گزینش‌پذیری، کربونیزاسیون پایان نامه ها و مقالات

مقطع ملکولی نیتروژن، مساحت سطح جاذب قابل محاسبه است. مقادیر مساحت سطح جاذب‌ها معمولاً با ظرفیت آنها متناسب می‌باشد.

شکل (۱ـ۱). حجم گاز جذب شده بر حسب فشار نسبی [۳]
۱-۲-۳-۵- گزینش‌پذیری۲۴
از موارد اولیه مورد نیاز برای طراحی یک سیستم جذب سطحی در اختیار داشتن جاذبی با گزینش‌پذیری، ظرفیت و طول عمر نسبتاً زیاد می‌باشد. گزینش‌پذیری یک جاذب به معنی نسبت ظرفیت یک جاذب برای یک ماده به ظرفیت آن برای ماده دیگر در یک غلظت مشخص سیال می‌باشد. گزینش‌پذیری ممکن است به اختلاف در سینتیک جذب یا تعادل جذب بستگی داشته باشد. اما در کاربردهای عملی بیشتر فرآیندهای جذب به گزینش‌پذیری تعادلی بستگی دارند. گزینش‌پذیری جاذب از نقطه نظر ریاضی به صورت زیر تعریف می‌شود:
(۱-۶) α_AB=((X_A⁄X_B ))⁄((Y_A⁄Y_B ) )
به ترتیب مول جزئی ترکیب A در جاذب و فاز سیال در حال تعادل می‌باشد. گزینش‌پذیری در جذب دقیقاً مشابه فراریت نسبی در تقطیر می‌باشد و به راحتی اندازه‌گیری می‌شود. مقادیر کوچکتر آن به تجهیزات بیشتری نیاز خواهد داشت و موقعیت ایده‌آل، زمانی خواهد بود که فقط یک جزء خاص از خوراک جذب گردد. با این که در فرم گزینش‌پذیری و فراریت نسبی شباهت وجود دارد و لیکن هیچگونه ارتباطی بین مقدار آنها وجود ندارد. برای دو ترکیب مشخص فراریت نسبی ثابت است، در حالیکه گزینش‌پذیری به طور گسترده‌ای بسته به نوع جاذب فرق می‌کند. تحقیق برای شناسایی یک جاذب مناسب، اولین مرحله در توسعه یک فرآیند جداسازی جذب سطحی می‌باشد. بدلیل این که گزینش‌پذیری معمولاً با درجه حرارت و همچنین غالباً با ترکیب شیمیایی محلول فرق می‌کند، انتخاب شرایط مناسب برای ماکزیمم کردن آن یک نکته مهم در طراحی فرآیند است. برای یک سیستم ایده‌آل، گزینش‌پذیری مستقل از ترکیب محلول و معادل نسبت ثابت‌های هنری مربوط به دو ماده B,A می‌باشد. بنابراین انتخاب مقدماتی جاذب‌های مناسب را می‌توان گاهی مستقیماً از روی ثوابت هنری موجود انجام داد. ]۳[.

۱-۲-۴- تفاوت جذب فیزیکی و شیمیایی
در فرآیند جذب، یک سیال می‌تواند به داخل منافذ مواد جاذب نفوذ کرده و با مساحت سطح بزرگ آن در تماس باشد. این مکانیزم در جذب سطحی پیچیده بوده و تاکنون تئوری‌های زیادی برای شرح عمل جذب ارائه گردیده است. دو مکانیزم جذب فیزیکی که در آن ماده جذب سطح جاذب می‌گردد، و جذب شیمیایی که در آن ماده از طریق یک واکنش شیمیایی توسط جاذب جذب می‌شود، مکانیزم‌های اصلی فرآیند جذب می‌باشند. در مبحث جذب سطحی بهتر است جذب فیزیکی را که فقط مربوط به نیروهای ضعیف بین مولکولی است از جذب شیمیایی که اساساً مربوط به تشکیل پیوندهای شیمیایی بین ماده جذب شونده و سطح جاذب است، تشخیص دهیم. اگرچه این کار مفید است، ولیکن حالت‌های حدوسطی وجود دارد که نمی‌توان سیستم را به صورت قطعی طبقه‌بندی کرد. موارد کلی که از طریق ان جذب فیزیکی را از شیمیایی تشخیص می‌دهیم در جدول (۱ـ۳) نشان داده شده است.
عمدتاً جذب سطحی ناشی از نیروهای واندروالس و نیروهای بین مولکولی می‌باشد که باعث ایجاد قطرات کوچک مایع می‌گردد. بنابراین تقریباً اکثر فرآیندهای جداسازی جذب، به جذب فیزیکی مربوط هستندو به همین دلیل روی آنها متمرکز می‌شویم. در سطوح یکنواخت، جذب واندروالس به یک لایه با ضخامتی در مقیاس قطر مولکول‌ها محدود می‌شود. اما در جامدهای متخلخل با ساختمان مویی، جذب سطحی بوسیله میعان مویی که آن هم ناشی از کشش بوسیله نیروهای واندروالس می‌باشد، تکمیل می‌گردد.
در کاربردهای عملی به خاطر اثرات انتقال جرم در فرآیندهای جامد ‌ـ سیال واقعی، نمی‌توان از حداکثر ظرفیت یک جاذب بطور کامل استفاده کرد. بنابراین تخمین ظرفیت جذب عملی یا دینامیکی جاذب برای داشتن اطلاعات روی تعادل جذب ضروری می‌باشد. در جاذب‌های جامد معمولاً مهمترین مرحله کنترل کننده سرعت جذب، نفوذ بین ذره می‌باشد.

جدول(۱-۳). مقایسه جذب فیزیکی و شیمیایی
جذب شیمیایی
جذب فیزیکی
گرمای زیاد جذب
(بزرگتر از ۲یا۳ برابر گرمای نهان تبخیر)
گرمای کم جذب
(کوچکتر از ۲ یا۳ برابر گرمای نهان تبخیر)
Highly Specific
None Specific
فقط تک لایه‌ای
تک لایه یا چند لایه‌ای
ممکن است مربوط به تجزیه شود
تجزیه قطعات جذب شده اتفاق نمی‌افتد
در محدوده وسیعی از درجه حرارت ممکن است
فقط در محدوده کم و مشخص درجه حرارت اتفاق می‌افتد
ممکن است کند و برگشت‌ناپذیر باشد
سریع و برگشت‌پذیر است
انتقال الکترون منجر به تشکیل باند بین ماده جذب شونده و سطح می‌شود
انتقال الکترون نداریم هرچند که ممکن است پلاریزاسیون ماده جذب شونده اتفاق بیافتد
تعادل جذب مهمترین خاصیت عمل جذب است که برای تعیین «مقدار ماده جذب شده تحت یک سری از شرایط معلوم غلظت و دما» و «میزان انجام یک جذب خاص وقتی که دو یا چند ماده قابل جذب وجود دارند» مورد تحقیق قرار می‌گیرد. روش‌های تئوری و تجربی زیادی برای تعیین تعادل جذب وجود دارند که در برخی موارد برای پیشگویی ایزوترم‌های جذب تحت شرایط عملیاتی متفاوت مناسب نمی‌باشند.

۱-۲-۵- انواع سیستم های جذب و بسترهای تماس جذب
در مقیاس صنعتی ماده جاذب به یکی از دو صورت پیوسته و ناپیوسته یا فاز محلول در تماس قرار می گیرند. در سیستم ناپیوسته جاذب و محلول در یک ت
انک مخلوط می گردند. این کار در یک زمان مشخص صورت می گیرد تا سیستم به حالت تعادل نزدیک شود. سپس مخلوط فیلتر می شود تا محلول از جاذب جدا گردد. سیستم های ناپیوسته معمولا برای حجم های کم تصفیه به کار می روند. در سیستم های پیوسته برای تأمین مداومت در تماس فاز جامد و فاز سیال بستر‌های متفاوتی نظیر بسترهای متحرک یا پالسی، بسترهای فلودایز و بستر ثابت بکار برده می شود که در این مطالعه جهت انجام آزمایشات از بستر ثابت استفاده شده است.

۱-۲-۵-۱- بستر ثابت
معمولی ترین نوع تماس دهنده ای که بکار برده می شود بستر ثابت است. به دلیل اهمیت بستر ثابت در صنعت و استفاده آن در این پروژه به طور مختصری شرح داده شده است. در این نوع تماس دهنده ، بستر جاذب در طول عمل تصفیه ثابت است. فاز سیال تا زمانی که به نقطه گذر (Break through) برسیم با ظرفیت جذب بستر تمام شود از بستر عبور می کند. سپس جاذب بستر را احیا می نمایند و یا جاذب فاز، جایگزین می کنند که در این تحقیق جهت انجام آزمایشات مقدار ارتفاع ستون با همان جاذب بکار برده شده (کربن فعال) تغییر داده شده است.
بسترهای ثابت را می توان به صورت جریان به سمت پایین یا بالا مورد استفاده قرار داد که در این تحقیق از جریان به سمت پایین استفاده شده است. از بسترهای ثابت با جریان به سمت پایین می توان به دو منظور، جذب سطحی و فیلتراسیون استفاده کرد، که استفاده دو فرآیند توأم با هم ، بدلیل کاهش عمر بستر و هزینه راه اندازی بالاتر بهره اقتصادی را کاهش می دهد.

۱-۲-۵-۲- دینامیک جذب سطحی در یک ستون جذب
در بیشتر موارد، فرآیند واقعی جذب در یک بستر ثابت انجام می شود. بدین ترتیب که ذرات جاذب درون یک برج قرار می گیرند و سیالی که دارای یک یا چند ماده جذب شونده باشد از داخل بستر عبور می کند. عمل جذب از ورودی برج شروع شده و تا انتهای آن ادامه می یابد. به واسطه ی جذب پیوسته ماده جذب شونده در طول بستر یک موج با یک ناحیه انتقال جرم تشکیل می شود.
ماده ی جذب شونده به سرعت در لایه های بستر جذب می شود و یک ناحیه ی اشباع در ورودی برج تشکیل می‌شود. زیر این ناحیه ، ناحیه دیگری وجود دارد که جذب دینامیک در آن رخ می دهد. یعنی انتقال جرم از سیال به داخل جاذب در این ناحیه انجام شده و ناحیه ی انتقال جرم نامیده می شود. ضخامت این ناحیه بوسیله فاکتورهای هیدرولیک کنترل می‌شود. ناحیه انتقال جرم به سمت پایین بستر جاذب حرکت می کند تا به انتهای آن برسد. اگر غلظت در جریان خروجی به طور مداوم اندازه گیری شود، وقتی ناحیه ی انتقال جرم به انتهای برج می رسد مواد جذب شونده در جریان خروجی مشاهده می شود. در نتیجه یک منحنی به دست می آید که به آن منحنی گذر گفته می شود. (Break through curve) که در واقع بیانگر تغییرات غلظت خروجی از برج نسبت به زمان با حجم محلول مورد تصفیه قرار داده شده می باشد. ارتفاع لایه انتقال جرم را همچنین ارتفاع بحرانی بستر هم می نامند. زمان یا حجم آب تصفیه شده تا نقطه گذر با افزایش ذرات جاذب، افزایش غلظت محلول ورودی، با افزایش نرخ جریان و کاهش عمق بستر، کاهش می یابد ]۴[.
۱-۲-۶-کربن فعال
از نظر اقتصادی، ترجیحاً موادی با کربن بالا و موادآلی کم برای تولید کربن فعال شده انتخاب می‌شود، ماده تشکیل شده جامد حاصل از عملیات پیرولیز باید دانسیته بالا و همچنین دارای گازهای فرار کافی باشند، آزادسازی گازهای فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذ در کربن می‌شود. دانسیته بالا باعث می‌شود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردار گردد موادخام مورد استفاده به ترتیب اهمیت آنها از نظر ظرفیت تولید کربن متخلخل، مشخصات نهائی و مقدار مصرف عبارتند از: چوب، زغال‌سنگ، سیگمنت (نوعی زغال‌سنگ)، پوست نارگیل و تورب.
کربن‌های فعال در اشکال گرانولی، پودری، اکسترودی و فیبری تهیه می‌شوند. در خواص کربن فعال پارامترهای مختلفی مانند ماده اولیه، روش فعال سازی، نسبت آغشتگی و نوع ماده ی اغشته کننده، دمای فعالسازی، زمان ماند در دمای نهایی و سرعت افزایش دما دخالت می کنند. علاوه بر شرایط تولید کربن، نوع ماده ی اولیه در خواص کربن فعال تولیدی موثر می باشد. به عنوان مثال میزان سلولز موجود در ماده اولیه بر میزان سطح فعال و ساختمان حفره ای کربن فعال موثر می باشد. به طوری که مواد اولیه با مقدار سلولز بالاتر لیگنین پایین تر برای تولید کربن مناسب تر هستند.
درصد خاکستر ماده اولیه نیز در میزان خاکستر وظرفیت جذبی کربن فعال حاصل موثر می باشد. هرچه مقدار خاکستر ماده اولیه کمتر باشد، کربن فعال با خاکستر کمتر به دست می آید که این امر در بسیاری از مصارف مختلف کربن فعال به ویژه در مصارف غذایی و دارویی مهم است. دانسیته توده ای مواد اولیه در مقاومت مکانیکی کربن فعال تولیدی موثر می باشد و از خورد شدن ذرات کربن در هنگام استفاده جلوگیری می کند. مواد اولیه با دانسیته توده ای کم برای تولید کربن های پودری مناسب می باشند در حالت کلی انتخاب ماده اولیه به مقدار سلولز، لیگنین و خاکستر آن بستگی دارد. استفاده از ضایعات گیاهی برای تولید کربن فعال علاوه بر کاهش هزینه ی تهیه ی مواد اولیه، میزان آلودگی ایجاد شده توسط آنها در محیط زیست را نیز کاهش میدهد. کربن ها را با توجه به نحوه ی آرایش و قرار گرفتن بلورهای آن در کنار هم به صورت گرافیت و غیر گرافیت تعریف کرده اند. کربن های گرافیتی دارای بلورهایی با سه بعد یکسان هستند در صورتی که کربن های غیر گرافیتی فاقد چنین ساختاری هستند. محصولات م
رحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب بسیار پایینی هستند که این ویژگی می تواند ناشی از کربونیزاسیون در دمای پایین و وجود ماده ی قیری مانده در منافذ باشد. کربن فعال به دلیل ویژگی های منحصر به فرد و همچنین قیمت پایین در مقایسه با جاذب های غیر آلی مانند ژئولیت از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشند.کربن های فعال شده به دلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح، یک ماده منحصر به فرد می باشند. کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزه های غیر دلخواه از آب در عملیات های خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بویژه در رستورانها، صنایع غذایی و شیمیایی می باشد، همچنین با مواد غیر آلی به عنوان کاتالیست نیز استفاده می شوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار می گیرند و به عنوان جدا کننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسید استیک نیز می توان از کربن فعال استفاده کرد. کربن فعال در مقایسه با کربن معمولی از مساحت سطح داخلی، تخلخل و قابلیت بیشتری برای جذب گازها و مایعات شیمیایی برخوردار است. این گروه از مواد به عنوان جاذب های حیاتی درصنایع شناخته شده اند و با توجه به این که قابلیت ویژه ای در جذب گازها و مایعات مزاحم دارند، در زمینه های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند و می توان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت مواد شیمیایی استفاده کرد. همچنین فیلترهای کربن فعال خاصیت جذب مواد آلی و بعضی فلزات سنگین محلول در آب را دارند و رنگ، بو، کلر و ترکیبات کلر را از آب جذب می کنند. از آنجا که بستر کربن فعال نیز مانند فیلترهای رزین، محیط مناسبی را برای تغذیه و بستر باکتری ها به وجود خواهد آورد، گندزدایی و تصفیه میکروبی از مراحل بعدی ضروری در تصفیه آب خواهد بود[۵].

۱-۲-۶-۱- کربونیزاسیون
در حین کربونیزاسیون اجزاء غیرکربنی، از قبیل هیدروژن و اکسیژن به‌صورت گاز از مواداولیه خارج می‌شوند و کربن‌های آزاد نیز به‌صورت گروهی، بلورهای گرافیت تشکیل می‌دهند. به‌دلیل وجود منافذ در بین بلورها آرایش‌یافتگی بلورها از دو طرف به‌صورت نامنظم می‌باشد. این فرآیند معمولاً در درجه حرارتی زیر ۸۰۰ درجه سانتیگراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر صورت می‌گیرد، پارامترهای مهم تعیین‌کننده کیفیت محصول تولید شده عبارتند از:
۱. نرخ حرارت دادن
۲. دمای نهائی
۳. مدت زمان خیساندن
ساختار ریز منافذ کربن در دمای در حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد شکل می‌گیرد. بعضی از این منافذ به‌وسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرآیند پیرولیز

گزینش‌پذیری، کربونیزاسیون پایان نامه ها و مقالات

دیدگاهتان را بنویسید