كليد واژه: غشای ماتریس آمیخته ، تراوایی، مدلاسیون تراوش ، کسر حجم آزاد ، پرکننده تراوا فهرستمطالب فصل اول 11.1مقدمه ای بر غشاهای جداسازی گاز 21.2غشاهایماتریس آمیخته 41.3تاثیر پرکننده های معدنی برعملکرد جداسازی گاز توسط غشاهای ماتریس آمیخته 61.4پیش بینی تراوایی در غشاهای ماتریس آمیخته 81.5اهداف پژوهش 102ادبیات و پیشینه پژوهش 12تاثیر پر کننده های معدنی بر عملکرد جداسازی غشاهای ماتریس آمیخته 132.1غشاهای ماتریس آمیخته پرشده با میکروذرات معدنی تراوا 132.1.1پیش بینی تراوایی در غشاهای ماتریس آمیختهپرشده با میکروذرات معدنی تراوا 162.1.2مدل های پیش بینی تراوایی غشاهای ماتریس آمیخته تماس ایده آل 172.1.3مدل های پیش بینی تراوایی غشاهای ماتریس آمیخته تماس غیرایده آل 312.1.4مقایسه مدل هایی اراائه شده برای تراوایی غشاهای ماتریس آمیخته شامل پرکننده های معدنی تراوا 552.2غشاهای ماتریس آمیخته پرشده با نانوذرات معدنی غیرتراوا 572.2.1مدل های تراوش برای غشاهای ماتریس آمیخته شامل پرکننده های معدنی ناتراوا 612.2.2مقایسه مدل هایی ارائه شده برای تراوایی غشاهای ماتریس آمیخته شامل پرکننده های معدنی نا تراوا 672.3غشاهای ماتریس آمیخته پرشده با نانوذرات معدنی تراوا 682.4تاثیر افزودن نانوذرات معدنی تراوا بر کسر حجم آزاد پلیمر 732.5مدل های تراوش برای غشاهای ماتریس آمیخته شامل پرکننده های معدنی تراوا 763روش پژوهش 793.1کلیات روش پژوهش 803.2انتخاب داده های تجربی تراوایی 833.3مدل های تماس ایده آل پر کننده –پلیمر 863.4مدل های تماس غیرایده آل پر کننده –پلیمر 873.5ارائه روش جدیدی برای محاسبه تراوایی لایه میانی 943.6اعتبار سنجی و مقایسه ی عملکرد مدل های استفاده شده 964نتایج پژوهش 974.1بررسی رفتار MMMs پرشده با نانو MOFs 984.2اعتبار سنجی مدل های استفاده شده برای محاسبه تراوایی در MMMsپر شده با نانو MOFs 1044.3اصلاح ضرایب ثابت مدل فوجیتا 1214.4تاثیر تراوایی لایه میانی بر عملکرد مدل فوجیتا 1224.5بررسی علل خطاهای به جود آمده در پیش بینی تراوایی 1244.6مقایسه یافته های پژوهش با نتایج دیگر پژوهشگران 1274.7پیش بینی تراوایی در MMMs پرشده با نانو MOFs جدید 1275نتایج پژوهش 1295.1جمع بندی 1305.2نتیجه گیری 1315.3پیشنهادات 1326پیوست 1336.1منابع 1346.2نتایج مربوط به تراوایی پیش بینی شده در مقابل داده های تجربی 140Abstract 149 فهرست شکل هاعنوان صفحهشکل 1-1 نمایش کران بالا برای جداسازی H2/N2 5شکل 1-2 نمایش مورفولوژی غیر ایده آل در غشای ماتریس آمیخته 14شکل2-2 استفاده از شکل اصلاح شده ای 2 مرحله ای معادله مکسول 33شکل3-2 طرح کلی مدل اصلاح شده دو فازی و سه فازی مکسول 37شکل4-2مقایسه داده های تجربی با پیش بینی های از مدل ماکسول 40شکل 5-2، در مقابل برای مقادیر متفاوت 47شکل 6-2 در مقابل برای مقادیر متفاوت 48شکل7-2 طرح کلی مدل اصلاح شده دو فازی پال 51شکل8-2 طرح کلی مدل اصلاح شده دو فازی بروگمن برای ذرات تراوش ناپذیر 64شکل9-2 طرح کلی مدل اصلاح شده سه فازی بروگمن برای ذرات تراوش ناپذیر 66شکل(1-4) تاثیر افزایش بارگذاری ذرات بر عملکرد تراوایی گازهای مختلف 103شکل(2-4) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف پیش بینی با مدل فلسک جدید ارائه شده با استفاده از داده های تجربی سیستم 1 107شکل(3-4) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف پیش بینی با مدل فلسک جدید ارائه شده با استفاده از داده های تجربی سیستم 2 109شکل(4-4) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف پیش بینی با مدل فلسک جدید ارائه شده با استفاده از داده های تجربی سیستم 3 111شکل(5-4) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف پیش بینی با مدل فلسک جدید ارائه شده با استفاده از داده های تجربی سیستم 4 114 فهرست جداولعنوان صفحهجدول 1-1 استفاده ی صنعتی غشاهای جداسازی گاز 4جدول1-2 خلاصه ای از تاثیر پدیده های نواقص سطحی ایجاد شده بر عملکرد غشاهای ماتریس آمیخته 14جدول 2-2 مقایسه اشکال مختلف معادله مکسول 23جدول3-2 مقایسه مقادیر پیش بینی شده توسط مکسول و داده های آزمایشگاهی[35] 32جدول4-2 بهترین مقادیر بدست آمده برای β و برای پیش بینی با استفاده از مدل های چند فازی 41جدول 5-2 نواقص سطحی ایجاد شده و پارامترهای مورد نیاز برای توصیف انتقال از آن ها 46جدول6-2 خلاصه مدل های پیش بینی تراوایی غشاهای ماتریس آمیخته شامل پرکننده های تراوا 52جدول 7-2 مقایسه انحراف از معیار مدل های پیش بینی تراوایی در غشاهای ماتریس آمیخته 56جدول(2-3) مقایسه داده های آزمایشگاهی با پیش بینی مدل مکسول برای سیستم های مختلف 81جدول (3-3) خواص سیستم های مورد استفاده برای پیش بینی تراوایی 84جدول (4-3) خواص انتقال گاز از میان چند غشای معدنی MOF 85جدول(5-3) پارامترهای مورد استفاده در مکسول اصلاح شده برای پیش بینی تراوایی در MMM 89جدول(6-3) پارامترهای مورد استفاده در بروگمن اصلاح شده برای پیش بینی تراوایی در MMM 91جدول(8-3) پارامترهای مورد استفاده در فلسک اصلاح شده برای پیش بینی تراوایی در MMM 93جدول(9-3) پارامترهای مورد استفاده در مدل فلسک با استفاده از FFV برای پیش بینی تراوایی در MMM 95جدول (1-4) میانگین انحراف از معیار مدل هایی تماس ایده آل در سیستم های مختلف 104جدول (3-4) انحراف از معیار گازهای مختلف نسبت به داده های آزمایشگاهی در دو مدل بروگمن اصلاح شده و فلسک 116جدول (6-4) تراوایی گازهای مختلف در لایه میانی با استفاده از تئوری فوجیتا و نسبت آن با تراوایی پلیمر خالص 120جدول (1-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 1 برای گازهای CH4 140جدول (3-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 1 برای گاز H2 141جدول (4-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 1 برای گاز N2 141جدول (5-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 1 برای گاز CO2 142جدول (6-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 2 برای گازهای CH4 142جدول (7-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 2 برای گازهای CH4 143جدول (8-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 2 برای گازهای N2 143جدول (9-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 2 برای گازهای O2 144جدول (10-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 3 برای گازهای CO2 144جدول (11-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 3 برای گازهای H2 145جدول (12-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 3 برای گازهای N2 145جدول (12-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 4 برای گازهای CH4 146جدول (12-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 4 برای گازهای CO2 146جدول (12-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 4 برای گازهای H2 147جدول (12-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 4 برای گازهای N2 147جدول (12-7) مقایسه تراوایی پیش بینی شده توسط مدل های مختلف با داده های تجربی سیستم 4 برای گازهای O2 148 فصل اول 1 مقدمه و کلیات پژوهش 1.1 مقدمه ای بر غشاهای جداسازی گازجداسازی یک یا چند گاز از مخلوطهای پیچیده گازی در بیشتر صنایع اهمیت دارد . در حال حاضر این جداسازی ها به صورت تجاری توسط فرایندهای تبرید ، جذب با تناوب فشار (PSA) و جداسازی توسط غشاها صورت میگیرد که هر یک از این فرایند ها با توجه به شرایط عملیاتی خاص خود ، نوع ، شکل ، اندازه و حجم گاز نافذ مزایا و معایبی دارد .[1]اولین مشاهدات علمی انجام شده در زمینه جداسازی گازها توسط میشل[1] در سال 1831 بوده است. با این حال توماس گراهام شیمیدان اسکاتلندی سهم قابل توجهی در بیان انتشار گازها و مایعات دارد.تقریبا همزمان با همان موضوع فیک فیزیولوژیست برجسته فرضیه مفهوم انتشار و قانون اول فیک را با مطالعه انتقال گاز از نیتروسلولوز فرموله کرد.[1, 2]امروزه غشاهای جداسازی گاز در بسیاری از فرایندهای جداسازی از جمله جداسازی نیتروژن ، هیدروژن ، اکسیژن و گاز طبیعی (جهت جداسازی دی اکسید کربن ، آب زدایی و تنظیم نقطه شبنم) جداسازی بخار-بخار و آب زدایی از هوا استفاده می شود .[3] ویژگی های خاص و مزایای فرایندهای غشایی را می توان به شرح زیر گزارش کرد :[1]ü سادگی در عملیات ، راه اندازی و نصب تجهیزاتü سرمایه پایین مورد نیاز و پایین بودن مصرف انرژی و عدم نیاز به تجهیزات گران قیمت مانند کمپرسور (که در فرایند تبرید از آن استفاده می شود )ü اقتصادی بودن و انعطاف پذیری بالا حتی در سیستم هایی با ظرفیت بالاü عدم نیاز به فضای زیاد و سیستم های کمکیü قابلیت استفاده در شرایط دما و فشار معمولیü قابلیت استفاده به صورت عملیات پیوسته[2]ü سادگی در استفاده همزمان با دیگر فرایندهای جداسازیرشد سریع در تکنولوژی غشاها به ویژه برای جداسازی گاز از اوایل سال 1960 آغاز شد. [2]این غشاها امروزه به طور گسترده ای در صنایع شیمیایی و در کاربردهای پزشکی استفاده می شود . [3]فرایندهای جداسازی گاز توسط غشاها که تکنولوژی در حال ظهور[3] است در مقیاس صنعتی از اواخر دهه ی هفتاد و هنگامی که Prism® معرفی شد مطرح شده است.با این حال استفاده از تکنولوژی غشاها برای جداسازی گاز به شدت گسترش یافته و استفاده از آن ها در بسیاری از کاربردهای صنعتی معمول شده است. تفاوت استفاده از غشاها و سایر فرایندها در حدود 250 میلیون دلار در سال در برخی از فرایندها است.[2]دو پارامتر مهم برای توصیف عملکرد جداسازی غشاها را میتوان تراوایی[4] و گزینش پذیری[5] دانست. تراوایی عمدتا ظرفیت یک غشا برای قدرت تراوش خوانده میشود ، تراوایی بالا نشان دهنده ی یک غشا با توان بالاست . اما این توان بالا بی فایده است مگر انکه با گزینش پذیری خوب و پتانسیل اقتصادی مقرون به صرفه همراه باشد . از سوی دیگر یک غشا با گزینش پذیری کم سطح در دسترس زیادی لازم دارد که همین عامل میتوان موجب غیر جذاب شدن غشا گردد. [4]کاربردهای صنعتی بسیاری از غشاها در جدول 1-1 آمده است . همچنین برنامه های کاربردی مهمتری نیز در حال بررسی میباشد.