شکل۱-۳: ساختار پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی]۱۷[
همانطور که از ساختار این پلیمر مشخص است دارای گروه‌های آمیدی می‌باشد که هر گروه آمید در پلیمر به همراه خود ۲ اتصال قوی با ملکولهای آب در اثر انحلال خواهد داشت]۱۵[. شکل ۱-۴ طیف FT-IR از پلی‌اکریل‌آمید استفاده شده در این مطالعه را نشان می‌دهد.
شکل۱-۴: طیف FT-IR ازپلی‌اکریل‌آمید مورد استفاده
یکی از فاکتورهای مهم در بازدهی این پلیمر در فرایند انعقاد و لخته سازی جرم ملکولی و به دنبال آن اندازه پلیمر است. هرچه جرم ملکولی پلیمر بیشتر باشد اندازه زنجیره‌ها بیشتر شده و با توجه به مکانیزم اشاره شده در قسمت قبل توانایی بیشتری در ته نشینی ذرات خواهد داشت. پلیمرهایی که برای این منظور استفاده می‌شوند غالباً جرم ملکولی بین ۵۰۰۰ تا ۶۰۰۰ کیلو دالتون دارند]۱۳[.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

پلی‌اکریل‌آمید در تمام محدوده pHها قابل حل در آب است و علاوه بر آب، قابلیت انحلال در سایر حلال‌های قطبی مانندگلیسرول، اتیلن گلایکول را دارد و در اثر انحلال این ماده در آب ویسکوزیته محلول به شدت افزایش می‌یابد]۱۵[.
سن وانگ و همکاران نشان دادند pH محلول می‌تواند بر روی توزیع اندازه ذرات پلیمری اثر گذار باشد. همچنین آنها به این نتیجه رسیدند کهpH محیط بر روی اندازه‌ی ذرات پلی‌اکریل‌آمید با جرم ملکولی بالا اثرگذار نیست. با توجه به اینکه پلی‌اکریل‌آمید مورد استفاده جرم ملکولی بالایی در حدود ۵۰۰۰ کیلودالتون دارد، pH بر روی اندازه ذرات پلیمری با این جرم ملکولی اثری ندارد. در حالی که بر روی پلی‌اکریل‌آمید با جرم ملکولی ۵/۱ کیلو دالتون اثر گذار است. شکل۱-۵ تاثیر pH محلول را در اندازه ذرات نشان می‌دهد]۱۸٫[
شکل۱-۵: توزیع اندازه ذرات پلی‌اکریل‌آمید در pH های مختلف]۱۸[
پلی‌اکریل‌آمید تجاری، به صورت پودر سفید رنگ وبا دانسیتهKg/m³800-880 ودانسیته بار ۸۰% وجود دارد.
پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی بدون قرارگرفتن در محلول به مانند پلی‌اکریل‌آمید خنثی می‌باشد. اما با قرار گرفتن در محیط محلول خاصیت کاتیونی به خود می‌گیرد. دراثر انحلال‌پذیری پلیمر در آب و نفوذ آب درون کلاف زنجیره پلیمر، زنجیره‌های پلیمری در اثر دافعه‌ی بارها از کلاف زنجیره جدا می‌شوند و بعد از جداشدن زنجیره‌های پلیمری تحت دو مکانیزم عمل انعقاد و لخته سازی را انجام می دهند.
۱-پلیمر به صورت منفرد، که هر زنجیره یک ذره را پوشش می‌دهد.
۲-زنجیره‌های پلیمر باعث اتصال دو یا چند ذره به هم می شوند]۱۳[.
دو مکانیسم یاد شده در شکل ۱-۶ نشان داده شده است.

شکل ۱-۶: مکانیسم فرایند انعقاد و لخته سازی]۱۳[

۱-۴ لزوم تصفیه پساب حاوی پلی‌اکریل‌آمید

همانطور که پیش‌تر عنوان شد پلی‌اکریل‌آمید در فرایندهای پیش‌تصفیه به منظور حذف ذرات معلق از پساب مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما چنانچه این پلیمر به صورت اضافی در پساب باقی بماند، می‌تواند مشکلاتی را ایجاد کند. این مشکلات می‌تواند به دو دسته اختصاصی و عمومی با توجه به هدف مطالعه تقسیم شود. در سیستم‌هایی که از فرآیندهای غشایی به منظور تصفیه کامل پساب استفاده می‌کنند، حضور این پلیمر در پساب باعث ایجاد گرفتگی در غشا می‌شود. سانگ وانگ و همکارانش که به منظور حذف این پلیمر از پساب از غشاهای میکروفیلتراسیون استفاده کرده‌اند، مشاهده نمودند که حضور این پلیمر باعث ایجاد گرفتگی در غشاهای به کاربرده شده می‌شود]۱۸[. شکل ۱-۷ گرفتگی در غشاهای پلی‌سولفون (PSF) در اثر استفاده از پلی‌اکریل‌آمید را نشان می‌دهد.
شکل ۱-۷: گرفتگی در غشاهای PSF در اثر جداسازی پلی‌اکریل‌آمید]۱۸[
اما به طور اختصاصی آنچه که هدف این مطالعه بوده‌است کاهش فرایند فلوتاسیون زغالشویی در پی حضور پلی‌اکریل‌آمید اضافی در پساب می‌باشد.
همانطور که پیش‌تر عنوان شد مهمترین بخش در کارخانه زغالشویی سلول‌های فلوتاسیون هستند جایی که در اثر اختلاف دانسیته جداسازی زغال مرغوب از باطله جدا صورت می‌گیرد. حال حضور این پلیمر در آب برگشتی به کارخانه، باعث شده تا ذرات زغال مرغوب که دانسیته کمتری نسبت به باطله دارند، به یکدیگر بپیوندند و در اثر افزایش وزن و دانسیته، از انتهای سلول به همراه باطله خارج شوند. طبق محاسبات واحد کنترل تغلیظ کارخانه زغالشویی پروده میزان کاهش بازدهی فلوتاسیون بیش از ۲% بوده‌است، که در صورت حذف این ماده از پساب، به طور کلی بازدهی کارخانه به میزان ۱% افزایش می‌یابد.

۱-۵ روش های جداسازی پلی‌اکریل‌آمید

فرایند جداسازی عکس عمل اختلاط است و فرایند اختلاط در راستای قانون دوم ترمودینامیک صورت می‌گیرد. برای تفکیک نیاز به انرژی زیادی است. بنابراین انرژی در فرآیندهای اختلاط، نقش مهمی ایفا می‌کند. برای حذف پلی‌اکریل‌آمید از پساب دو روش عمده وجود دارد. نخست با بهره گرفتن از فرایند جذب سطحی به کمک جاذب های جامد و دوم به کمک فرایندهای غشایی.
در این بخش ابتدا به طور اجمالی جذب پلی اکریل‌آمید بر روی جاذب های سطحی و سپس به وسیله غشاهای موجود بررسی می‌شود.

۱-۶ جذب پلیمر با جاذب های سطحی

جذب سطحی یک فرایند جداسازی است که در آن برخی از اجزا فاز سیال به سطح یک جاذب سطحی جامد منتقل می‌شود. معمولاً ذرات ریز جامد در بستر ثابتی نگه داشته می‌شود و سیال به طور پیوسته از روی جامد جاذب عبور می‌کند تا جایی که جاذب سیر شود.
برای حذف پلی‌اکریل‌آمید از جاذب های مختلفی مانند سیلیکا‌^[۷]، پرلیت^[۸]، کائولینیت^[۹] و … استفاده می‌شود. به طور مثال نالان تکین^[۱۰] و همکارانش بر روی حذف پلی‌اکریل‌آمید به وسیله جاذب کائولینیت مطالعه داشته‌اند. آن‌ ها توانستند به وسیله این جاذب در ایده‌آل‌ترین محیط، جداسازی پلی‌اکریل‌آمید را به میزان ۹۸% انجام دهند. اما هر فرایند جذبی باید یک فرایند وا‌جذب به منظور احیا جاذب داشته‌باشد. این همان موردی است که جاذب‌های جامد کار شده در آن ضعف دارند. به گونه‌ایی که در مطالعه ذکر شده، بهترین میزان واجذب جامد جاذب کمتر از ۲% بوده‌است. لذا این ضعف باعث شده‌است تا فرآیندهای جذب سطحی به تنهایی کارآمد نباشند و نیاز است تا برای افزایش بهره‌وری در میزان جداسازی به دنبال فرآیندهای دیگری بود.]۱۷، ۱۹، ۲۰[
امروزه غشاها خصوصاً فرآیندهای غشایی تحت فشار کاربرد وسیعی در بخش­های صنعتی و … دارند. از کاربردهای مهم و قابل توجه غشاها، در صنعت تصفیه آب و فاضلاب می­باشد. به دلیل اهمیت موضوع این بخش را به طور مفصل در این فصل شرح خواهیم داد.

۱-۷ غشا و فرآیندهای غشایی

۱-۷-۱ تاریخچه

سابقه استفاده از صافی‌سازی به اوایل قرن بیستم بر می‌گردد. در دهه سوم قرن بیستم غشاها برای جداسازی، خالص سازی و یا تغلیظ محلول‌ها به ویژه سیال‌های حاوی میکرو ارگانیسم‌ها مورد استفاده قرار گرفت. پیش از سال ۱۹۶۰ ، بیشتر علایق در زمینه تحقیق پیرامون غشا در حد مطالعات و پژوهش­های آکادمیک بود. بین سال های ۱۹۱۵ و ۱۹۱۷، برون^[۱۱]، گروهی از غشاهای سلولز نیترات را با متورم کردن لایه متراکم در محلول آب - الکل و در غلظت­های مختلف تولید نمود .همچنین او اولین فردی بود که استات سلولز را برای غشا پلیمری به کار برد. الفورد^[۱۲] و همکارانش نیز دو سری از غشاهای متخلخل نیترات سلولز را تولید کردند که این عمل پایه ایجاد اولین غشاهای میکروفیلتراسیون تجاری در سال ۱۹۲۷ در آلمان شد. همچنین اولین کاربرد غشاهای میکروپرس^[۱۳] در دهه ۱۹۲۰ ثبت شده است]۲۱ [.
دوره طلایی غشا شناسی در سال ۱۹۶۰ با ابداع اولین غشا اسمز معکوس از جنس سلولز استات توسط لوئب و سوریراجان آغاز شد که این پیشرفت، حاصل هم سو کردن دو زمینه تحقیقاتی و تجاری بود، اولی در نمک- زدایی با اسمزمعکوس و بعدی در دیگر فرآیندها و کاربردهای غشا بود. در اوائل دهه ۱۹۸۰، مونسانتو، جداسازی گازها با غشا را به فرآیندی تجاری تبدیل کرد. اندکی بعد در همان دهه، فرایند تراوش تبخیری PV، معرفی گردیده و واحدهایی با مقیاس کامل آن ساخته شد. دوران شکوه فناوری غشایی که از سال ۱۹۶۰ با ابتکار لوئب و سوریراجان در ساخت اولین غشا RO از جنس سلولز استات آغاز شد، در طی ۲۰ سال دچار تحولات شگرفی گردید. در طی این دوران، پیشرفت های مهمی در هر زمینه­ای از غشا صورت گرفت که از جمله این پیشرفت­ها در کاربردهای غشا، ابزار تحقیق، فرآیندهای تشکیل غشا، ساختار فیزیکی و شیمیایی، پیکربندی­ها و بسته­بندی غشاها می­باشد. با توجه به مسیر طولانی رشد فناوری غشایی هنوز هم این فناوری در حال پیشرفت می­باشد، به طوری که هر روز شاهد پیشرفت در این زمینه می­باشیم ]۲۱ [.

۱-۷-۲ تعریف غشا

فرآیندهای غشایی به شیوه‌های جداسازی فیزیک و شیمیایی املاح مختلف از حلال با بهره گرفتن از غشاهای نیمه تراوا^[۱۴] اطلاق می‌شود. بنا به تعریف غشا لایه‌ای نازک است که می ­تواند اجزای یک سیال را به طور انتخابی از آن جدا نماید. این تعریف در بر گیرنده غشا با نفوذپذیری انتخابی می‌باشد و بیانگر آن است که یک اختلاف پتانسیل شیمیایی بین دو فاز وجود دارد . غشا وسیله­ای است که جداسازی مواد را عموماً بر اساس اندازه­ های مولکولی آنها ممکن می­سازد. در این فرایند علاوه بر اندازه، عوامل دیگری نیز دخالت دارند .در یک فرایند غشایی عموماً دو فاز وجود دارد که به وسیله فاز سوم )غشا) به طور فیزیکی از هم جدا شده ­اند. غشا انتقال جرم بین دو فاز را کنترل می­نماید. فازها به صورت مخلوطی از اجزاء می­باشند. یکی از اجزاء موجود در مخلوط بیش از سایرین انتقال می­یابد. به عبارت دیگر همان طور که در شکل۱-۸ نشان می‌دهد، غشا نسبت به یکی از اجزاء انتخاب‌گر است .در این صورت انتقال آن جزء از یک فاز به فاز دیگر توسط غشا انجام خواهد شد. به این صورت یکی از فازها غنی از آن جزء و دیگری از آن تهی می­گردد. به­ طور­خلاصه دو عمل اصلی که توسط غشا انجام می­ شود عبارتند از: نفوذپذیری یا تراوش و انتخاب­گری یا گزینش پذیری]۲۱٫[
فرآیندهایی که براساس استفاده از غشاها پایه­گذاری شده ­اند می­توانند درکاربرد و نیز نیروی محرکه لازم برای انجام جداسازی، کاملاً متفاوت باشند. انتقال جرم یک غشا ممکن است به وسیله نفوذ و یا جابجایی حاصل شود. جابجایی می ­تواند در اثر اختلاف پتانسیل الکتریکی، غلظت، فشار ویا درجه حرارت انجام گردد.
شکل ۱-۸: نمایی از فرایند جداسازی غشایی
عدم تغییر­فاز در طول فرایند جداسازی موجب می­ شود که جداسازی با مصرف انرژی کمتری صورت گیرد. دو خصوصیت اصلی غشاها یعنی توانایی قابل­توجه در انجام انواع جداسازی­ها و حداقل مصرف انرژی، عوامل گسترده روز ­­افزون فرایند­های غشایی می­باشند.
غشاها کاربرد­های فراوانی در زمینه ­های مختلف علمی و صنعتی دارند که از آن جمله می­توان به شیرین کردن آب دریا، تصفیه آب نظیر آب رودخانه، چشمه و چاه، تصفیه پساب­های خانگی، تصفیه انواع پساب های صنعتی مانند تصفیه پساب صنایع نساجی، کاغذسازی، چرم­سازی، الکل سازی، تغلیظ شیر در کارخانجات پنیرسازی، تغلیظ آبمیوه، جداسازی میکروارگانیسم­ها، استریل کردن مایعات، جداسازی پروتئین‌ها از آب پنیر، جداسازی گازهای ترش از گاز طبیعی، جداسازی اکسیژن و نیتروژن از هوا، جداسازی اتیلن از گازهای خروجی واحد تولید پلی­اتیلن، بهینه سازی محیط زیست، صنایع داروسازی و بیوتکنولوژی اشاره نمود]۲۲[.
تکنولوژی غشایی در جداسازی غیرحرارتی مهم می‌باشد و به ­منظور جلوگیری از محدودیت­های ناشی از ترمودینامیک و همچنین در جداسازی مواد حساس به دما مورد توجه قرار گرفته است ]۲۵[.

شکل ۱- ۹: فرآیندهای تصفیه آب معمولی که توسط میکرو فیلتراسیون جایگزین می‌شود [۲۶]
همانطور که در شکل ۱- ۹ نشان داده شده است، این فرایند غشایی می‌تواند جایگزین چهار واحد عملیاتی یا چهار فرایند اختلاط سریع، انعقاد و لخته سازی و فیلتراسیون توسط مواد متراکم که در یک سیستم تصفیه پساب معمولی به کار می‌رود، گردد.
۱-۷-۳ مزایای استفاده از تکنولوژی غشایی
مهمترین برتری استفاده از فناوری غشایی عبارتند از :
- مدول­های غشایی، دارای حجم بسیار کمی هستند، از این رو واحدهای جداسازی غشایی نیاز به فضای زیادی ندارد.
- طراحی پیچیده ای مورد نیاز نمی ­باشد.
- هزینه سرمایه ­گذاری نسبت به سایر واحدهای جداسازی کمتر می­باشد.
- بسیار ساده­تر از سایر فرایند­های جداسازی می­باشد.
- افت فشار و میزان اتلاف انرژی ناچیز می­باشد.
- کاهش مصرف انرژی.
- عدم تغییر فاز.