فهرست مطالبعنوان صفحهفهرست مطالب......... هشتفهرست شکل‌ها....... یازدهفهرست جدول‌ها.... دوازدهفصل اول21-1 اهمیت پروژه........ 21-2 هدف........ 31-3 کارهای مرتبط انجام‌گرفته........ 41-4 ساختار کلی پایان‌نامه.......... 6فصل دوم 72-1 اهمیت سوخت‌های زیستی............................. 72-2 بیوگاز.......................................... 82-2-1 .......... فرآیند تولید بیوگاز.............................. 82-3اتانول و اهمیت تولید آن............................ 102-4 سوبسترا و خوراک................................ 102-5 اطلاعات آماری از تولید جهانی الیاف................. 112-6 اثرات زیست محیطی الیاف نساجی پسماند............ 112-7 راهکارهای مدیریت الیاف نساجی زائد.............. 122-7-1 .......... استفاده مجدد.................................... 122-7-2 بازیافت.............................................. 122-8 طبقه‌بندی الیاف................................. 152-9 الیاف پلی‌استر.................................. 152-10 خصوصیات فیزیکی و شیمیایی پلی‌اتیلن ترفتالات...... 162-10-1 ........ هیدرولیز قلیایی پلی‌استر......................... 172-11 پنبه........................................... 182-11-1 ........ ساختار الیاف پنبه............................... 182-11-2 ........ ساختار سلولز.................................... 212-11-3 ........ حلال‌های سلولز.................................... 232-12پیش‌فرآوری......................................... 242-12-1پیش‌فرآوری با کربنات سدیم............................. 242-13 هیدرولیز....................................... 252-13-1 ........ هیدرولیز اسیدی.................................. 252-13-2 ........ هیدرولیز آنزیمی................................. 262-14 تخمیر.......................................... 26 فصل سوم: مواد و روش انجام آزمایش‌ها283-1 مواد مورد استفاده.............................. 283-1-1پارچه پنبه-پلی‌استر و پنبه خالص........................ 283-1-2 کربنات سدیم.......................................... 293-1-3 آنزیمهای مورد استفاده در هیدرولیز آنزیمی............. 293-1-4 مخمر استفاده شده در تخمیر........................... 293-1-5 کیت گلوکز............................................ 293-1-6 سایر مواد مورد نیاز.................................. 293-2 مخلوط میکروبی..................................... 293-3 تجهیزات به کار رفته............................... 303-3-1 حمام روغن............................................ 303-3-2 حمام آب.............................................. 303-3-3 اتوکلاو............................................... 303-3-4 کوره................................................. 303-3-5 آون.................................................. 303-3-6 راکتور............................................... 303-3-7 شیکر انکوباتور....................................... 303-3-8 سانتریفوژ............................................ 313-3-9 اسپکتروفوتومتر....................................... 313-3-10 دستگاه کروماتوگرافی گازی............................ 313-3-11.......... دستگاه کروماتوگرافی مایع با بازده بالا 313-3-12.......... سایر تجهیزات مورد نیاز.......................... 323-4 روش انجام آزمایش‌ها............................. 323-4-1 تعیین مقدار جامدات کل و جامدات فرار.................. 323-4-2 آنالیز ترکیب‌ها....................................... 333-4-3 .......... عملیات پیش‌فرآوری................................ 333-4-4آزمایش تولید بیوگاز در سیستم ناپیوسته................. 343-4-5 اندازه‌گیری و آنالیز بیوگاز تولید شده................. 353-4-6 هیدرولیز آنزیمی...................................... 363-4-7 .......... تعیین میزان قند آزاد شده از هیدرولیز آنزیمی 363-4-8 تخمیر................................................ 373-4-9 ظرفیت جذب آب......................................... 373-4-10 ........ بررسی ساختار ترکیب‌ها............................ 37فصل چهارم: ارائه و تحلیل نتایجError! Bookmark not defined.4-1مشخصات مخلوط میکروبی............................... 384-2پیش‌فرآوری.......................................... 394-2-1 .......... مقدار جامدات کل و جامدات فرار پنبه و پارچه 394-2-2 .......... بررسی تغییرات سطح پنبه در اثر پیش‌فرآوری با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی رویشی.................................. 404-2-3 .......... نتایج حاصل از FTIR و بررسی بلورینگی و ساختار سلولز424-2-4 .......... نتایج میزان جذب آب نمونه ها..................... 444-3 ترکیب درصد فاز جامد و مایع بدست‌آمده‌از پیش‌فرآوری464-3-1موازنه جرم کلی فرآیند................................. 464-3-2 .......... ترکیبات محلول حاصل از پیش‌فرآوری................. 464-3-3 ترکیبات جامد باقیمانده از پیش‌فرآوری.................. 464-3-4 .......... بررسی ساختار پلی‌استر............................ 474-4 تولید بیوگاز................................... 484-4-1 .......... مقادیر متان حاصل از هضم بی‌هوازی................. 484-4-2 کیفیت بیوگاز تولیدی.................................. 524-5 نتایج تولید اتانول................................ 534-5-1 .......... نتایج حاصل از هیدرولیز آنزیمی................... 534-5-2 .......... نتایج حاصل از تخمیر............................. 55فصل پنجم:نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات5-1 مقدمه.......................................... 575-2نتایج کلی حاصل از تحقیق............................ 575-3 پیشنهاد ها..................................... 59مراجع................................................. 60 فهرست شکل‌ها عنوان................................................. صفحه شکل 1‑1-مراحل انجام این پروژه4شکل 2‑1-مراحل کلی تولید بیوگاز9شکل 2‑2-روند کلی مدیریت ضایعات نساجی13شکل 2‑3- نمودار طبقه بندی الیاف14شکل 2‑4- ساختمان شیمیایی پلی‌استرهای مورد استفاده در تهیه لیف16شکل 2‑5-مکانیزم هیدرولیز قلیایی پلی‌استر17شکل 2‑6- گیاه پنبه18شکل 2‑7- تصویر سطح مقطع طولی و عرضی الیاف پنبه19شکل 2‑8- ساختار لیف پنبه19شکل 2‑9- شمایی از پیوند هیدروژنی و اتصالات (1→4) بتا گلوکوسایدی21شکل 2‑10-ساختار سلولز22شکل 2‑11- واحد تکرارشونده تشکیل‌دهنده سلولز22شکل 3‑1- تصویر پارچه و پنبه مورد استفاده در پیش‌فرآوری قلیایی28شکل 3‑2- طراحی آزمایش به شکل فاکتوریل کامل برای پیش‌فرآوری قلیایی34شکل 3‑3-منحنی برازش خطی استاندارد متان و CO235شکل 4‑1-تصویر SEM از نمونه پنبه خام با بزرگنمایی 500 و 100040شکل 4‑2-تصویر SEM از نمونه پنبه پیش‌فرآوری شده41شکل 4‑3-تصویر SEM از نمونه الیاف پنبه موجود در پارچه پنبه-پلی‌استر42شکل 4‑4- تصویر SEM از نمونه الیاف پنبه باقیمانده از پارچه پنبه-پلی‌استر پیش‌فرآوری شده41شکل 4‑5- نمودار جذب بر حسب عدد طول موج حاصل از آنالیز FTIR نمونه‌های پنبه42شکل 4‑6- نمودار جذب حاصل از آنالیز FTIR نمونه‌های پلی‌استر47شکل 4‑7-نمودار میله‌ای تجمعی میزان تولید متان از نمونه پارچه49شکل 4‑8-نمودار میله‌ای تجمعی میزان تولید متان از نمونه پنبه50شکل 4‑9-نمودار میله ای تجمعی تولید متان نمونه های پارچه، پنبه و نمونه ویسکوز50شکل 4‑10-نمودار میزان تجمعی متان تولیدی از نمونه پارچه51شکل 4‑11-نمودار میزان تجمعی متان تولیدی از نمونه پنبه51شکل 4‑12- بازده هیدرولیز آنزیمی نمونه‌های پیش‌فرآوری شده پارچه63شکل 4‑13- بازده هیدرولیز آنزیمی نمونه‌های پنبه63شکل 4‑14- بازده اتانول حاصل از تخمیر نمونه‌های پارچه و پنبه56فهرست جداول عنوان............... صفحه جدول 2‑1- جدول گروه‌بندی حلال‌های سلولز[52]23جدول 4‑1-غلظت و درصد جامدات کل و فرار مخلوط میکروبی39جدول 4‑2-درصد جامدات کل و جامدات فرار مربوط به پنبه و پارچه پیش‌فرآوری شده و خام39جدول 4‑3- میزان جذب بدست‌آمده از نمودار FTIR مربوط به گروه‌های عاملی مختلف43جدول 4‑4 شاخص بلورینگی نمونه‌های پیش‌فرآوری شده و پیش‌فرآوری نشده -44جدول 4‑5- ظرفیت جذب آب مربوط به پنبه پیش‌فرآوری شده و خام45جدول 4‑6- ظرفیت جذب آب مربوط به پارچه پیش‌فرآوری شده و خام45جدول 4‑7- نتایج حاصل از آنالیز FTIR نمونه‌های پلی‌استر47جدول 4‑8- نسبت‌های جذبی نمونه‌ِ‌‌های پلی‌استر48جدول 4‑9- کیفیت بیوگاز تولیدی از پارچه، پنبه و نمونه ویسکوز52جدول 4‑10- غلظت اتانول تولیدی پس از 24 ساعت تخمیر پارچه و پنبه پیش‌فرآوری شده و نشده55 چکيدهدر چند دهه اخیر به دلیل رشد جمعیت و همچنین ارتقاء سطح استانداردهای زندگی مصرف الیاف و به دنبال آن تولید مواد پسماند نساجی به شدت افزایش یافته‌است. از عمده‌ترین راهکارهای مدیریت مواد پسماند نساجی دفن و سوزاندن است که این راهکارها اثرات تخریبی زیست محیطی بدنبال دارند. این درحالی است که بخش عمده‌ای از این مواد پسماند قابلیت تبدیل به محصول‌های بیولوژیک از جمله بیوگاز را دارند. بیوگاز از دسته سوخت‌های زیستی است که طی چهار مرحله اصلی در اثر تخمير زیست توده توسط باكتري هاي بی‌هوازي تولید می‌شود. در این تحقیق به منظور افزایش بازده تولید بیوگاز،کاهش بلورینگی جزء پنبه‌ای و جداسازی الیاف پنبه از پلی‌استر، از پیش‌فرآوری با محلول کربنات سدیم برای پارچه پنبه-پلی‌استر و پنبه خالص استفاده شد و همچنین برخی ویژگی‌های پلی‌استر باقیمانده تعیین شد. نمونه‌های خام پنبه و پارچه جهت مقایسه، تحت پیش‌فرآوری با دماهای گوناگون (50، 100 و 150 درجه سانتی‌گراد)، در غلظت‌ها‌ی مختلف کربنات سدیم(0، 5/0 و 1 مولار) به مدت 120 دقیقه قرارگرفت. عملیات تهیه بیوگاز روی نمونه‌های خام و پیش‌فرآوری شده پارچه و پنبه و همچنین یک نمونه پارچه تهیه شده از پنبه بازیابی‌شده از نوع ویسکوز انجام گرفت. بیشترین مقدار متان تولید‌شده از پارچه و پنبه به‌ترتیب، 9/328 و 1/361 میلی‌لیتر به‌ازای هر گرم جامد فرار برای نمونه‌های پیش‌فرآوری شده در دمای 150 درجه سانتی‌گراد با غلظت 5/0 مولار کربنات سدیم به مدت زمان 120 دقیقه در طی 40 روز به‌دست آمد. همچنین تحت این شرایط دمایی و غلظت کربنات سدیم، الیاف پلی‌استر به میزان قابل توجهی هیدرولیز و از ساختار پارچه جدا شدند به‌طوری که درصد سلولز موجود در جامد باقیمانده پس از پیش‌فرآوری در حدود 91 درصد بدست آمد. متان تولیدی از ویسکوز طی مدت 40 روز، 7/381 میلی‌لیتر به‌ازای هر گرم جامد فرار بود.گرچه تصاویر تهیه شده به روش میکروسکوپ الکترونی روبشی از بهترین نمونه‌های پیش‌فرآوری شده و نمونه خام پنبه و پارچه، تغییر محسوسی جز اندکی تورم در ساختار میکروفیبریلی پنبه نشان نمی‌دهد اما نتایج حاصل از آنالیز FTIR نشان دهنده کاهش کریستالینیتی جزء پنبه‌ای و همچنین تبدیل سلولز نوع اول به نوع دوم است.بنابراین افزایش قدرت جذب، ازبین‌رفتن ناخالصی‌ها، کاهش بلورینگی بخش سلولزی و هیدرولیز بخش پلی‌استری در اثر پیش‌فرآوری قلیایی را می‌توان از عوامل افزایش بازده تولید بیوگاز و اتانول در این تحقیق دانست. همچنین نمونه‌های پیش‌فرآوری شده پنبه وپارچه خام جهت تعیین میزان گلوکز تولیدی به مدت 72 ساعت توسط آنزیمهای سلولاز و بتا گلوکسیداز هیدرولیز شدند. بهترین نمونه‌های هیدرولیز آنزیمی و همچنین نمونه‌های خام تحت شرایط تخمیر جداگانه توسط مخمر ساکارومایسیس سرویسیه به‌منظور تهیه اتانول قرارگرفتند. بیشترین بازده هیدرولیز آنزیمی در نمونه پنبه‌ای به ترتیب به میزان 9/87 و 9/88 درصد و در نمونه پارچه به‌ترتیب به میزان 5/79 و 7/81 درصد مشاهده شد. این درحالی است که بازده هیدرولیز آنزیمی نمونه پنبه خام 9/36 درصد و پارچه پیش‌فرآوری نشده 0/28 درصد بود. بیشترین بازده تولید اتانول از پنبه و پارچه به ترتیب 4/69 و 5/59 درصد بدست آمد. کلمه‌‌های کلیدی: بیوگاز، پارچه، پنبه، هیدرولیز آنزیمی، کربنات سدیمفصل اول: مقدمهبشر از هزاران سال پیش از میلاد مسیح با اهداف گوناگونی از الیاف نساجی استفاده می‌کند. گرچه تاریخچه مستندی از تکامل صنعت نساجی در دست نیست اما در ابتدا الیاف نساجی برای حمل مواد غذایی و در تهیه حصیر به عنوان سرپناه به‌کار می رفتند. در مراحل بعدی تکامل، الیاف نساجی به عنوان البسه مورد استفاده قرارگرفتند و امروزه در زمینه‌های گوناگونی چون پوشاک، وسایل خانه و صنایع کاربرد دارند[1].به دلیل افزایش جمعیت و ارتقاء سطح استانداردهای زندگی مصرف الیاف[1] در چند دهه اخیر به شدت افزایش یافته است. به طوری که در سال 2012 حجم تولیدات نساجی با 9/1 % افزایش به 5/88 میلیون تن رسید.گرچه ممکن است این الیاف پس از پایان طول عمر به نحوی دوباره در غالب محصولی دیگر مورد استفاده قرار گیرند، اما در نهایت دیر یا زود به عنوان زباله دور ریخته می‌شوند و الیاف جدید جایگزین الیاف فرسوده و کهنه می شوند]2و3[.تولید بیشتر به معنی مواد پسماند بیشتر، و همچنین اثرات زیست‌محیطی مخرب‌تر است. امروزه مواد پسماند نساجی[2] عمدتا توسط: استفاده مجدد(کالاهای نساجی دست دوم)[3]، استفاده مجدد در تولیدات(به عنوان ماده پرکنندهو استفاده در سایر بخش‌های صنعت نساجی)[4]، بازیافت[5](پلی استر)، تهیه کود کمپوست، دفن و یا سوزاندن [6]مدیریت می‌شوند. برخی از کارشناسان روش سوزاندن را برای تبدیل مواد پسماند به انرژی پیشنهاد می کنند، اما این روش با آزادسازی مواد سمی چون دیوکسین‌ها[7]، فلزات سنگین، اسید، گاز و ذرات گرد و غبار همراه است که همگی برای سلامت انسان و محیط زیست مضر هستند. همچنین سوزاندن مواد پسماند نیاز به تجهیزات پیشرفته دارد و حذف کامل مواد خطرناک نیز غیر ممکن است. دفن مواد پسماند به سبب ایجاد گازهای سمی آلوده کننده محیط زیست و هزینه بالایی که دربر دارد، آخرین و ناکارآمدترین راهکار جهت دفع مواد پسماند نساجی است[2]. بیش از 90% الیاف نساجی قابل بازیافت اند که یکی از راهکارهای دوستدار محیط زیست جهت دفع مواد پسماند نساجی است. اما فقدان روش مقرون به صرفه بازیافت در مقیاس وسیع و همچنین تنوع زیاد الیاف و رنگ های به کار رفته در پارچه از جمله محدودیت های این روش محسوب می شوند[3].به دلیل نگرانی های اقتصادی و زیست محیطی در چند دهه اخیر تحقیقات بسیاری جهت یافتن منابع انرژی تجدید پذیر قابل جایگزینی با سوخت های فسیلی صورت گرفته است. بیوگاز یکی از سوخت های زیستی است که از طریق هضم بی‌هوازی[8] بسترهای آلی بدست می‌آید و می‌تواند در تولید حرارت و نیرو جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی باشد یا حتی به عنوان سوخت وسایط نقلیه گازسوز مورد استفاده قرار گیرد. این سوخت بیولوژیک مزایای فراوانی از جمله قابلیت تجدیدپذیری، کاهش آزادسازی گازهای گلخانه‌ای[9] و تخفیف گرم شدن زمین در اثراین گازها، کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، انعطاف‌پذیری در مصرف نهایی و استفاده از مواد پسماند به عنوان ماده اولیه به‌همراه دارد[4].حدود 6/31 % از الیاف تولیدی نساجی را الیاف پنبه ای[10] تشکیل می دهند. الیاف جامدهای غنی از سلولز هستند که می توانند به عنوان خوراک در فرآیند هضم بی‌هوازی مورد استفاده قرار گیرند. با این وجود، تولید مناسب بیوگاز از مواد پسماند نساجی نیازمند توسعه فرآیند مناسب می‌باشد[5].اگر مواد پسماند پنبه‌ای به طور مستقیم در فرآیند بیوگاز به عنوان خوراک استفاده شود به بازده تولید متان مطلوبی بدست نمی‌آید. بنابراین جهت افزایش بازده لازم است که فرآیند‌های مقدماتی پیش‌فرآوری[11] روی مواد پسماند صورت گیرد[6].به کمک انجام عملیات پیش‌فرآوری مناسب بر روی مواد پسماند نساجی می‌توان به اهدافی چون تشکیل ساختاری سلولزی با بلورینگی کمتر، کاهش ناخالصی‌های موجود در کالا و همچنین افزایش سطح در دسترس سوبسترا دست یافت[7].در این تحقیق پیش‌فرآوری کربنات سدیم جهت بهبود تولید بیوگاز از پارچه پنبه-پلی‌استر به عنوان هدف اصلی مورد نظر قرارگرفت و شرایط بهینه تولید بیوگاز حاصل گردید. نمونه پنبه‌ای جهت مقایسه تحت شرایط دمایی و غلظتی مشابه پارچه پنبه-پلی‌استر پیش‌فراوری شد. بررسی میزان بهبود تولید اتانول و افزایش سطح در دسترس آنزیمی نمونه‌های پنبه و پارچه در اثر اعمال پیش‌فرآوری از اهداف فرعی پروژه بود. بررسی میزان جداسازی جزء پنبه از پلی‌استر در عملیات پیش‌فرآوری در دمای 150درجه سانتی‌گراد و غلظت 5/0 مولار نیز از اهداف فرعی پروژه بود. نوآوری این پروژه اثر محلول قلیایی بر کاهش بلورینگی و ناخالصی جزء پنبه‌ای و همچنین هیدرولیز همزمان بیش از 97 درصد بخش پلی‌استری در دمای 150 درجه است. مراحل انجام کاردر شکل 1‑1 ملاحظه می‌شود.