول در صنعت چون مواد مختلفی به صورت بلور در بازار عرضه می‌شود، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

کاربرد گسترده آن اصولی دوگانه دارد: بلوری که در محلولی ناخالص تشکیل می‌شود، خود خالص است (مگر اینکه بلورها به صورت مخلوط ظاهر شوند) و تبلور روشی عملی برای بدست آوردن مواد شیمیایی خالص در شرایط مطلوب برای بسته‌بندی و نگهداری است.

ماگما در تبلور صنعتی محلول، مخلوط دوفازی محلول مادر و بلورهای با اندازه‌های مختلف که متبلور کننده را اشغال می‌کند و به صورت محصول از آن خارج می‌شوند را ماگما گویند.

هندسه بلور

بلور، سازمان یافته‌ترین نوع ماده بی‌جان است.

خصوصیت بلور، این است که ذرات تشکیل دهنده آن، اتم، مولکول یا یون است و در آرایش‌های منظم سه‌بعدی به نام شبکه‌های فضایی کنار هم چیده شده‌اند.

در نتیجه این طرز قرار گرفتن ذرات کنار یکدیگر، اگر بلور بدون هیچ مانعی ناشی از بلورهای دیگر یا اجسام بیرونی تشکیل شود، آنها به صورت چندوجهی‌هایی با گوشه‌های تیز و پهلو یا وجوه تخت ظاهر می‌شوند.

دستگاه تبلور

ظروف تبلور تجارتی ممکن است به صورت پیوسته یا ناپیوسته کار کنند.

به جز در کاربردهای خاص، عملیات پیوسته ترجیح داده می‌شود.

اولین شرط در هر ظرف تبلور ایجاد محلول فوق اشباع است، چون تبلور بدون فوق اشباع صورت نمی‌گیرد.

سه روش در تولید فوق اشباع بکار می‌رود که در درجه اول بستگی به نوع منحنی حلالیت ماده حل شده دارد.

مواد حل شده‌ای چون نیترات پتاسیم و سولفیت سدیم در دماهای خیلی زیاد انحلال‌پذیرند تا در دماهای کم، لذا فوق اشباع را می‌توان صرف با سردسازی بوجود آورد.

اگر انحلال‌پذیری تقریباً مستقل از دما باشد، مثل نمک طعام یا با افزایش دما کاهش یابد، فوق اشباع با تبخیر حاصل می‌شود.

در موارد بینابین، تلفیقی از تبخیر و سرمایش موثر است.

مثلاً نیترات سدیم را می‌توان با سرمایش بدون تبخیر، تبخیر بدون سرمایش یا تلفیقی از سرمایش و تبخیر به صورت رضایت‌بخشی متبلور ساخت.

مثلاً نیترات سدیم را می‌توان با سرمایش بدون تبخیر، تبخیر بدون سرمایش یا تلفیقی از سرمایش و تبخیر به صورت رضایت‌بخشی متبلور ساخت.

تنوع ظرف تبلور ظروف تبلور تجارتی از چند جنبه دیگر نیز ممکن است متفاوت باشند.

تفاوت عمده آنها در این است که بلورها چگونه با مایع فوق اشباع تماس داده می‌شوند.

در روش اول که روش مایع در حال گردش نام دارد، جریانی از محلول فوق اشباع از بستر سیال شده بلورهای در حال رشد عبور می‌کند که فوق اشباع با هسته‌زایی و رشد آزاد می‌شود.

آن وقت مایع اشباع شده را از طریق ناحیه سرد کننده یا تبخیر پمپ می‌کنند که در آن فوق اشباع تولید می‌شود و بالاخره محلول فوق اشباع از طریق ناحیه متبلور کننده بازگردانده می‌شود.

این ظرف تبلور در حالت ایده‌آل، محصولی دسته‌بندی شده با اندازه‌هعی یکنواخت تولید می‌کند.

ظروف تبلور دیگری برای نگهداری سوسپانسیونی که در ناحیه تبلور به خوبی مخلوط می‌شود، طراحی شده است که بلورهای به اندازه‌های مختلف از هسته‌ها تا بلورها بلورهای درشت، به صورت یکنواخت در سراسر ماگما توزیع می‌شوند.

در حالت ایده‌آل، توزیع اندازه‌های یک واحد سوسپانسیون مخلوط در محصول، با توزیع در خود ماگماهای متبلور کننده یکی است.

ظروف تبخیر در خلأ اکثر ظروف تبلور جدید در رده واحدهای خلأ جای می‌گیرند که در آنها از سرمایش تبخیری آدیاباتیک برای ایجاد فوق اشباع استفاده می‌شود.

شکل اولیه و ساده این ظروف تبلور به صورت ظرف در بسته‌ای است که خلأ با مبردی به کمک پمپ خلأ با افشانه بخار آب یا تقویت کننده‌ای که بین ظرف تبلور و مبرد واقع شده، ایجاد می‌شود.

حجم ماگما با کنترل سطح مایع و جامد متبلور شده در سطح، ثابت نگه داشته می‌شود و در فضای بالا ماگما برای آزاد کردن بخار و حذف ماندگی استفاده می‌شود.

شکل ظرف تبلور خلأ پیوسته با واحدهای کمکی رایج برای تغذیه این واحد و فرآوری ماگمای حاصل را نشان می‌دهد.

کار اساسی بدنه خیلی شبیه به کار تبخیر کننده تک ایستگاهی است و در عمل از این واحدها به صورت چندایستگاهی بهره‌برداری می‌شود.

ظروف تبلور پیوسته ظرف تبلور با لوله مکنده و صفحه تنظیم کننده جریان ظرف تبلور با لوله‌های مکنده و صفحه تنظیم کننده (DTB) دستگاهی با تنوع و کارایی بیشتر است.

ظرف تبلور با لوله مکنده، صفحه تنظیم کننده جریان ظرف تبلور با لوله مکنده صفحه تنظیم کننده را می‌توان به شاخه شوینده‌ای در زیر بدنه نیز مجهز کرد تا بلورها را بر حسب اندازه‌ای که دارند، رده‌بندی کند.

همچنین می‌توان آنها را به یک ناحیه ته‌نشینی با صفحات منحرف کننده تجهیز کرد تا دانه‌های ریز را جدا کند.

ظرف تبلور با لوله مکنده، صفحه تنظیم کننده، همراه با سیستم داخلی برای جداسازی و تخلیه بلورهای ریز کاربرد اصول در طراحی وقتی میزان محصول نظری در ظرف تبلور از موازنه جرم و انرژی محاسبه شد، در ادامه باید CSD محصول را از سرعت هسته‌زایی و رشد تخمین زد.

مدل ظرف تبلور ایده‌آلی که مدل جداسازی سوسپانسیون مخلوط ـ محصول مخلوط (MSMPR) نام دارد: برای شناسایی پارامترهای جنبشی و کاربرد این شناخت در محاسبه عملکرد چنین ظرف تبلوری مبنای خوبی بوده است.

ظرف تبلور ظرف تبلور پیوسته‌ای را درنظر بگیرید که مطابق با شرایط محدود کننده زیر وارد می‌کند.

عملیات در حال پایا باشد.

ظرف تبلور همواره دارای یک ماگمای سوسپانسیون مخلوط باشد و رده‌بندی محصول در آن صورت نگیرد.

فوق اشباع یکنواخت همواره در سرتاسر ماگما وجود داشته باشد قانون ∆L رشد بلور برقرار باشد.

از هیچ سیستمی برای خروج اندازه‌های رده‌بندی شده استفاده نشود.

در خوراک هیچ بلوری وجود نداشته باشد.

ماگمای محصول از ظرف تبلور در حالت تعادل خارج شود، لذا محلول مادر در محصول ماگما، اشباع شده باشد.

هیچگونه شکستن بلور و تبدیل آن به ذرات با اندازه محدود اتفاق نیفتد.

هسته‌زایی تماسی در ظروف تبلور هسته‌زایی تماسی بر اساس آزمایش‌های کلانتز (Clontez) و مک‌کیب روی یک ذره استوار است که تعداد بلورهای تولیدی با تماس در فوق اشباع، انرژی و سطح تماس مشخصی را تعیین کرده‌اند.

از این نتایج برای تعیین مدل هسته‌زایی مناسبی در طراحی ماگمای ظروف تبلور استفاده می‌شود.

تصحیحی که بنت فیدلمن و راندولف انجام داده‌اند، بر اساس ایده‌های زیر است: تعداد کل هسته‌های تولیدی با مجموع هسته‌زایی از کل بلورها در هم اندازه‌ها در هر زمانی که از محرک (پره) عبور می‌کنند، متناسب است.

پتانسیل محرک ایجاد فوق اشباع با سرعت رشد G متناسب است.

انرژی انتقالی به بلوری به اندازه L و جرم cL3به اندازه‌ای که برای شتاب دادن ذره از سرعت‌های ماگمای در حال حرکت تا سرعت نوک محرک (پره) نیاز است.

مساحت تماس متناسب با L2 است.

این فرض‌ها به معادله زیر منتهی می‌شود: که: Bo: سرعت هسته‌زایی بر واحد حجم مایع؛ KN: ثابت بدون بعد؛ uT: سرعت نوک پره؛ tTo: زمان برگشت.

در استفاده از این معادله در عمل به داده‌های تجربی یک واحد صنعتی یا عملیات واقعی تبلور با طراحی مشابه نیاز است.

در تبلور KCL مثلا راندولف، وایت و لو، معادله Bo∞G2/wmc0.91 را پیدا کرده کرده‌اند که mc غلظت جامد در ظرف تبلور بر حسب جرم بلور بر واحد حجم است.

تبلور مواد شیمیایی آلی اصول تبلور در مخلوط به روش مشابه برای مواد آلی نیز بکار می‌رود.

والانس تعداد مواد آلی را مرتب کرد که ترکیب‌های آلی اغلب با تبلور مذاب، خالص می‌شوند.

تبلور مواد مذاب آخرین مرحله تولید یک ترکیب آلی، جامد کردن محصول مذاب خالص آن است.

این کار با انجماد در استوانه پولک‌ساز یا نوار نقاله سرد در حال ارتعاش و یا در ظرف همزن‌دار دو جداره‌ای صورت می‌گیرد.

گاهی اوقات مایع حدود 20 یا حتی 50 درجه سانتیگراد بدون اینکه منجمد شود، سرد می‌شود و برای ایجاد تبلور، به هم زدن مکانیکی یا دانه‌ای مایعات نیاز است.

مخلوط‌های آلی دو جزء و سه جزیی، خصوصاً ایزومرهای آروماتیک، با سرمایش ساده خالص می‌شوند و بجز در حالتی که محلول جامد تشکیل می‌شود، بلورهای فقط یک ایزومری خیلی کم تشکیل می‌شوند.

مثلاً مخلوط ایزومری‌های زایلن در مقیاس تجارتی در دماهای حدود 60- درجه سانتیگراد در سیستم تبلور دو مرحله‌ای انجام می‌شود.

بلورهای –pزایلن در هر مرحله در یک سانتریفوژ صاف کننده جدا می‌شود.

اولین محصول که چندان هم خالص نیست، مجدداً ذوب و تبلور مجدد می‌شود و محصول دوم با تولوئن یا حلال دیگر شسته می‌شود تا محلول‌های مادر چسبیده را جدا کند.

معرفی نرم‌افزار Protpipe Protpipe محصول جدیدی است که شبکه‌های لوله‌کشی مایع و بخار را با روش‌های محاسباتی اثبات شده FNA حل می‌کند.

خلاصه‌ای از اطلاعات لازم در زیر آمده است.

تصاویر مدنظر کاربران؛ شبکه‌های Protpipe شامل اطلاعات کامل متنی، عددی و گرافیکی می‌شود.

این نرم‌افزار نیاز برای جداکردن تصاویر یا یادداشت‌ها برای فایل اطلاعات شبکه را از بین می‌برد.

شما می‌توانید شرح‌های کوتاه متنی یا حتی پاراگراف‌های کاملی در هر جای شکل شبکه وارد کنید.

طرح‌های با کیفیت بالا می‌تواند به راحتی در دیگر مدارک نشان داده، چاپ شده و یا فرستاده شود.

برای افزایش راحتی، Protpipe به شما توانایی دادن پارامترهای گره‌ها و لوله‌ها را (مانند فشارها و یا نرخ جریان) مستقیماً بر روی شکل شبکه را می‌دهد.

Protpipe خطاهای ورودی را چک کرده و می‌تواند به صورت اتوماتیک برآورد فشارها و یا جریان‌های اولیه را تولید نماید.

Protpipe شامل 12 واحد مهندسی، طرح‌های ساخته شده لوله و ثابت‌های 35 اتصال و شیر معمولی می‌شود.

اطلاعات خواص فیزیکی مایع و بخار برای بیش از 65 ماده شیمیایی صنعتی را شامل می‌شود، اگر بخواهید می‌توانید اطلاعات بیشتر مواد شیمیایی نیز وارد نمایید.

Protpipe شامل یک سیستم کمک در حین کار برای تمام خواست‌های کاربر می‌شود.

سیمای محاسبات: افت فشار اصطکاکی مایع از معادله دارسی ـ ویزباخ محاسبه شده است.

ضرایب اصطکاک از معادله چرچیل مشخص شده‌اند.

این معادله به تنهایی و با دقت رژیم‌های آرام، گذرا و توربولنت را پوشش می‌دهند و برای تمام سیال‌ها بجز مواد پلاستیکی و ته‌مانده‌ها بکار می‌شود.

شما می‌توانید همچنین از معادله هیزن ـ ولیلیام استفاده کنید.

شما می‌توانید از روش اخیر توسعه یافته هوپر برای محاسبه تاثیر اصطکاک، شیرها و بزرگ شدن ناگهانی قطر لوله‌ها و کاهش آن استفاده نمایید.

این روش تاثیرات عدد رینولد و قطر اتصالات را که در اعداد رینولد کوچک و اتصالات بزرگ مهم هستند را درنظر می‌گیرند.

اگر بخواهید استفاده از Single-K یا روش‌های طول معادله نیز آسان هستند.

شما به راحتی می‌توانید افت فشارها را بسته به ضخامت کم یا زیاد اریفیس محاسبه نمایید.

Protpipe می‌تواند ثابت پمپ‌ها را از روی منحنی‌های ارتفاع محاسبه نماید.

ثابت پمپ‌ها می‌تواند همچنین در مدل کردن انواع دیگر تجهیزات از جمله مبدل‌های حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.

تغییرات دما و خواص فیزیکی سیال در طول یک شبکه مجاز می‌باشد.

ضرایب تراکم‌پذیری بخار می‌تواند از معادله حالت ردلیش ـ ونگ مشخص شود.

دو روش همگرا برای سرعت و انعطاف‌پذیری بیشتر پیشنهاد داده شده است.

روش مشابه نیوتن ـ رافسون به خصوص می‌تواند شبکه‌ها را در مدت زمان‌های به مراتب کمتر از روش هاردی ـ کراس حل نماید.

الگوریتم‌های اختصاصی اضافی توسعه یافته که توسط کلیلکس فراهم شده است، راندمان، کارایی و ثبات را افزایش می‌دهد.

مراحل حل یک شبکه با استفاده از Protpipe: اگرچه وسایل و پنجره‌های منوی اختصاصی Protpipe در هر جا آمده است، اما در زیر خلاصه کوتاهی از مراحل حل یک مساله شبکه‌ای آمده است: 1.

مشخص کردن نوع جریان و معادله ضریب اصطکاک با استفاده از پنجره اطلاعات شبکه؛ 2.

انتخاب واحدهای دلخواه از پنجره آحاد؛ 3.

رسم لوله‌ها در شبکه با استفاده از ابزار Pipe؛ 4.

اضافه کردن هر مورد اضافی از قبیل جریان‌های گره‌ها یا تجهیزات لوله‌کشی در شکل شبکه؛ 5.

وارد کردن مشخصات گره، لوله یا تجهیزات با استفاده از ابزار Edit؛ 6.

حل شبکه با استفاده از پنجره محاسبات؛ 7.

نمایش نتایج با استفاده از ابزار Tool، منوی Show یا پنجره Chart؛ نکات: در شکل شبکه، شماره لوله‌ها در مستطیل آمده، در حالی که گره‌ها با دایره‌هایی مشخص می‌شوند، برای انتخاب یک گره شما روی هر گره کلیک می‌کنید.

برای انتخاب یا اضافه کردن موردی به یک لوله شما هر جای دلخواه روی لوله کلیک می‌کنید.

گره‌ها و لوله‌ها به صورت خودکار در ترسیم شبکه، شماره‌گذاری می‌شوند.

اگر بخواهید با استفاده از ابزار Tool می‌توانید شماره‌ها را تغییر دهید.

گره‌هایی که فشار مشخص دارند، در شکل شبکه با خطی که در زیر آنها کشیده شده، مشخص هستند.

شما همیشه باید حداقل فشار یک گره را در شکل یک شبکه مشخص نمایید.

برای بعضی از مسایل شبکه‌های مایع، شما تنها باید افت فشار را برای یک گره مشخص نمایید و Protpipe افت فشار و میزان جریان را به طور صحیح محاسبه خواهد نمود.

اگرچه فشار گره‌ها در فشار مشخص محاسبه می‌شود.

فشار گره‌ها نمی‌توانند در هر دو انتهای لوله محاسبه شوند، این معادل مشخص کردن میزان جریان که Protpipe برای محاسبه آن طراحی شده است، می‌باشد.

شیرهای کنترل فشار به دلیل ذکر شده نمی‌توانند برای لوله‌هایی که فشار آنها در یک سر مشخص است، استفاده شوند.

برای جلوگیری از همگرایی، برآورد فشار بین گره‌های اتصالی نباید هم‌اندازه باشند.

فشار یا میزان جریان برای هر گره که نقطه پایان یک لوله تنها می‌باشد، باید مشخص باشد.

به عنوان مثال فشار و میزان جریان یک گره که یک لوله را به مخزنی متصل می‌کند، باید مشخص شوند.

اگر شما هزینه Check for error را در پنجره Calculate انتخاب نمایید، Protpipe مطمئن خواهد کرد که موارد بالا به درستی مشخص شده‌اند.

جهت جریان لوله برای لوله‌های با پمپ، شیرهای یک طرفه و افزاینده باید به درستی مشخص شوند.

تولید اتیلن و پروپیلن از گاز طبیعی به روش سنتز فیشر تروپش توسط کاتالیست‌های Co/CeO2, Co/MnO چکیده: در تحقیق حاضر، کاتالیست‌های کبالت، منگنز و کبالت سدیم به عنوان کاتالیست‌های موثر در تبدیل گاز سنتز به اتیلن و پروپیلن، تهیه و مورد آزمایش قرار گرفته‌اند.

در تهیه این کاتالیست‌ها، از روش رسوب‌دهی همزمان استفاده شد و نمونه‌هایی با زمان‌های عمردهی مختلف تهیه شدند.

برای انجام آزمایشات یک واحد آزمایشگاهی شامل یک راکتور از جنس فولاد ضدزنگ جهت تست کاتالیست در آزمایشگاه ساخته شد.

کاتالیست‌های ساخته شده در شرایط مختلفی مورد آزمایش قرار گرفت و محصولات توسط دستگاه گاز کروماتوگراف تجزیه و شناسایی شدند.

آزمایشات نشان دادند کاتالیست Co/CeO2 با زمان عمردهی 165 دقیقه، حداکثر گزینش‌پذیری 44% نسبت به اتیلن و 6/1% نسبت به پروپیلن و کاتالیست Co/MnO حداکثر گزینش‌پذیری 3/8% نسبت به اتیلن و 7/5% نسبت به پروپیلن دارا می‌باشند.

مقدمه گاز طبیعی یکی از منابع بسیار عظیم است که در تمام جهان و به ویژه در ایران وجود دارد و از نظر پتانسیلی، یک ماده خام بسیار مهم برای صنایع شیمیایی و صنایع وابسته به آن می‌باشد.

تبدیل گاز طبیعی به گاز سنتز و سپس تبدیل گاز سنتز به هیدروکربن‌های باارزش (سنتز فیشر تروپش)، یک تکنولوژی شناخته شده است.

کاربرد این تکنولوژی در تولید الفین‌های سبک مثل اتیلن از گاز طبیعی از نظر موقعیت محلی و از نظر اقتصادی و وضعیت سیاسی بسیار مهم و قابل توجه است.

اولین کارخانه مربوط به تولید سوخت‌های هیدروکربنی از گاز سنتز در سال 1936، در جنگ جهانی دوم توسط آلمان‌ها ساخته شد که بعداً دسترسی به نفت ارزان در بازارهای بین‌المللی از پیشرفت این صنعت کاست.

واکنش‌های اصلی که در این فرآیند منجر به تولید هیدروکربن‌های الفینی و پارافینی می‌شوند، عبارتند از: (2n+1)H2 + nCO ↔ CnH2n+2 + nH2O 2nH2 + nCO ↔ CnH2n + nH2O یکی از کاتالیست‌های مهم که در سنتز فیشر تروپش کاربرد زیادی دارد، کاتالیست کبالت است که روی پایه‌های مختلفی مثل اکسید منگنز و سریم مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاتالیست مزبور گزینش‌پذیری بالایی نسبت به تولید الفین‌ها دارد، اما نسبت به واکنش‌های جانبی نیز فعال بوده و اغلب سبب تولید و ترسیب کربن روی سطح کاتالیست می‌شود.

گزینش‌پذیری این کاتالیست‌ها با تغییر در شرایط آزمایش تغییر می‌کند، ولی بطور کلی در دمای بالا و فشار اتمسفری گزینش‌پذیری بیشتری نسبت به الفین‌های سبک مثل اتیلن دارد، زیرا در این شرایط مولکول‌های بزرگ‌تر در صورت تبدیل شدن به مولکول‌های کوچکتر مثل اتیلن شکسته می‌شوند.

آزمایشات برای انجام آزمایشات از روش هم‌رسوبی جهت تولید کاتالیست‌ها استفاده شد.

کاتالیست‌های رسوبی از اختلاط سریع محلول‌های غلیظ نمک‌های فلزی تهیه می‌شوند و کاتالیستی با ذرات ریز و سطح بالا بدست می‌آید.

دستگاه مورد استفاده در شکل نشان داده شده است.

موا فعال موجود در کاتالیست‌ها (کبالت سریم یا کبالت منگنز) به فرم نیترات وارد یک ظرف در دمای ثابت 700 درجه سانتیگراد شده و توسط کربنات سدیم رسوب داده می‌شوند.

سپس به عمل رسوب‌دهی زمان می‌دهیم تا فازهای مختلفی که هر کدام در یک محدوده زمانی خاص ایجاد می‌شوند، تشکیل شوند.

کاتالیست Co/CeO2 را در 2 نمونه با زمان‌های عمردهی صفر و 165 دقیقه کاتالیستCo/MnO را در 3 نمونه با زمان‌های عمردهی 45.12.300 دقیقه تهیه شد.

پس از جداسازی رسوب با قیف بوخنر، رسوب با آب مقطر شسته شد تا یون‌های مزاحم مثل سدیم حذف شوند.

سپس جهت خشک شدن، رسوب را در یک گرمکن در دمای 1000 درجه سانتیگراد، به مدت 3 ساعت قرار داده شد و در نهایت جهت کسینه شدن، نمونه در یک کوره آزمایشگاهی در دمای 5000 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت حرارت داده شد.

نمونه بدست آمده از این قسمت پس از احیا با هیدروژن آماده تست کردن می‌باشد.

در تست کاتالیست برای داشتن بهترین بازده باید شرایط خاصی را اعمال کرد.

از جمله این شرایط، ‌دما، فشار، نسبت گاز سنتز ورودی، زمان اقامت و سرعت فضایی گاز هستند.

معمولاً بهترین بهره تولید الفین‌های سبک در دمای بالا، فشار پایین، نسبت H2,CO پایین و زمان اقامت کم،‌ یعنی سرعت فضایی بالا حاصل می‌شود.

سرعت فضایی گاز برابر است با شدت جریان گازی که از روی واحد جرم یا حجم کاتالیست عبور می‌کند و واحد آن عکس زمان است.

سرعت فضایی بالا، باعث می‌شود که زمان اقامت کم شده و زنجیره‌های هیدروکربنی فرصت رشد کردن نداشته باشند.

در صورتی که نسبت H2/CO پایین باشد، هیدروناسیون الفین‌ها به پارافین‌ها کاهش می‌یابد و تولید الفین‌ها زیاد می‌شود.

در هر آزمایش، ابتدا 1 گرم کاتالیست وزن شده و در داخل میکروراکتور قرار می‌گیرد.

قبل از هر آزمایش، جهت خروج هوا از درون لوله‌ها، گاز آرگون را برای مدت چند دقیقه وارد لوله‌ها می‌کنیم و سپس عمل احیای کاتالیست‌ها با هیدروژن در دمای 300 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت انجام می‌شود.

پس از این مرحله دمای واکنش و شدت جریان گازهای خوراک تنظیم و واکنش شروع می‌شود.

راکتور ساخته شده از نوع بستر ثابت کاتالیستی از جنس فولاد ضدزنگ 316 با قطر داخلی 1 سانتیمتر و طول 30 سانتیمتر می‌باشد.

یک لوله فولادی با طول 30 سانتیمتر در بالای آن نصب شده و جهت پیش گرم کردن خوراک استفاده می‌شود.

بستر کاتالیست درست در وسط راکتور درنظر گرفته شده و در پایین آن جهت نگهداشتن بستر از یک صفحه فولادی مشبک و یک لایه پشم شیشه استفاده شده است.

پس از مدتی که سیستم به حالت پایدار رسید، به کمک شیر نمونه‌برداری محصولات تولیدی جهت تجزیه و شناسایی وارد دستگاه کروماتوگراف گازی می‌شود که شامل شناساگرهای یونیزاسیون شعله‌ای و هدایت گرمایی بوده و ستون مورد استفاده در آن از نوع propak N بود.

از روی طیف‌های بدست آمده از دستگاه گاز کروماتوگراف گازی و ضرایب تصحیح، درصد تبدیل و گزینش‌پذیری (درصدی از خوراک که به محصول موردنظر تبدیل می‌شود)، محاسبه می‌شود.

در نمونه با زمان عمردهی 16 دقیقه نیز واکنش‌های حانبی سبب ترسیب کربن روی بستر کاتالیست گردید و به همین دلیل تعداد آزمایشات انجام شده بر روی این کاتالیست‌ محدود شد.

با افزایش دما با کاتالیست مزبور تولید اتیلن به مقدار زیادی افزایش یافت.

با استفاده از نمونه دوم در دمای 450 درجه سانتیگراد گزینش‌پذیری نسبت به اتیلن به 44% رسید.

در همین دما با افزایش سرعت فضایی تا (hr-1) 7200، گزینش‌پذیری پروپیلن نیز بالا می‌رود.

مشاهده می‌شود که با افزایش این نسبت، به دلیل افزایش میزان هیدروژناسیون، گزینش‌پذیری الفین‌ها کم شده و اغلب محصولات سنگین‌تر مثل بوتان تولید می‌شود.

این کاتالیست‌ها در مراجع محدودی مورد بررسی قرار گرفته و حداکثر گزینش‌پذیری اولفین‌های C2, C6 برابر با 27% گزارش شده است.

برای کاتالیستCo/MnO با زمان عمردهی 45 دقیقه در فشار اتمسفری و دمای 450 درجه سانتیگراد شرایط بهینه واکنش حاصل شد که در این شرایط گزینش‌پذیری اتیلن به بیشتر از 8درصد و پروپیلن به حدود 6درصد رسید که از تکرارپذیری خوبی هم برخوردار بود.

به عنوان یک نتیجه‌گیری کلی، از آنجایی که هدف از این تحقیق، صنعتی کردن این فرآیند می‌باشد.

جهت تولید الفین‌ها از گاز سنتز شرایط زیر پیشنهاد می‌شود: فشار فرآیند بایستی تا حد امکان پایین و دمای فرآیند تا حد امکان بالا باشد تا محصولات سنگین تولید شده به هیدروکربن‌های کوچکتر مثل اتیلن شکسته شوند.

سرعت فضایی گاز بالا باشد تا زمان اقامت کم شده و زنجیرهای هیدروکربنی فرصت رد کردن نداشته باشند.

نسبت H2/CO پایین باشد تا هیدروژناسیون الفین‌ها به پارافین‌ها کاهش یابد.

از واکنشگاهی استفاده شود که طول بستر کاتالیستی کم و قطر زیاد داشته باشد تا زمان اقامت کاهش یابد.

استفاده از فن‌آوری 3R در کنترل انتشار NOX از صنایع شیشه چکیده امروزه کنترل انتشار اکسیدهای نیتروژن یکی از نکات پراهمیت و مورد توجه قانون‌‌گذاران محیط زیستی در سراسر جهان گردیده است.

در صنعت شیشه نیز هم برای قانون‌گذاران و هم برای تولیدکنندگان راه‌حلی کاملاً اقتصادی وجود دارد که قادر است بیشترین میزان کاهش آلودگی را با صرف کمترین هزینه‌های ممکن در اختیار بگیرد.

اثرات گازهای NOX حتی در غلظت‌های نسبتاً پایین، NOX می‌تواند چشمان ما را تحریک کرده، به سوزش و خارش وادارد و به سیستم تنفسی هم آسیب برساند.

NOX یکی از اجزاء باران اسیدی است که عامل آسیب‌رسانی به خاک‌ها، دریاچه‌ها، جنگل‌ها و ساختمان‌ها، پایین‌آورنده و کاهنده میزان ازن جو زمین و تحریک کننده سیستم تنفسی هر موجود زنده و بالاخره منهدم کننده غلات و عامل اصلی مه‌های نور شیمیایی می‌باشد.

انتشار گازهای NOXدر کوره‌های ذوب شیشه در 90 درصد موارد منحصر به تولید مونواکسید نیتروژن (NO) و در 10درصد باقیمانده هم مربوط به تولید و انتشار دی‌اکسید نیتروژن (NO2) و نیتروس اکساید (O N2) می‌باشد.

البته مقداری گاز گلخانه‌ای نیرومند هم از کوره ذوب شیشه به فضا پراکنده می‌شود که قابل اغماض و غیرقابل نشان دادن هستند.

کاهش میزان انتشار NOX تغییر سوخت کوره‌های ذوب شیشه از سوخت مایع سنگین به گاز طبیعی می‌تواند به طور مشخص، میزان انتشار اکسیدهای گوگرد را کاهش دهد و تا حدی در کاهش میزان انتشار برخی مواد ویژه موثر افتد.

البته با این تغییر هیچ منفعتی در کاهش میزان انتشار گازهای NOX بروز نمی‌دهد.

در حقیقت، شعله‌های کمتر افروخته نسبت به حالتی که از HFO استفاده می‌شود، می‌تواند میزان انتشار گازهای NOX را بیش از 60درصد افزایش دهد.

شکل: درصد اکسیدهای نیتروژن منتشر شده توسط صنایع گوناگون کاهش اولیه و مقدماتی در میزان انتشار گازهای NOX را می‌توان از طریق نزدیک کردن میزان هوای لازم برای احتراق به هوای استوکیومتری بدست آورد.

کاهش‌های بیشتر را می‌توان با کاهش دادن دمای پیک شعله و کاهش دادن زمان اقامت در آن دما با اتخاذ تدابیر ذیل بدست آورد: کوتاهتر و بلندتر کردن شعله‌های مشعل‌ها؛ کاهش تصادم و برخورد شعله‌ها با یکدیگر؛ ارتقاء میزان پخش شعله‌ها از طریق فرآیندهای کراکینگ گازی و پیش‌کراکینگ؛ کاهش دمای هوای احتراق؛ حذف هرگونه نشت هوا به محفظه ذوب علی‌الخصوص از اطراف مشعل‌ها؛ اتمایز و تبدیل به بخار کردن نفت یا مازوت؛ اتمایز و تبدیل به گاز کردن نفت یا مازوت؛ اتمایز کردن نفت یا مازوت در فشار بالا بدون هوا؛ رقیق کردن گازهای سوخت با استفاده از مواد خنثی از قبیل گازهای ضایعاتی و بخار.

تکنولوژی 3R تکنولوژی 3R که در واقع علامت تجاری شرکت پیلکینگتون برای تکنولوژی ابداعی خود می‌باشد، عبارت است از استفاده از سوخت‌های هیدروکربنی از قبیل گاز طبیعی یا سوخت مایع سنگین در جریان گازهای اتلافی.

سوخت مربوطه سوزانده نمی‌شود، بلکه پیرولیز می‌شود و رادیکال‌هایی تولید می‌کند که این رادیکال‌ها NOX موجود در گازهای دودکش را تبدیل به هیدروژن و آب کاملاً بی‌ضرر می‌نماید.

این فرآیند یک پدیده بسیار موثر و پربازده برای انجام واکنش‌های مورد انتظار در ریجنراتورهای کوره‌های ذوب شیشه می‌باشد.

این تکنولوژی‌ ما را از سوختن باقیمانده اجزا سوخت کاملاً مطمئن می‌سازد.

به همین طریق، حدود مونوکسید کربن و سایر آلاینده‌ها، می‌تواند پایین‌تر از حد آنها در احتراق طبیعی (نرمال) باشد.

شکل: هزینه‌های راهبری عملیات مزیت غیرقابل تردید و کاملاً آشکار فرآیند در تقلیل هزینه‌ها به خوبی هویداست.

چنانچه واحد تولیدی توانایی بازیابی حرارت‌های اتلافی را داشته باشد، راه‌اندازی یک دستگاه بویلر که از حرارت‌های اتلافی تغذیه کند، بخشی از هزینه‌های راه‌اندازی تکنولوژی 3R را تامین خواهد کرد.

چنین استنباط می‌شود که اگر نقش موثر و چشم‌گیری استفاده از فن‌آوری را به طرز موثری به حد صفر تنزل دهیم، این عمل به هیچ تعدیل قابل ملاحظه‌ای در کارکرد کاهش گازهای NOX منجر نخواهد شد.

مزین کاهش هزینه‌ای که در مورد تکنولوژی 3R و تکنولوژی استفاده از کوره‌های اکسیژن‌سوز دیده می‌شود، گاهی اوقات این نظریه را تقویت کرده است که کوره‌های اکسیژن‌سوز را به کوره‌های هواسوز ریجنراتوری تبدیل کنیم، ولی در مورد اخیر از عملیات فناوری 3R استفاده می‌نماییم.

در ارزیابی و مقایسه تطبیقی فناوری‌های مختلف کنترل آلودگی، معیار و شاخصی که امروزه ملاک عمل قرار می‌گیرد، BPEO نام دارد.

در این معیار و شاخص، ما نمی‌توانیم فقط انتشار مستقیم آلاینده‌ها از کارخانه را احتساب کنیم، بلکه انتشار غیرمستقیم از محصول و مواد شیمیایی مصرفی و همچنین از اضافی برق برای بکار انداختن پنکه‌ها یا برای تولید اکسیژن را هم باید درنظر داشته باشیم.

هزینه‌های راهبری عملیات تکنولوژی 3R در عمل امروزه تکنولوژی 3R، بیش از 3 سال است که با موفقیت در تمام کوره‌های فلوت کشورهای فنلاند و آلمان و بیش از 2 سال است که بدون هیچ اشکالی در کوره‌های فلوت کالیفرنیای آمریکا مورد استفاده قرار گرفته است.

همین‌طور با موفقیت تمام در کوره‌های تولید ظروف شیشه‌ای و شیشه‌های شکل داده شده کاربرد یافته‌اند و ضمن آنکه حق لیسانس استفاده از آن در بزرگترین کارخانه‌های تولید صفحه جلو تلویزیون ثبت و اخذ شده با موفقیت هم استفاده می‌شود.

در همه این مواضع، عملاً نشان داده شده است که از دیدگاه اقتصادی، تکنولوژی 3R حیاتی‌ترین و پرقوت‌ترین راه نیل به استانداردهای زیست‌ محیطی و کاهش دادن میزان انتشار گازهای NOX در حد بیش از 80درصد خواهد بود.

در حقیقت سالانه صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای در حد 350000 پوند در هزینه‌ها صورت می‌گیرد.

علاوه بر این، انتشار گازهای CO2 اضافی از سوختی که عملیات deNOX در آن صورت گرفته، بسیار بیشتر از حالتی است که عملیات کاهش انتشار این گاز را راساً در نیروگاه انجام داده باشیم.

نصب فرآیند 3R هیچگونه مشکلی ندارد و به راحتی می‌تون در حین فعالیت کوره و بدون آنکه نیازی به کاستن میزان بار باشد یا شاهد تنزل کیفیت شیشه در طی یا بعد از استفاده از تکنولوژی مزبور باشیم، از آن استفاده کرد.

تکنولوژی 3R هم می‌تواند با کوره‌های ذوب شیشه موجود همخوان و همساز شود و هم می‌تواند در طراحی کوره‌های نوین تشریک مساعی داشته باشد.

به همان سهولت که از تکنولوژی 3R می‌توان در تولید شیشه جام شناور استفاده کرد، امکان بهره‌برداری از آن در کوره‌های ظروف شیشه‌ای، کوره‌های تولید لامپ روشنایی و شیشه صفحه جلو تلویزیون و غیره هم وجود دارد.

به خدمت گرفتن تکنولوژی نخستین شرکتی که لیسانس و حق امتیاز تکنولوژی 3R را از مخترع آن، یعنی شرکت پیلکینگتون برای خویش بدست آورد، شرکت کره‌ای آمریکایی سامسونگ کرنینگ بود که تولید کننده شیشه برای تیوپ‌های تلویزیونی محسوب می‌شود.

خود شرکت از سال 1996 استفاده از این تکنولوژی را در عملیات شیشه‌گری خود در کره و سایر نقاط جهان آغاز کرد.

شرکت سامسونگ کرنینگ علاوه بر عملیات شیشه‌گری خود در کره، علائق زیادی در کشورهای مختلف از قبیل کشورهای اروپایی، آمریکای شمالی و آمریکای جنوبی و کشورهای آسیایی نشان داده است.

نخستین تولید کننده شیشه شناور که از لیسانس فرآیند 3R استفاده کرد، شرکت IG Cardinal در ایالت مینه‌سوتای امریکا بود.

این شرکت فقط دو خط تولید شیشه شناور در ایالت ویسکانسین آمریکا دارد و در حال حاضر، طراحی کارخانه‌های بیشتری در ایالت ویرجینیا می‌باشد.