پاورپوینت تقطیر غشایی


http://imannasa2000.blogfa.com

انتقال جرم در تقطیر غشایی اسمزی(OMD)

اسمز معکوس:
منظور از اسمزمعکوس عبور یک حلال مانند آب از یک غشای چگال است که نسبت به حلال تراوا است (A)، اما نسبت به حل شونده (ها) ناتراوا است (B) (مانند یونهای غیر آلی).

فرآیند اسمز بعنوان یک فرآیند تفکیک مفید نیست، چرا که حلال در جهت اشتباهی منتقل می شود که این به جای تفکیک باعث ترکیب می شود. ولی جهت انتقال حلال درون غشا می تواند چنانچه در شکل صفحه بعد نشان داده شده، معکوس شود. این کار با اعمال فشار بر سمت چپ غشا صورت می گیرد که بزرگتر از مجموع فشار اسمزی و فشار در سمت راست است.

پدیده اسمز و اسمز معکوس (a):وضعیت اولیه ,(b):تعادل بعد از اسمزی, (c):اسمزمعکوس

تفکیک غشایی اسمز معکوس (RO):
در یک فرآیند تفکیک غشایی اسمز معکوس (RO) محلول تغذیه مایعی با فشار بالاست P1که حلال (مانند آب) و حل شونده هایی (مانند نمک های غیرآلی و شاید مواد کلوئیدی) را در بر می گیرد.

از هیچ مایع روبشی استفاده نمی شود، ولی سوی دیگر غشا در فشار پایینتر نگه داشته می شود. از یک غشای چگال مانند استات یا پلی آمید های معطر استفاده می شود که برای حلال نفوذگزین هستند.

برای تحمل این اختلاف فشار شدید، غشا باید ضخیم باشد. از اینرو، از غشاهای مرکب نامتقارن یا جدار نازک استفاده می شود که دارای یک پوسته یا لایه نازک چگال هستند که بر روی یک پایه متخلخل کشیده می شود.

مهمترین کاربرد اسمز معکوس در نمکزدایی آب جهت تولید آب آشامیدنی است.

غشای مناسب برای نمک زدایی از آب دریا که حدود 3.5 % نمک نامحلول دارد و فشار اسمزی 350 psia دارد، یک ماژول چند برگی spiral-wound مورد استفاده قرار می گیرند.

در صورتی که آلودگی شدید نباشد، به منظور نمک زدایی آب شور که کمتر از 0.5 % نمک نامحلول دارد، ماژول های hollow-fiber مورد استفاده قرار می گیرند.

نیروی محرک برای انتقال حلال درون غشا است و نرخ انتقال جرم برابر است با:

اختلاف فشار هیدرولیکی در سرتاسر غشا =

اختلاف فشار اسمزی در سرتاسر غشا =

شار ماده حل شده(نمک) می تواند برای سهولت کاربرد بر حسب عبور نمک ،SP ، توضیح داده شود که بوسیله این معادله تعریف می شود:

مقادیر SP با افزایش کاهش می یابند. پس زدن نمک با معادله SR=1-SP داده می شود.

شارش ماده حل شده (مثل نمک) شود در سرتاسر غشا از ΔP مستقل است بنابراین هر چه اختلاف فشار بیش تر باشد، آب رد شده از غشا خالص تر خواهد بود.

یک نمودار شماتیک از یک فرآیند معمول اسمز معکوس:

تاثیر غلظت قطبیت براسمز معکوس:

برخی دیگر از کاربردهای اسمز معکوس:

(1)تصفیه فاضلاب صنعتی جهت زدودن یونهای فلزات سنگین، مواد تجزیه ناپذیر، و اجزاء دیگری که دارای ارزش تجاری باشند.

(2)زدودن rinse water از فرآیندهای آب کاری جهت بدست آوردن یک محلول اشباع یونی فلزی و یک مادع عبور کرده از غشا که می تواند بعنوان یک rinse مورد استعمال مجدد قرار گیرد.

جداسازی سولفیت و بی سولفیت از سیال های خروجی در فرآیندهای خمیر و کاغذ.

تصفیه فاضلاب در فرآیندهای رنگ کردن.

تصفیه آب شهری جهت زدودن نمک های غیر آلی، ترکیبات آلی با وزن مولکولی پایین، ویروسها و باکتریها.

آب گیری از برخی محصولات غذایی ویژه مانند قهوه، سوپ، چای، شیر، آب پرتقال، و آب گوجه.

OMD یکی از انواع MD می باشد که در دمای پائین عمل می کند. MD از کاربردهای نسبتاً جدید فرآیندهای غشائی است که می تواند در جداسازی محلولهای آبدار مورد استفاده قرار گیرد.

تقطیر غشائی به چندین روش اجرا می شود که در نوع راه های نفوذ مکانیسم انتقال جرم درغشاء و علت تشکیل نیروی رانش با یکدیگر تفاوت می کنند .

اساس کار بر تعادل گاز-مایع استوار است.ابتدا مایع در طرف غشائ تبخیر شده و با عبور از غشاءدر طرف دیگر چگالیده می شود.

نفوذ مولکولی و نفوذ نادسن با توجه به قطر حفره ها ی غشاء مکانیزم های غالب بر نفوذ از غشاء می باشند.

فواید تقطیر غشائی:
دمای عملیاتی پایین

قابلیت جداسازی ذرات کوچک به اندازه 7-0.1 نانومتر

نیاز به منبع انرژی پایین و داشتن صرفه اقتصادی بالا

مانع از هم پاشیدگی مزه و رنگ مواد غذایی می شود.

تسهیل در تغلیظ خوراک های آلی در شرایط عملیاتی ملایم

کاربردهای تقطیر غشایی:
نمک زدایی

شیرین سازی آب برای مصارف آشامیدنی و صنعتی

تغلیظ آب میوه

انواع تقطیر غشائی :
تقطیر غشائی تماس مستقیم (DCMD)

تقطیر غشائی با شکاف هوایی (AGMD)

تقطیر غشائی اسمزی (OMD)

تقطیر غشائی با خلاء (VMD)

:OMDاصول فرایند
دمای محلول ورودی پائین و نزدیک به دمای جریان محلول در طرف دیگر غشاهاست.

اختلاف فشار بخار در عرض غشاء ناشی از استفاده یک محلول با فشار بخار پائین آب (محلول استخراج کننده) در طرف محلول استخراجی است.

خواص محلول استخراجی:
انحلال پذیری آب به مقدار زیاد

فراریت کم

ویسکوزیته پایین

کشش سطحی بالا

انتقال جرم:
مدلهای کلاسیک نفوذ گاز در پوشش متخلخل مانند نفوذ مولکولی یا نفوذ نادسن برای انتقال جرم در عرض غشاء در فرآیندهای MD استفاده شده است.

نیروی رانش در MD گرادیان فشار جزئی در فاز بخار است که به صورت زیر داده شده است.

انتقال جرم درون غشاء در فرایند MD به علت اختلاف پتانسیل شیمیایی در دو طرف غشاء می باشد.

مقدار پتانسیل شیمیایی وابسته به دما، فشار و ترکیب محلول است.

فرض می کنیم حالت (1) حالت ماده خالص (0) باشد :

بنابراین داریم :

قطبیت دمایی:

اختلاف دما در فرآیند OMD باید مینیمم باشد زیرا گرادیان فشار بخار تولید شده با این اختلاف دما عکس گرادیان فشار تولید شده با گرادیان غلظت است. بنابراین حاصل شده سبب می شود که نیروی رانش برای انتقال بخار کاهش یابد.

قطبیت غلظتی:
آب تنها از بین غشاء عبور کند، بنابراین غلظت حل شونده نزدیک غشاء در طرف خوراک بزرگتر از بالک هست و غلظت حل شونده در طرف محصول کمتر از بالک هست، این پدیده به عنوان قطبیت غلظتی نامیده شده و بر کاهش نیروی رانش در عرض غشاء اثر می گذارد.

یک شرط اساسی برای اجرا کردن فرآیند OMD نگهداشتن فاز گاز در خلل و فرج غشاء است.

پلی پروپیلن(PP)

پلی تترا فلورواتیلن (PTFE)

پلی وینیل دن فلوراید (PVDF)

از آنجا که فلاکس تراوایی در فرآیند OMD متناسب با عکس مقدار طول خلل و فرج، غشاء ها باید تا حد ممکن باریک باشند.

مقاومت گرمایی غشاء با کاهش ضخامت کاهش می یابد. این از مزیت های غشاء است زیرا غشاء استفاده شده در فرآیند باید تا حد ممکن هدایت حرارتی بالا داشته باشند.

کاهش مقاومت دمایی غشاء انتقال حرارت از آب شور به خوراک را تسهیل می کند:

یکی از محدودیت های فرآیند OMD احتمال خیس شدگی غشای هیدروفوییک که منجر به کاهش فلاکس تراوایی و عملکرد جداسازی می شود.

برای جلوگیری از خیس شدگی از غشاهای هیدروفوییک استفاده می شود که در غشاهای هیدروفوییک با اصلاح سطح غشاء با پوشش توسط لایه نازک پلیمر هیدروفوییک دست یافتنی است.

مشخصات غشا های استفاده شده در OMD

ماژولهای OMD و کاربردهای فرآیندی:
فلاکس تراوایی در فرآیند OMD به طور چشم گیری تحت تاثیر طراحی ماجول و شرایط عملیاتی است.

غشاء ها ممکن است مسطح باشند یا به فرم فیبرهای تو خالی

نظر به ویسکوزیتی بالای مایعات در میان ماژولهای OMD به کار بردن قاب و صفحه یا ساختارهای جراحت مارپیچ پیشنهاد می شود بعلاوه ماجول صفحه و قاب (همچنین جراحت مارپیچ) غشاهایی با ضخامت کمتر دارند.

در فرآیند OMD با استفاده از ماجول Hellical، غلظت بالاتر حل شونده ها و دو برابر فلاکس بزرگتر نسبت به ماجولهای با جریان شعاعی بدست می دهد .

ماژولهای فیبر متخلخل Helically woundیک پیشرفت مهمی در شرایط هیدرودینامیکی روی قسمت پوسته در مقایسه با ماژولهای جریان شعاعی پیشنهاد می کند

اثر ضخامت غشاء استفاده شده بر فلاکس نفوذی در طول فرایند های OMD و DCMD :

تقطیر غشایی اسمزی(OMD) یک پروسه ی غشایی همراه با حرارت جدید می باشد.که رسیدن به حداکثر غلظت مواد غذایی مایع را برای شرایط عملیاتی ملایم تسهیل می بخشد.

آزمایش ها با یک سیستم واقعی (آب لیمو/آب آناناس)در یک مدل غشاء مسطح انجام شده است عامل اسمزی مثل کلرید کلسیم و کلرید سدیم برای تغییر غلظت بکار می رود.

مقاومت لایه مرزی خوراک ،علاوه بر لایه مرزی آب نمک و غشاء در نظر گرفته شده است.

انتقال جرم در لایه مرزی توسط تابعی از اعداد بدون بعد تعریف می شود در حالی که انتقال جرم در غشاء بر اساس نادسن یا نفوذ مولکولی در نظر گرفته می شود.

شرح فرایند آزمایش:

جنبه انتقال جرم:
رابطه ی بنیادین بین فلاکس انتقال جرم با نیروی محرکه ی اختلاف فشار مایعات دو طرف غشاء به صورت رابطه زیر بیان می شود.

K ضریب انتقال جرم کلی و به صورت زیر محاسبه می شود:

در این رابطه KOA وKm وKf به ترتیب مقاومت انتقال جرم در لایه ی عامل اسمزی ،لایه ی غشاء و لایه ی خوراک می باشد.

وقتی اندازه حفره های غشا نسبتاً بزرگ باشد، برخورد بین مولکول های نفوذ کننده بیشتر می باشد. چنین انتقال جرمی، به عنوان نفوذ مولکولی بیان می شود.

ضریب نفوذ غشاء

وقتی که پویش آزاد متوسط نسبت به اندازه حفره ها بزرگتر باشد، مولکول های نفوذ کننده مرتباً با دیواره حفره ها برخورد می کنند و قطر حفره ها اهمیت دارد. چنین انتقال جرمی به عنوان نفوذ نادسن بیان می شود.

ضریب نفوذ غشاء

D ضریب نفوذ می باشد و می تواندبا رابطه زیر بیان شود:

انتقال جرم در لایه های مرزی :
ضریب انتقال جرم در لایه مرزی خوراک و عامل اسمزی را می توان توسط روابط تجربی بیان کرد که شامل ترم های مربوط به خواص فیزیکی و شرایط هیدرو دینامیکی محلول ها می باشد و داریم:

ضریب نفوذ آب می باشد و می توان آن را از رابطه زیر به دست آورد:

تاثیر غلظت عامل اسمزی:
شار میان غشایی با افزایش غلظت عامل اسمزی ، افزایش می یابد. این افزایش، عمدتاً به دلیل اختلاف فشار بخار بیشتر است که منجر به افزایش نیروی محرکه انتقال آب از غشا می شود.

تاثیر شدت جریان عامل اسمزی:
با افزایش جریان ،شار میان غشایی به تدریج افزایش می یابد. این موضوع می تواند ناشی از کاهش لایه قطبیت غلظت باشد ( به دلیل کاهش ضخامت لایه مرزی هیدرودینامیکی).

تاثیر سایز حفره ها:
نتایج در شکل زیر آورده شده است که مشاهده می شود که شار میان غشایی، در بازه مورد بررسی، تغییری با تغییر اندازه حفره نمی کند.

تاثیر نوع عامل اسمزی:
دو عامل اسمزی NaCl و CaCl2.2H2O با غلظت های متفاوت ( 2 تا 14 مولار برای CaCl2.2H2O و 2 تا 6 مولار برای NaCl) در آزمایش ها، به کار گرفته شده است.

کلرید کلسیم در مقایسه با کلرید سدیم، در تمام غلظت ها، شار میان غشایی بالاتری می دهد.

عمدتاً فعالیت اسمزی بالاتر کلرید کلسیم ( نسبت حلالیت آب به وزن اکی والان ) دلیل این امر می باشد، که گرادیان فشار بخار بالاتر در طول غشا را ایجاد می کند.

تاثیر دما:
در اینجا آزمایش ها با ثابت نگه داشتن دمای عامل اسمزی در 28 ± 0.5 °C به کمک ثابت نگه داشتن دمای حمام آب با تغییر دادن دمای خوراک ( آب آناناس/ لیمو شیرین ) بین 30 تا 38 درجه سانتیگرادو (این آزمایش برای تغلیظ مایعات غیر حساس به دما مفید است.) انجام شد.

نتایج:
با در نظر گرفتن ضرایب انتقال جرم در لایه های مرزی خوراک و عامل اسمزی و همچنین در غشا، شارهای تئوری تخمین زده شدند که در جدول آمده است.

برای تخمین انتقال آب در لایه های مرزی (سمت خوراک و عامل اسمزی)، از رابطه ی تجربی شامل اعداد بی بعد، استفاده شد.دستگاه غشای به کار رفته، تخت و جریان آرام ( مقادیر NRe­ بین 18 تا 430 است)و سرعت انتقال جرم پایین است. ثوابت در معادله برابر با b1=0.664، b2=0.5 و b3= 0.33 در نظر گرفته شد.

مقادیر ضریب انتقال جرم برای غلظتهای متفاوت عامل اسمزی:

مقادیر ضریب انتقال جرم برای شدت جریان های متفاوت :

مراجع:
Osmotic MD and other membrane distillation variants, Marek Gryta
Institute of Chemical and Environment Engineering, Technical University of Szczecin, ul. Pulaskiego 10, 70-322 Szczecin, Poland,2004

2) Mass transfer in osmotic membrane distillation,Naveen Nagaraj,B.Ravindra Babu

Department of Food Engineering, Central Food Technological Research Institute, Mysore 570013, India,2005

E-mail: iman_nasa2000@yahoo.com

باتشکراز توجه شما