مقاله در مورد غشاء

مقدمه:
غشاء به عنوان یکی از فناوری های کلیدی در مهندسی شیمی، جایگاهی تثبیت شده در فرایندهای نوین جداسازی و تولید انرژی یافته است. توانایی غشاء در کنترل میزان نفوذ گونه های شیمیایی، اساس عملکرد آن را شکل می دهد؛ به گونه ای که بخشی از یک مخلوط اجازه عبور انتخابی می یابد و سایر اجزاء به طور موثر بازداشته می شوند. این ویژگی انتخاب پذیری، امکان طراحی سامانه هایی را فراهم کرده است که در آنها انتقال جرم با دقت بالا مدیریت می شود و ترکیب جریان های ورودی و خروجی تحت کنترل قرار می گیرد. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، از پالایش گازها تا تصفیه مایعات، غشاء به عنوان ابزاری برای افزایش راندمان و کاهش پیچیدگی تجهیزات به کار گرفته می شود.

گسترش نیاز به منابع انرژی پاک و کارآمد، نقش غشاء را در سامانه های تولید انرژی برجسته تر کرده است. در میان فناوری های نوظهور، پیل سوختی یا Fuel Cell به دلیل بازده بالا، آلایندگی اندک و قابلیت تولید مستقیم انرژی الکتریکی، توجه گسترده ای را به خود اختصاص داده است. در این سامانه، انرژی شیمیایی سوخت به صورت الکتروشیمیایی به برق تبدیل می شود و در صورت استفاده از هیدروژن، محصول جانبی واکنش عمدتاً آب است. با این حال، چالش تامین هیدروژن خالص، به ویژه در مقیاس صنعتی، زمینه ساز توسعه فرایندهای پیشرفته ای شده است که در آنها تولید، خالص سازی و مدیریت گازهای واکنشی به صورت یکپارچه انجام می گیرد.

یکی از مسیرهای متداول تامین هیدروژن، رفرمینگ سوخت های در دسترس نظیر متانول، گاز طبیعی و هیدروکربن های مایع است. در این میان، واکنش انتقال گاز آب یا Water Gas Shift Reaction نقش تعیین کننده ای در افزایش خلوص هیدروژن ایفا می کند. این واکنش با تبدیل منواکسید کربن و بخار آب به دی اکسید کربن و هیدروژن، میزان CO موجود در گاز سنتزی را کاهش می دهد. حضور حتی مقادیر اندک CO می تواند موجب مسمومیت کاتالیست های حساس در پیل سوختی شود و عملکرد سامانه را به شدت تحت تاثیر قرار دهد. از سوی دیگر، ماهیت بازگشت پذیر و گرماده بودن واکنش WGS موجب می شود که در دماهای بالا تعادل به سمت تولید مجدد CO متمایل گردد؛ موضوعی که طراحی راکتور را با محدودیت های فنی مواجه می سازد.

راکتورهای بستر پرشده سنتی، اگرچه سال ها در صنعت مورد استفاده بوده اند، اما به دلیل ابعاد بزرگ و محدودیت در کنترل همزمان واکنش و جداسازی، کارایی مطلوبی در شرایط پیشرفته فرایندی ندارند. در این چارچوب، راکتورهای غشایی به عنوان نسل جدیدی از تجهیزات واکنشی مطرح شده اند که امکان انجام همزمان واکنش و جداسازی را فراهم می کنند. حضور غشاء در ساختار راکتور باعث می شود محصولات واکنش به صورت انتخابی از محیط واکنش خارج شوند و در نتیجه، تعادل شیمیایی به سمت تولید بیشتر محصولات مطلوب سوق یابد. این رویکرد نه تنها درجه تبدیل را افزایش می دهد، بلکه حجم تجهیزات و پیچیدگی عملیاتی را نیز کاهش می دهد.

در طراحی راکتورهای غشایی برای واکنش WGS، استفاده از غشاهای سرامیکی با انتخاب پذیری نسبت به هیدروژن و دی اکسید کربن اهمیت ویژه ای دارد. این غشاها، که گاه به روش سل ژل ساخته می شوند، از اختلاط مجدد واکنشگرها و محصولات جلوگیری کرده و امکان برداشت جداگانه هر یک از اجزاء را فراهم می آورند. همزمان، به کارگیری مواد جاذب در بخش تراوای غشاء می تواند با جذب پیوسته CO2، تعادل واکنش را به سمت تولید بیشتر هیدروژن سوق دهد. در چنین سامانه هایی، جداسازی و واکنش به صورت هم افزا عمل می کنند و ساختار راکتور از حالت صرفاً واکنشی به سامانه ای ترکیبی و چند منظوره تبدیل می شود.

در میان جاذب های مورد استفاده، ماده Hydrotalcite به دلیل ظرفیت جذب بالا و بازگشت پذیری مناسب دی اکسید کربن مورد توجه قرار گرفته است. ساختار لایه ای این ترکیب و پایداری آن در حضور بخار آب، شرایطی فراهم می سازد که جذب و واجذب CO2 در چرخه های متوالی بدون افت محسوس کارایی انجام گیرد. ترکیب این جاذب با کاتالیست های متداول واکنش WGS در بسترهای پرشده یا به کارگیری آن در مجاورت غشاء در راکتورهای غشایی، الگوهای متفاوتی از طراحی فرایندی را شکل داده است که هر یک ویژگی های انتقال جرم، سینتیک واکنش و رفتار حرارتی خاص خود را دارند.

تحول در فناوری غشاء، از شناخت ساختارهای ایزوتروپیک و غشاهای با بار الکتریکی تا توسعه هندسه های مویرگی و الیاف توخالی، نشان دهنده مسیری است که در آن علم مواد، مهندسی واکنش و مدل سازی ریاضی به یکدیگر پیوند خورده اند. در چنین بستری، مدل های سینتیکی واکنش WGS و مدل سازی سامانه های راکتور غشایی، چارچوبی برای توصیف همزمان پدیده های انتقال جرم، انتقال حرارت و واکنش شیمیایی فراهم می آورند و رفتار سیستم را در شرایط عملیاتی مختلف بازنمایی می کنند؛ چارچوبی که در آن ساختار غشاء، ویژگی های جاذب و پارامترهای ترمودینامیکی به صورت درهم تنیده بر عملکرد نهایی سامانه اثر می گذارند.

فهرست مطالب
چکیده. ۱
مقدمه. ۴
فصل اول.. ۷
غشاء. ۸
تاریخچه غشاء. ۸
انواع غشاء: ۱۲
غشاهای ایزوتروپیک: ۱۳
غشاهای با بار الکتریکی (Electrically  Charged  Mem brane): 14
– خواص مواد: ۱۵
– هندسه بافت توخالی: ۱۶
–  فرایند ساخت و تولید: ۱۶
– غشای مویرگی : ۱۷
مقایسه راکتور پر شده و غشایی و بررسی خصوصیات جاذب.. ۱۹
بررسی طرحهای ارائه شده برای جداسازی  در واکنش WGS: 19
مهمترین اهدافی که راکتور واکنش WGS باید تامین کند: ۲۴
بررسی خصوصیات ماده جاذب (hydrotalcite). 26
معرفی.. ۲۶
خلاصه کارهای اجرایی.. ۲۶
ساختار hydrotalcite. 27
مطالعات بازگشت پذیری با hydoatalcite. 32
مطالعات بازگشت پذیری در یک راکتور فشار بالا روی ماده hydrotalcite. 35
فصل دوم. ۳۸
مدل ریاضی سیستم HAMR.. 38
تئوری: سینتیک واکنش WGS : 41
مدل ریاضی سیستم HAMR : 41
نتیجه گیری و بحث: ۶۴
منابع و مراجع: ۶۵