تصفیه آب های آلوده به آمونیاک با استفاده از تکنولوژی غشاء

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد شیراز

پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد (M.Sc.)

رشته وگرایش:

مهندسی پلیمر  صنایع پلیمر

عنوان:

تصفیه آب های آلوده به آمونیاک با استفاده از تکنولوژی غشاء

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                     صفحه

 

فصل اول: مقدمه

۱ – ۱٫ مقدمه ————————————————————— ۲

۱ – ۲٫ ترکیبات موجود در پساب­های پالایشگاهی———————————– ۴

۱ – ۳٫ استاندارد دفع پساب —————————————————- ۵

۱ – ۴٫ مشکلات ناشی از وجود آمونیاک وکامپونت­های نیتروژن در آب——————- ۹

۱ – ۵٫ روش­های حذف آمونیاک و کامپونت­های نیتروژن در آب ———————–  ۱۰

۱ – ۶٫ فرایندهای غشایی —————————————————— ۱۲

۱ – ۷٫ اهداف پروژه   ——————————————————-  ۱۳

۱ – ۸ .نتیجه­گیری  ———————————————————- ۱۴

فصل دوم: فرایندهای غشایی 

۲ – ۱٫ غشاء چیست؟ ——————————————————— ۱۶

۲ – ۲٫ توسعه تاریخی غشاها ————————————————–   ۱۷

۲ – ۳٫ دورنمایی از محدوده و کاربردهای فرآیندهای غشایی ————————-   ۲۰

۲ – ۴٫ مدول­های فرایند­های غشایی ———————————————  ۲۳

۲ – ۵٫ مزایای استفاده از تکنولوژی غشاء —————————————–  ۲۷

۲ – ۶٫ میکرو فیلتراسیون —————————————————–  ۲۸

۲ – ۷٫ اولترا فیلتراسون  ——————————————————- ۳۰

۲ – ۸٫ انواع فرایندهای فیلتراسیون ———————————————   ۳۱

۲ – ۹٫ فاکتورهای مؤثر بر شار عبوری حین فیلتراسیون —————————-    ۳۴

۲- ۹ – ۱٫ اختلاف فشار در دو طرف غشاء —————————————-  ۳۴

۲ – ۹ – ۲٫ سرعت خطی یا سرعت جریان متقاطع  ——————————–   ۳۶

۲ – ۹ – ۳٫ دما  ———————————————————–    ۳۷

۲ – ۱۰٫ دلایل کاهش شار  —————————————————   ۳۷

۲ – ۱۰ – ۱٫ قطبیت غلظتی  ————————————————–  ۳۸

۲ – ۱۰ – ۲٫ گرفتگی غشاء  —————————————————  ۳۸

۲ – ۱۱٫ مکانیزم های جداسازی غشایی——————————————   ۴۶

۲ – ۱۱ – ۱٫ نفوذ نادسن —————————————————–  ۴۷

۲ – ۱۱ – ۲٫ نفوذ سطح گزینشگر ———————————————-  ۴۸

۲ – ۱۱ – ۳٫ موئینگی تراکمی ————————————————-  ۴۸

۲ – ۱۱ – ۴٫ غربالگری مولکولی ————————————————  ۴۹

۲ – ۱۱ – ۵٫ انحلال نفوذ —————————————————–  ۴۹

۲ – ۱۲٫ غشاء­های پلیمری —————————————————– ۵۰

۲ – ۱۲ – ۱٫ نفوذ ———————————————————–  ۵۲

۲ – ۱۲ – ۲٫ جذب ———————————————————-  ۵۴

۲- ۱۳٫ اسمز معکوس ——————————————————— ۵۵

۲ – ۱۴٫ غشاءهای ماتریس آمیخته ———————————————   ۶۵

فصل سوم: مواد و روش­ها

۳ – ۱٫ مواد شیمیایی ——————————————————–   ۸۱

۳ – ۱ – ۱٫ پلی­ال ———————————————————–  ۸۲

۳ – ۱ – ۲٫ دی ایزوسیانات —————————————————   ۸۲

۳ – ۱ – ۳٫ زنجیرگسترنده —————————————————-  ۸۳

۳ – ۱ – ۴٫ کاتالیست ——————————————————–  ۸۳

۳ – ۱ – ۵٫ حلال ———————————————————-    ۸۳

۳ – ۲٫ روش انجام کار ——————————————————-  ۸۴

۳ – ۲ – ۱٫ تجهیزات و امکانات مورد نیاز برای سنتز پلی­یورتان ———————-    ۸۴

۳ – ۲ – ۲٫ واکنش سنتز پلی­یورتان ——————————————–  ۸۵

۳ – ۲ – ۳٫ ساخت غشای چگال از پلی­یورتان خالص ——————————-   ۸۸

۳ – ۲ – ۴٫ فیلم­کش با تیغه استیل قابل تنظیم  ———————————–  ۸۸

۳ – ۳٫ نکات ضروری  ——————————————————-    ۸۹

۳ – ۴٫ دستگاه مورد استفاده برای تست غشاء ————————————    ۹۲

۳ – ۴ – ۱٫ سیستم اسمز معکوس با مدول غشائی ———————————   ۹۲

۳ – ۵٫ طرح آزمایشات ——————————————————-   ۹۶

۳ – ۶٫ بررسی مشخصات غشاء ———————————————–     ۹۶

۳ – ۶– ۱٫ آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی ————————————-    ۹۶

۳ – ۶ – ۲٫ آنالیز طیف سنجی مادون قرمز فوریه ———————————    ۹۷

۳ – ۶ – ۳٫ آنالیز میکروسکوپ الکترونی —————————————-    ۹۷

۳ – ۶ – ۴٫ آنالیز توزین حرارتی (TGA) —————————————   ۹۸

۳ – ۶ – ۵٫ آنالیز زاویه تماس (CA) ——————————————-  ۹۸

فصل چهارم: بحث و نتیجه گیری

۴ – ۱٫ نتایج آنالیزهای غشاءهای ساخته شده ————————————  ۱۰۲

۴ – ۱ – ۱٫ نتایج آنالیز RFTI ———————————————–  ۱۰۲

۴ – ۱ – ۲٫ نتایج آنالیز DSC ———————————————–   ۱۰۳

۴ – ۱ – ۳٫ نتایج آنالیز TGA ———————————————— 107

4 – ۱ – ۴٫ نتایج حاصل از آنالیز CA —————————————— 109

4 – ۱ – ۵٫ نتایج آنالیز SEM ———————————————— 110

4 – ۲٫ آزمون­های تراوایی غشاء ———————————————–  ۱۱۴

۴ – ۲ – ۱٫ بررسی اثر فشار بر روی تراوایی غشاء­  ——————————–  ۱۱۴

۴ – ۲ – ۲٫ بررسی تأثیر گذشت زمان بر شار عبوری از غشاء————————- ۱۱۵

۴ – ۳٫ نتیجه گیری نهایی —————————————————  ۱۱۹

۴ – ۴٫ پیشنهادات ———————————————————   ۱۲۱

منابع و مراجع ————————————————————– ۱۲۲

 

فهرست جداول

عنوان                                                                     صفحه

جدول  – ۱ – ۱٫  آلاینده­های پساب و منابع آن­ها  ————————————۴

جدول  – ۱ – ۲٫  استاندارد خروجی فاضلاب­های صنعتی —————————— ۶

جدول  – ۲ – ۱٫  مقایسه میان چهار فرایند غشایی ———————————-۲۰

جدول  – ۲ – ۲٫ خلاصه­ای از تکنولوژی­های مختلف جداسازی غشایی ——————-۲۲

جدول  – ۳ – ۱٫  نام و مشخصات مواد استفاده شده  ——————————– ۸۱

جدول  – ۳ – ۲٫  محاسبات ترکیب مواد اولیه برای سنتز پلی­یورتان ———————۹۱

جدول  – ۴ – ۱٫  دمای ذوب غشاء­های مختلف با توجه به آنالیز DSC —————-  ۱۰۶

جدول  – ۴ – ۲٫  نتایج آنالیز بررسی  زاویه­ی تماس با سطح————————–۱۰۹

 

فهرست شکل­ها

عنوان                                                                     صفحه

 

شکل – ۱- ۱٫ موازنه آب در پالایشگاه ———————————————-۳

شکل – ۲ – ۱٫ نمایش ترسیمی دو فاز جدا شده توسط یک غشاء———————– ۱۷

شکل – ۲ – ۲٫ مدول غشایی مارپیچی ——————————————-  ۲۵

شکل – ۲ – ۳٫ مقطع عرضی مدول مارپیچی ————————————–  ۲۵

شکل – ۲ – ۴٫  مدول غشایی صفحه و قاب —————————————  ۲۶

شکل – ۲ – ۵٫  مدول غشایی الیاف میان تهی ————————————   ۲۶

شکل – ۲ – ۶٫ انجام فیلتراسیون به طریق جریان انتهای بسته و جریان متقابل ———— ۳۲

شکل – ۲ – ۷٫  تغییر شار و ضخامت کیک در جران انتهای بسته و جریان متقابل ——–   ۳۲

شکل – ۲ –  ۸٫ اشکال مختلف اولترافیلتراسیون با جریان –  متقابل ———————۳۳

شکل – ۲ – ۹٫  تغییرات شار عبوری از غشاء با تغییر شرایط عملیاتی ——————   ۳۵

شکل – ۲ – ۱۰٫ اثر عوامل مختلف بر فرایند اسمز معکوس —————————- ۶۳

شکل – ۳ – ۱٫ تصویری از سامانه مورد استفاده در سنتز پلی­یورتان ——————— ۸۵

شکل – ۳ – ۲٫ سنتز پلی‌یورتان از طریق واکنش دو مرحله‌ای ————————-  ۸۷

شکل – ۳ – ۳٫ فیلم کش غشاء با تیغه تمام استیل متحرک —————————۸۹

شکل – ۳ – ۴ . سیستم اسمز معکوس آزمایشگاهی همراه با مدول غشاء——————۹۴

شکل – ۳ – ۵٫ مدول غشایی باز شده ———————————————۹۵

شکل – ۳ – ۶٫ مدول غشایی بسته ———————————————–۹۵

شکل – ۴ – ۱٫ طیف FTIR غشاءهای ساخته شده———————————۱۰۳

شکل – ۴ – ۲٫  نتایج آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی ——————————۱۰۵

شکل – ۴ – ۳٫ نمودار آنالیز تخریب حرارتی با دستگاه TGA ———————— 108

شکل – ۴ – ۴٫ تصاویر SEM سطحی و مقطع شکست غشاءهای پلی یورتان (PU)——- 113

شکل – ۴ – ۵٫  نمودار بررسی اثر فشار بر شار عبوری از غشاء ———————– ۱۱۵

شکل – ۴-۶٫ نمودار میزان جداسازی با گذشت زمان ——————————-  ۱۱۶

شکل – ۴-۷٫ نمودار میزان شار عبوری با گذشت زمان ——————————-۱۱۷

 

 

چکیده

 

امروزه جداسازی غشایی به عنوان جایگزین فناوری­ها معمول فرایند­های جداسازی و به ویژه در جداسازی گازها و محلول­هایی با آلودگی­های خیلی کم و یا دست یابی با درجه خلوص بالا مطرح شده است. غشاءهای پلیمری برای جداسازی استفاده می شوند با این حال عملکرد جداسازی آنها به اندازه کافی برای امکان سنجی صنعتی مناسب نیست. از سوی دیگر غشاءهای معدنی دارای عملکرد جداسازی خوبی هستند اما فراوری آن­ها با مشکلاتی همراه است. بنابراین توسعه غشاهءها با مورفولوژی جدید برای اصلاح خواص تراوش گازی غشاءها مورد نیاز است.

در نتیجه غشاءهای ماتریس آمیخته متشکل از ماتریس­های پلیمری و ذرات معدنی / آلی پراکنده در ابعاد نانو نوع جدیدی از غشاءها هستند که برای از بین بردن محدودیت غشاءهای پلیمری توسعه داده شده­اند. بهترین مکانیزم انتقال از این غشاء ها با بررسی اثر پارامترهای آماده سازی و عملیاتی می­تواند به دست آید. در این پروژه به بررسی اثر مقادیر ۳ درصد وزنی از نانوسیلیکا اصلاح نشده و نانوسیلیکا اصلاح شده با فلوئور (نانو سیلیکا فلوئوره)، زمان و فشار بر عملکرد جداسازی غشاءهای آمیخته نانوکامپوزیتی پرداخته می­شود. غشاءهای مورد استفاده در این پروژه یک ساختار خاص از پلی­یورتان و نانوذرات سیلیکا و سیلیکا فلوئوره می­باشد. ساخت غشاءهای خالص پلی یورتان و غشاءهای ماتریس آمیخته پلی یورتانی مورد بررسی قرار گرفته است. نانو ذرات سیلیکا اصلاح نشده از شرکت مرک (آلمان) تهیه شده­اند ونانو ذرات سیلیکا فلوئوره در دانشگاه شیراز سنتز شده­اند. غشاءها با استفاده از فیلم­کش و روش تبخیر حلال تهیه شده­اند.

برای تفهیم بهتر از ساختار غشاء آنالیزهای TGA ، FESEM ، FTIR ، DSC  وContact angle (CA) استفاده شده است. آنالیز DSC نشان داد که افزایش نانوذرات منجر به افزایش دمای انتقال شیشه­ای و مقاومت حرارتی نانوکامپوزیت­های پلیمری می­شود. آنالیز FTIR حضور ذرات نانوسیلیکا و فلوئور را بر روی سطح نانوکامپوزیت­ها نشان می­دهد. تصاویر SEM تغییر مورفولوژی پلیمر را با اضافه کردن نانوذرات نشان می­دهد. آنالیزTGA  افزایش مقاوت حرارتی را با اضافه کردن نانوذرات را نشان می­دهد. آنالیز CA اثر نانوذرات را بر روی آب دوستی یا آب گریزی غشاء نانوکامپوزیتی را نشان می­دهد. افزایش نانوذرات تراوایی گاز آمونیاک را از غشاء به طور چشمگیری افزایش می­دهد.

واژه های کلیدی :

جداسازی غشایی ، نانوکامپوزیت ، پلی یورتان ،آمونیاک ، غشاءی ماتریس آمیخته

 

12000 تومان – خرید