فناوری غشایی و کاربرد آن در جدا سازی گاز

[khodaieehsan78@gmail.com]

فرايند جداسازي غشائي

امروزه فرآيند جداسازي غشايي، كاربردهاي فراواني را در صنايع مختلف از جمله نفت، گاز و پتروشيمي يافته است. در اين فرآيند از غشاهايي استفاده مي شود كه با عبور دادن برخي از مولكول هاي خوراك و نگاه داشتن ساير مولكول ها، جداسازي را انجام مي‌دهند. براي استفاده در مقياس صنعتي، اين غشاها در بسته‌هايي خاص مورد استفاده قرار مي گيرند كه در اصطلاح مدول ناميده مي شوند. هر مدول حاوي مقدار معيني از غشاء است كه با آرايشي خاص قرار گرفته اند و كانال‌هاي مشخصي براي عبور خوراك و خروج اجزاي باقيمانده و عبور كرده از غشاء دارد.

2-2- انواع فرايندهاي غشائي:

فرايندهاي جداسازي توسط غشاها بسته به نوع جداسازي مورد نظر, انواع متنوعي دارند اما در همه آنها وجه مشترك, وجود غشائي است كه عامل جلوگيري از مخلوط شدن دو فاز با يكديگر است. انواع اين فرآيندها عبارتند از :

1-فرايندهاي گاز - گاز: فرايند تراوش گاز

2-فرايندهاي مايع - گاز: تراوش تبخيري

3-فرايندهاي مايع – مايع : دياليز ، الكترودياليز ، اسمزمعكوس ، نانوفيلتراسيون ، اولترافيلتراسيون و ميكروفيلتراسيون

3-2- مزاياي تكنولوژي غشائي:

·         مصرف انرژي كمتر

·         انجام جداسازي بدون نياز به مصرف مواد شيميايي

·         انجام جداسازي در دماي محيط

·         حجم و وزن كم تجهيزات جداسازي

·         نصب و عمليات ساده      

·         حداقل نياز به كنترل، بازرسي و تعمير و نگهداري

·         سهولت دستيابي و امكان استفاده از فازهاي جداشده

·         انعطاف‌پذيري بالاي فرآيند

4-2- جداسازي گاز توسط تكنولوژي غشايي

 

عمده ترين متقاضيان تحقيقات در زمينه جداسازي غشايي گازها در كشور، صنايع نفت، گاز و پتروشيمي هستند. اين صنايع فناوري جداسازي غشايي گازها را براي بازيافت هيدروژن، هيدروكربن ها، شيرين سازي گازهاي ترش، جداسازي هوا و توليد نيتروژن، نم زدايي و جداسازي هليوم مورد استفاده قرار مي دهند.

چنانچه هدف نهايي از تحقيقات در زمينه فناوري غشايي، دستيابي فناوري بومي غشايي باشد، اين هدف در حركت در دو مسير موازي قابل تحقق خواهد بود. مسير نخست شامل تحقيقات به منظور دستيابي به فناوري ساخت غشاهاي مورد نياز و مسير دوم شامل انتقال فناوري كاربرد غشاها به صنعت نفت بر مبناي غشاهاي موجود خارجي است كه با اهداف بهره مند ساختن صنعت از مزاياي اين فرايندها و نيز فراهم ساختن فرصتي به منظور بومي ساختن فناوري كاربرد غشاها مورد توجه قرار دارد.

5-2- تحقيقات غشائي در پ‍ژوهشگاه صنعت نفت:

 

طرح غشاء در پژوهشگاه صنعت نفت، سه بخش زير از تكنولوژي غشايي را پوشش خواهد داد:

* جداسازي گازها با استفاده از تكنولوژي غشايي با تمركز بر شيرين سازي گازهاي ترش

*  بكارگيري و توسعه فرايند غشايي Pervaporation براي جداسازي برش­هاي نفتي و دستيابي به برش­ها و حلال­هاي با ارزش

* توسعه كاربرد تكنولوژي غشاء براي تصفيه پساب‌هاي حاوي مواد آلي

 

مهمترین  زمینه های رقابت فناوری غشایی با فرایندهای کلاسیک در صنعت نفت عبارتند از :

- شیرین سازی گاز ترش (حذفH2S,CO2  از گاز  طبیعی )

- بازیافت و خالص سازی هیدروژن  از جریانهای گازی نظیر بازیافت  هیدروژن  از گازهای خروجی  واحدهای واحدهای  پلایشگاهی نظیر  هیدروکارکر،  هیدروتر، FCC و...

- بازیافت هیدروژن  از گازهای خروجی  واحدهای  تولید آمونیاک

- تنظیم نسبت H2/CO  در گاز  سنتز  به منظور  استفاده  در انواع  فرایندهای تبدیلات  گازی

- حذف بخار آب  از گاز طبیعی  و سایر  جریانهای گازی

- بازیافت  و جداسازی  هیدروکربن های سنگین  از جریان گاز طبیعی  و سایر  جریانهای گازی

- تولید نیتزوژن  از هوا

- تولید هوای غنی از اکسیژن

 

گرچه استفاده از فناوري غشايي نسبت به فرايندهاي مختلف جداسازي مزاياي زيادي دارد، اما اين فناوري نيز محدوديت هاي خاص خود را  دارد. براي روشنتر شدن اين موضوع،

 مي توان غشاها را به دو صورت تقسيم بندي كرد:

1-  از نظر ساختار: غشاهاي متخلخل و چگال

2- از نظر جنس: غشاهاي آلي (پليمري) و غيرآلي

غشاهاي متخلخل نفوذپذيري بالا اما گزينش پذيري پايين دارند ؛ از طرف ديگر غشاهاي چگال ، گزينش پذيري بالا و نفوذپذيري پاييني دارند. غشاهای متخلخل را می‌توان در فرایندهای اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون استفاده کرد و غشاهای غیرمتخلخل (چگال) را می‌توان در فرایندهای جداسازی گازها و تراوش تبخیری به‌کار برد. دلیل این تقسیم‌بندی، نیاز متفاوت برای استفاده از پلیمرها به‌عنوان غشا می‌باشد. بازدهي غشاهاي پليمري با زمان كاهش مي يابد كه دليل آن گرفتگي، تراكم، تخريب شيميايي و ناپايداري حرارتي است . بدليل اين محدوديت در پايداري حرارتي و امكان فرسايش و تخريب شيميايي، غشاهاي پليمري در فرايندهاي جداسازي گازهاي فعال (از نظر شيميايي ) و داغ استفاده نمي شوند.  اما ساخت اينگونه غشاها در مقياس بزرگ، آسا نتر و كم هزينه تر است. غشاهاي غيرآلي علاوه بر دارا بودن پايداري شيميايي و حرارتي مناسب، قابليت عبور شار بيشتري از گاز را در مقايسه با غشاهاي پليمري دارند. غشاهاي غيرآلي قادر به تأمين گزينش پذيري و نفوذپذيري به ميزان پنج تا ده برابر بزرگتر از مواد پليمري متداول هستند. اما از طرف ديگر ساخت غشاهاي غيرآلي در مقياس بزرگ مشكل و بسيار پرهزينه است .

علاوه بر اين در اكثر غشاهاي موجود ، نفوذپذيري و گزينش پذيري با يكديگر رابطه عكس دارند، بطوري كه با افزايش يكي، ديگري كاهش مي يابد.

 

غشاهاي متخلخل

در غشاهاي متخلخل، بحث غشاهاي نانومتخلخل (NF)مطرح است كه براي جداسازي تركيبات مختلف گازي، مثل جداسازي متان از دي اكسيد كربن استفاده مي شوند. اما چون اين موضوع حتي قبل از مطرح شدن كاربرد فناوري نانو در صنعت غشا، مورد توجه محققان بوده است در اينجا بيش از اين مطرح نمي شود.  همچنين شايد بتوان گفت، با توجه به حوزه فعاليت نانو كه بين 1 تا 100 nmتعريف شده است، غشاهاي اولترافيلتراسيون(UF) كه حفره هايي بين 2 تا 100 nm دارند، نسبت به غشاهاي NFكه اندازه حفره هاي آنها كمتر از 10 انگستروم است، بيشتر با حوزه فناوري نانو هم خواني دارند.

 

-       غشاهاي كامپوزيتي
 فناوري نانو بيشترين كاربرد را در اين قسمت دارد. بطور كلي اين كاربردها را مي توان به سه بخش تقسيم بندي كرد:

-1 رشد دادن نانوذرات روي سطح غشا

-2 توزيع نانوذرات در داخل شبكه پليمري غشا

-3 نشاندن لايه پليمري، چگال و بسيار نازك با ضخامت نانومتري روي سطح يك زيرلايه

 - رشد دادن نانوذرات روي سطح غشا

در اين حالت با استفاده از رو شهاي مختلف، نانوذرات ( فلزي، اكسيد فلزي ) را روي سطح غشاى متخلخل يا چگال رشد مي دهند و لايه اي نازك روي سطح آن بوجود مي آورند. از جمله كاربردهاي اين روش مي توان به موارد زير اشاره كرد:

-1 حل مشكل گرفتگي بيولوژيكي در غشاهاي مختلف ( مثل غشاهاي پلي آميدي) با رشد دادن نانوذرات  TiO2روي آن ها

-2 كاهش عبور متانول (با حفظ قابليت هدايت غشا براي عبور هيدروژن) در غشاهاي مورد استفاده در پي لهاي سوختي DMFC ، با رشد دادن نانوذرات Pdروي سطح غشا

 

       توزيع نانوذرات در داخل شبكه پليمري غشا

از اضافه كردن نانوذرات به پليمر، مي توان براي بهينه سازي يا افزايش خواص الكتريكي، نوري، كاتاليستي و مكانيكي پليمرها استفاده كرد. با اضافه كردن نانوذرات به پليمرها مي توان غشاهاي فعالي ساخت كه خاصيت كاتاليستي و جداسازي را بطور همزمان داشته باشند .

مساحت سطح نانوذرات، 2 تا 4 برابر بيشتر از اغلب ذرات ميكروني است . به منظور استفاده از اين سطح زياد در شبكه پليمري، بايد اين ذرات به خوبي در داخل شبكه توزيع شوند. اغلب نانوذرات غيرآلي معمولاً قبل از توزيع شدن، تجمع پيدا مي كنند. چون اين نانوذرات به

شدت به يكديگر مي چسبند، بسيار مشكل است كه آ نها را از يكديگر جدا ساخت و بطور يكنواخت در داخل شبكه پليمري توزيع كرد.

رو شهاي متداول مورد استفاده براي توزيع نانوذرات در داخل شبكه پليمري عبارتند از:

-1 روش مخلوط كردن مستقيم(Direct blending)

-2 روش بسپارش درجا (In situ polymerization)

-3 روش تزريقي (Infusion)

روش اول را مي توان در حالت مذاب يا در محلول انجام داد. در اين روش غشاى موجود را در يك حلال حل و يا ذوب مي كنند ، سپس محلول حاوي نانوذرات را به اين محلول اضافه مي كنند و پس از مخلوط كردن، قال بريزي و خشك كردن، غشا نانوكامپوزيني به دست مي آيد. در اين حالت، توزيع ذرات به ميزان زيادي به نيروي برشي بين ذره و ماده مذاب يا محلول پليمري بستگي دارد. اگرچه اين روش نسبتاً آسان است اما در اغلب موارد توزيع مناسبي از نانوذرات به دست نمي آيد. اصلاح شيميايي(chemical treatment) بر روي نانوذرات براي افزايش سازگاري آنها با پليمر آب گريز، تا حدي مي تواند باعث بهبود توزيع آنها شود.

در روش دوم، محلول حاوي تكپار و محلول حاوي نانوذرات با يكديگر مخلوط شده و ضمن فرايند بسپارش، نانوذرات در داخل شبكه پليمري توزيع مي شوند . در اين روش توزيع مناسبتري از نانوذرات در داخل شبكه پليمري بدست مي آيد. با اين وجود، اين روش براي فرايندهاي بسپارش خاصي مورد استفاده قرار مي گيرد.

روش سوم به تازگي به كار گرفته مي شود.  در اين حالت از حجم آزاد طبيعي موجود در پليمر جامد براي به دست آوردن توزيعي از نانوذرات از اضافه كردن نانوذرات به پليمر، مي توان براي بهينه سازي يا افزايش خواص الكتريكي، نوري، كاتاليستي و مكانيكي پليمرها استفاده كرد. با اضافه كردن نانوذرات به پليمرها مي توان غشاهاي فعالي ساخت كه خاصيت

كاتاليستي و جداسازي را بطور همزمان داشته باشند .

علاوه بر رو شهاي گفته شده، روش جديد ديگري نيز وجود دارد كه عبارت است از قال بريزي يك محلول پليمري روي سطح آب.

در اين روش با چكاندن چند قطره از محلول پليمري روي سطح (و پخش شدن آن روي سطح بر اساس اصل رسيدن به حداقل انرژي) و پس از تبخير حلال و يا انحلال آن در آب، لايه اي نازك از غشا روي سطح آب تشكيل مي شود كه بعد به روي سطح يك زيرلايه منتقل

مي شود .

بنابراين به منظور داشتن غشاهايي با شار زياد و نفوذپذيرى مناسب، بايد از غشاهايي با گزينش پذيري بالا، چگال و ضخامت كمتر استفاده كرد.

منبع  : http://behzadim.blogfa.com/