فهرست مطالبعنوان صفحهفهرست مطالب 6فهرست شکل ها......... 7فهرست جداول ..... 11چکیده... 12پیش گفتار ....... 131. فصل اول . 131-1مقدمه.. 141-2شناسایی آلاینده فنلی.. 141-3روش های حذف فنل.. 161-3-1 جذب سطحی.. 171-3-2 رزین‌های تبادل یونی.. 181-3-3 انعقاد الکتریکی.. 191-3-4 فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته.. 191-3-5 استفاده از سیال فوق بحرانی CO2. 201-3-6 استفاده از اشعه UV.. 211-3-7 روش‌های بیولوژیکی.. 221-3-8 فرآیندهای غشایی.. 242. فصل دوم . 312-1مقدمه.. 322-1-1 بیوراکتور غشایی.. 322-2بررسی پژوهش‌های صورت پذیرفته در زمینه حذف فنل توسط بیوراکتور 333. فصل سوم . 413-1دینامیک سیالات محاسباتی.. 423-2تشریح فرآیند .. 423-3فرضیات .. 433-4معادلات برای درون الیاف .. 453-5معادلات برای غشاء .. 463-6معادلات برای پوسته.. 473-7مکانیزم واکنش.. 483-8معادله حاکم بر تانک خوراک.. 493-9معادله حاکم بر تانک سلولی.. 494. فصل چهارم . 504-1مقدمه.. 514-2نحوه انجام شبیه سازی به کمک نرم افزار .. 515. فصل پنجم. 595- 1 مقدمه .. 605-2توزیع غلظت .. 605-2-1 توزیع غلظت درون الیاف.. 605-2-2 توزیع غلظت در پوسته.. 615-3توزیع سرعت .. 625-3-1 توزیع سرعت درون الیاف.. 625-3-2 توزیع سرعت درون پوسته.. 635-4تأثیر شرایط عملیاتی بر بازدهی حذف فنل.. 645-4-1 تأثیر غلظت اولیه.. 655-4-2 تأثیر دبی جریان‌فاز سلولی.. 655-4-3 تأثیر شعاع خارجی غشاء.. 665-4-4 تأثیر شعاع داخلی غشاء.. 676. فصل ششم. 686-1نتیجه گیری.. 696-2پیشنهادات .. 697. مراجع . 70 فهرست شکل هاشکل 1‑1واکنش رزین‌های تبادل یونی[19].. 18شکل 1‑2 اکسیدکننده های متداول.. 20شکل 1‑3 شماتیک فرآیند استخراج فوق بحرانی[30].. 21شکل 1‑4 فرآیند حذف توسط اشعه فرابنفش[37].. 22شکل 1‑5 واکنش ناشی از اشعه فرابنفش[40].. 22شکل 1‑6 شماتیک فرآیندهای بیولوژیکی[43].. 23شکل 1‑7 مقایسه سرعت واکنش: الف) وجود ممانعت کننده سوبسترا ب) عدم وجود ممانعت کننده [45].. 24شکل 1‑8 شماتیک فرآیند تراوش تبخیری[46].. 25شکل 1‑9 شماتیک فرآیند غشاهای مایع[52].. 26شکل 1‑10 اندازه حفرات غشاء[4].. 27شکل 1‑11شماتیک فرآیند حذف فنل توسط نانو فیلتراسیون[53] 27شکل 1‑12 الف) بیوراکتور غشایی جریان جانبی ب) بیوراکتور غشایی غوطه‌ور[54].. 28شکل 2‑1بیوراکتورغشایی[55].. 32شکل 2‑2 شماتیک بیوراکتور دوفازی[58].. 34شکل 2‑3 شماتیک فرآیند بیوراکتورغشایی لوله ای[59].. 35شکل 2‑4 ترکیب بیوراکتور و فرآیند اسمز رو به جلو][60]36شکل 2‑5 شماتیک راکتور مورد استفاده توسط ال-ناس[61].. 37شکل 2‑6 بیوراکتور غشاء مایع محافظت شده[62].. 38شکل 2‑7 شماتیک مدول غشایی استفاده‌شده توسط تریوانس و همکاران [63].. 39شکل 2‑8 شماتیک فرآیند مورد استفاده شن و همکاران[65].. 40شکل 3‑1 فرآیند حذف فنل توسط تماس دهنده غشایی بیولوژیکی[68] 43شکل 3‑2 طول توسعه یافتگی درون کانال[70].. 45شکل 4‑1 انتخاب معادلات.. 52شکل 4‑2 شرایط مرزی در محیط نرم افزار.. 53شکل 4‑3 شماره گذاری مرزها.. 54شکل 4‑4 تعریف ضریب نفوذ و معادله سرعت در سمت الیاف.. 55شکل 4‑5 تعریف ضریب نفوذ غشاء.. 55شکل 4‑6 تعریف ضریب نفوذ و معادله سرعت در سمت پوسته.. 56شکل 4‑7 مش بهینه.. 57شکل 4‑8 بررسی تغییرات غلظت فنل خروجی از الیاف با تعداد المان های مش.. 57شکل 4‑9 تعیین طول گام و زمان فرآیند.. 58شکل 5‑1 توزیع غلظت درون الیاف در زمان 25 ساعت.. 60شکل 5‑2 توزیع غلظت درون پوسته در زمان 25 ساعت.. 61شکل 5‑3 توزیع سرعت درون الیاف.. 62شکل 5‑4 توزیع سرعت درون پوسته.. 63شکل 5‑5 تأثیر غلظت اولیه فنل بر بازدهی حذف فنل.. 655‑6 تأثیر دبی فاز سلولی بر بازدهی حذف فنل.. 66شکل 5‑7 اثر افزایش شعاع خارجی غشاء بر بازدهی حذف.. 66شکل 5‑8 اثر شعاع داخلی غشاء بر بازدهی حذف فنل.. 67 فهرست جداول جدول 1‑1 میزان فنل در پساب صنایع مختلف [4].. 15جدول 1‑2 مشخصات فیزیکی و شیمیایی فنل[9].. 16جدول 1‑3 مزایا و معایب روش های حذف.. 30 چکیدهتاکنون روش های زیادی برای حذف فنل از پساب ارائه شده که از بین آنها، فرآیند بیوراکتور غشایی در یک دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از تماس دهنده غشاء الیاف توخالی در این فرآیند، برای جلوگیری از تماس مستقیم دو فاز و افزایش نسبت سطح به حجم است. در پروژه حاضر به مدل سازی و شبیه سازی حذف فنل از پساب با بکارگیری این تماس دهنده پرداخته شده است. همچنین اثر پارامترهایی همچون دبی فازها، غلظت اولیه، طول غشاء و شعاع داخلی و خارجی غشاء بر بازدهی حذف فنل از پساب مورد بررسی قرار گرفته است.دستگاه معادلات دیفرانسیل پاره ای ارائه شده در مدل همراه با شرایط مرزی آن بوسیله ی شبیه سازی توسط نرم افزار COMSOL، به روش المان محدود حل شده اند. نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی موجود مقایسه گردیده و انطباق نسبتا مناسبی مشاهده شده است. با افزایش غلظت اولیه، بازدهی حذف فنل کاهش می یابد. افزایش دبی فاز سلولی، بازدهی حذف فنل را اندکی افزایش می دهد. همچنین افزایش طول غشاء تا حدودی سبب بهبود بازدهی حذف می شود. با افزایش تعداد الیاف غشاء درون تماس دهنده بازدهی ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد. واژه های کلیدی:بیوراکتور غشایی، تماس دهنده غشایی الیاف توخالی، مدل سازی، شبیه سازی، فنل پیش گفتاربا افزایش جمعیت و گسترش روزافزون کارخانجات صنعتی، میزان مصرف آب در سطح جهان افزایش یافته است. با توجه به کمبود آب آشامیدنی در دسترس، یکی از راه های تامین آب، استفاده مجدد از آب های سطحی و پساب ها است. اما به علت وجود مواد آلاینده و سمی در پساب ها، نمی توان از آن ها بطور مستقیم استفاده کرد. فنل یکی از آلاینده های بسیار خطرناک است که در پساب خروجی صنایع مختلفی از جمله پالایشگاه های نفت و کارخانجات پتروشیمی، رزین و پلاستیک، پارچه و کاغذ وجود دارد. روش های زیادی برای حذف فنل ارائه شده است اما بسته به غلظت و میزان آن، از هر کدام از روش ها در جای خود استفاده می شود.بیوراکتورغشایی، روشی جدید برای حذف فنل از پساب ها به شمار می آید. در این فرآیند از تماس دهنده غشایی الیاف توخالی برای جلوگیری از ممانعت کنندگی فنل، تماس مستقیم دو فاز، توليد کف و طغيان و تشکیل امولسیون استفاده می شود. همچنین تماس دهنده های غشایی الیاف توخالی به علت فشردگی و نسبت سطح به حجم بالایی که دارند، می توانند ضمن ارائه کارایی مناسب، صرفه جویی قابل توجهی در وزن دستگاه ها و همچنین فضای موردنیاز ایجاد کنند. اين روش در مواردي که نسبت حلال به خوراک خيلي بالا يا خيلي پايين باشد مفيد است. در حقیقت در بیوراکتورغشایی، مزایای بیوراکتور و فناوری غشایی با یکدیگر ترکیب شده اند.با در نظر گرفتن ویژگی های فرآیند بیوراکتورغشایی در مقایسه با سایر روش ها جداسازی، در پروژه حاضر به مدل سازی و شبیه سازی حذف فنل از پساب توسط بیوراکتورغشایی پرداخته می شود، تا شناخت بهتری از عملکرد آن حاصل گردد.در فصل اول از پروژه حاضر، ابتدا کلیاتی راجع به فنل و مضرات آن، روش های حذف و جداسازی آن، مزایا و معایب هر یک از آن ها و سینتیک واکنش های بیولوژیکی اشاره می شود.در فصل دوم ابتدا فرآیند بیوراکتورغشایی به اختصار معرفی می شود و در ادامه به بررسی پژوهش های انجام شده در زمینه حذف فنل از پساب توسط بیوراکتور و نتایج آن ها پرداخته می شود.در فصل سوم، مدل سازی فرآیند و معادلات حاکم بر هر سه قسمت درون الیاف، غشاء و پوسته و همچنین تانک ها، به همراه شرایط مرزی مناسب آن ها ارائه می شود.در فصل چهارم، ابتدا نرم افزار COMSOL معرفی شده و سپس مراحل انجام شبیه سازی و پیاده سازی معادلات حاکم بر فرآیند به همراه شرایط مرزی آن ها در نرم افزار، گام به گام توضیح داده می شود.در فصل پنجم، نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی حاصل از آزمایشات مقایسه می گردد. همچنین در انتهای فصل، اثر تغییر پارامترهای مختلف بر بازدهی حذف فنل بررسی می گردد.در فصل ششم نیز جمع بندی از نتایج انجام شده و پیشنهادهایی برای مطالعات آینده ارائه می گردد. فصل اولحذف فنل از پساب 1-1 مقدمهکمبود میزان آب آشامیدنی در دسترس و افزایش روزافزون گازهای گلخانه‌ای در جو زمین، سبب شده تا دانشمندان و پژوهشگران به دنبال راه‌حلی اساسی برای رفع این مشکل باشند؛ زیرا این گازها موجب افزایش دمای سطح زمین و به‌تبع آن، آب شدن یخچال‌های طبیعی و تبخیر آب‌های سطحی خواهند شد.با توجه به کمبود آب آشامیدنی، محققان در تلاش هستند که برای آبیاری زمینهای کشاورزی یا در کارخانه‌های صنعتی از پساب های موجود استفاده کنند. اما نمی‌توان از فاضلاب‌ها به‌طور مستقیم استفاده کرد زیرا برخی از آنها حاوی مواد سمی، خطرناک و مضر برای سلامتی انسان ها و محیط زیست هستند. همچنین بعضی از پساب‌ها را نمی‌توان مستقیماً دفن و یا وارد محیط‌زیست کرد، خصوصاً پساب مربوط به بیمارستان‌ها، کارخانه‌های مواد شیمیایی و تسلیحات نظامی و شیمیایی زیرا میزان آلاینده‌های موجود در این پساب بسیار بالاست. با این تفاسیر قبل از استفاده، بایستی تصفیه بر روی آن ها انجام شود و مواد آلاینده، میکروب‌ها و مواد مضر آن ها از بین برود. اما بسته به نوع و کیفیت پساب، روش‌های مختلفی ارائه‌شده است که در این فصل به برخی از آن ها اشاره خواهد شد. 1-2 شناسایی آلاینده فنلیفنل و ترکیبات فنلی جزء مواد آلی بسیار پایدار بوده و از آلاینده‌های متداول منابع آبی می‌باشند. این ترکیبات بطور طبیعی از قطران زغال‌سنگ و تقطیر بنزین و به‌صورت مصنوعی در اثر حرارت دادن سولفات بنزن سدیمی با سود آبدار در فشار بالا تولید می‌شوند[]. به‌طورمعمول، سالانه حدود 6 میلیون تن فنل در سراسر جهان تولید می‌شود[2]. فنل و مشتقاتش در فاضلاب‌های صنایع مختلفی از قبیل پالایشگاه‌های نفت، کوره‌های زغال‌سنگ، کک سازی‌ها، کارخانه‌های پتروشیمی[2]، رزین و پلاستیک، کارخانه‌های پارچه و چرم، کاغذ و خمیرکاغذ، فرآیندهای ریخته‌گری و کارخانه‌های بازیافت کائوچو حضور داشته و عمدتاً از طریق تخلیه فاضلاب‌های این صنایع وارد محیط می‌شوند[3].میزان فنل در پساب صنایع مختلف، در جدول 1‑1 گزارش‌شده است.جدول 1‑1 میزان فنل در پساب صنایع مختلف [4]منبعغلظت فنل (mg/l)پالایشگاه‌های بنزین185-40پتروشیمی1220-200نساجی150-100چرم5/5-4/4کوره کک سازی3900-600تبدیل زغال‌سنگ7000-1700صنایع آهنی1/9-6/5صنایع لاستیک10-3صنایع کاغذ22تولید رزین1600کارخانه پشم‌شیشه2564-40کارخانه تولید رنگ1/1 فنل حتی با غلظت‌های کم نیز به زندگی ماهی‌ها آسیب می رساند[5]، بطوریکه محدوده سمیت این آلاینده برای انسان بین mg/l 24-10، برای ماهی‌ها بین mg/l 25-9 و غلظت کشنده در خون برابر با mg/l 150 است[6]. سازمان بهداشت جهانی[1]، حداکثر غلظت مجاز فنل در آب آشامیدنی را mg/l 1 تعیین کرده است[7].مسمومیت انسان توسط فنل سبب بروزسردرد و سرگیجه،حالت تهوع،اشکال در بلعیدن غذا، آسیب کبدی، غش و ... خواهد شد[8].در جدول 1‑2، خواص فیزیکی و شیمیایی این آلاینده ذکرشده است.جدول 1‑2مشخصات فیزیکی و شیمیایی فنل[9]مترادفهیدروکسی بنزن ، کربلیک اسیدجرم مولیmg/l 11/94دمای ذخیره‌سازی̊C 25-15دمای اشتعال̊C 595حلالیتg/lit (20 ̊C)84دمای ذوب̊C 8/40دانسیتهg/cm3 (20˚C)06/1دانسیته بالکیkg/m3 620میزان pH5 (50 g/lit, H2O, 20˚C)نقطه‌جوش˚C 8/181فشار بخارkPa (20˚C)2/0حد انفجار% (V)5/9-3/1روش‌های مرسوم تصفیه پساب‌های حاوی ترکیبات فنلی، به 3 دسته تقسیم می‌شوند[10]:از این میان، تصفیه فیزیکی به‌عنوان مؤثرترین و رایج‌ترین روش برای حذف ترکیبات فنلی مورد استفاده قرار می‌گیرد.از میان روش‌های حذف، جذب سطحی یکی از ساده‌ترین و درعین‌حال پرکاربردترین روش‌های موجود است. بررسی‌ها نشان داده که تصفیه پساب حاوی ترکیبات فنلی توسط کربن فعال، یکی از روش‌هایی است که دارای پتانسیل بالایی در تصفیه دارد[8, 11, 12].کربن فعال پودری[2] در مقایسه با کربن فعال دانه‌ای[3] نرخ جذب بسیار سریع‌تر و ظرفیت جذب بیشتری (با توجه به افزایش سطح، حجم منافذ و تخلخل) دارد[13]. با توجه به مزایای ذکرشده، عمدتا از کربن پودری در تصفیه آب آشامیدنی، پساب و بخصوص تصفیه آلودگی‌های ناگهانی استفاده می‌شود[14].مهمترین عامل در روش جذب سطحی، انتخاب جاذب است. بنابراین جستجو برای جاذب کم‌هزینه و در دسترس باعث شده تا بسیاری از محققان به دنبال مواد طبیعی و مصنوعی به‌عنوان جاذب برای روش‌های اقتصادی و مؤثر باشند. اخیراً استفاده از جاذب‌های آلی به زمینهای جذاب برای پژوهش‌ها تبدیل‌شده است[15]. اگرچه جاذب مورد استفاده ممکن است با توجه به شرایط عملیاتی و نوع آلاینده متفاوت باشد، اما خواص مؤثر بر بازدهی جاذب عبارت‌اند از:جاذب‌های مصنوعی که شرایط ذکرشده را داشته باشند بسیار گران‌قیمت بوده و بنابراین استفاده از جاذب‌های طبیعی به زمینهای فعال برای پژوهش‌ها تبدیل شده است[16]. از جمله جاذب‌هایی که برای حذف فنل استفاده‌شده‌اند عبارت‌اند از: نانو ذرات اکسید آهن، سیلیکا ژل[5]، کربن فعال، رزین‌های پلیمری و زئولیتی، نانو ذرات تیتانیوم اکسید، آلومینای فعال، خاک‌اره[6]، کربن پوسته تمبر هندی[7]، پوسته آناناس[8] و تفاله چای[6].از جمله مزایای فرآیندهای جذب سطحی،سادگی عملیات و میزان جذب بالا است. معایب اصلی این روش، هزینه احیاء بالا و مقاومت مکانیکی ضعیف جاذب ها هستند [17, 18].این فرآیند از تبادل یون بین دو فاز تشکیل شده است[19]. رزین های تبادل یونی، ماتریس پلیمری حل نشدنی هستند که حاوی یون‌های ناپایدار با قابلیت تبادل یون با محیط اطراف می باشند. رزین ها در تماس با محلولی با بار یونی مشابه قرار گرفته و تبادل یون صورت می‌گیرد(مشابه شکل 1‑1). پس از تماس رزین با محلول حاوی یون، رزین توسط فیلتراسیون از سایر اجزاء جدا می شود.شکل 1‑1واکنش رزین‌های تبادل یونی[19]بسته به نوع رزین (آنیونی یا کاتیونی)، یون‌های انتقالی دارای بار منفی یا مثبت خواهند بود. برای جداسازی فنل، از رزین تبادل آنیون استفاده می‌شود[20].رزین‌های تبادل یونی به علت نامحلول بودن فاز رزین، بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. همین ویژگی سبب سازگاری با محیط‌زیست شده و می‌توانند سالیان زیادی مورد استفاده قرار گیرند. از جمله معایب این روش می توان به: تولید پسماند(آلاینده ثانویه)، اتلاف زمان (جهت احیاء رزین) و گرفتگی رزین توسط اجزاء آلی موجود در پساب اشاره کرد[21, 22]. ازجمله کاربردهای این روش می‌توان به: برطرف کردن سختی آب، حذف فلزات سمی موجود در آب، بازیابی مس و دیگر فلزات گران‌بها، حذف کامل یا جزئی نمک از آب، تصفیه پساب، حس‌گرها[9]، کروماتوگرافی و جداسازی‌های بیومولکولی اشاره کرد[23].