۱-۲-۵-۱- بستر ثابت
معمولی ترین نوع تماس دهنده ای که بکار برده می شود بستر ثابت است. به دلیل اهمیت بستر ثابت در صنعت و استفاده آن در این پروژه به طور مختصری شرح داده شده است. در این نوع تماس دهنده ، بستر جاذب در طول عمل تصفیه ثابت است. فاز سیال تا زمانی که به نقطه گذر (Break through) برسیم با ظرفیت جذب بستر تمام شود از بستر عبور می کند. سپس جاذب بستر را احیا می نمایند و یا جاذب فاز، جایگزین می کنند که در این تحقیق جهت انجام آزمایشات مقدار ارتفاع ستون با همان جاذب بکار برده شده (کربن فعال) تغییر داده شده است.
بسترهای ثابت را می توان به صورت جریان به سمت پایین یا بالا مورد استفاده قرار داد که در این تحقیق از جریان به سمت پایین استفاده شده است. از بسترهای ثابت با جریان به سمت پایین می توان به دو منظور، جذب سطحی و فیلتراسیون استفاده کرد، که استفاده دو فرایند توأم با هم ، بدلیل کاهش عمر بستر و هزینه راه اندازی بالاتر بهره اقتصادی را کاهش می دهد.
۱-۲-۵-۲- دینامیک جذب سطحی در یک ستون جذب
در بیشتر موارد، فرایند واقعی جذب در یک بستر ثابت انجام می شود. بدین ترتیب که ذرات جاذب درون یک برج قرار می گیرند و سیالی که دارای یک یا چند ماده جذب شونده باشد از داخل بستر عبور می کند. عمل جذب از ورودی برج شروع شده و تا انتهای آن ادامه می یابد. به واسطه ی جذب پیوسته ماده جذب شونده در طول بستر یک موج با یک ناحیه انتقال جرم تشکیل می شود.
ماده ی جذب شونده به سرعت در لایه های بستر جذب می شود و یک ناحیه ی اشباع در ورودی برج تشکیل میشود. زیر این ناحیه ، ناحیه دیگری وجود دارد که جذب دینامیک در آن رخ می دهد. یعنی انتقال جرم از سیال به داخل جاذب در این ناحیه انجام شده و ناحیه ی انتقال جرم نامیده می شود. ضخامت این ناحیه بوسیله فاکتورهای هیدرولیک کنترل میشود. ناحیه انتقال جرم به سمت پایین بستر جاذب حرکت می کند تا به انتهای آن برسد. اگر غلظت در جریان خروجی به طور مداوم اندازه گیری شود، وقتی ناحیه ی انتقال جرم به انتهای برج می رسد مواد جذب شونده در جریان خروجی مشاهده می شود. در نتیجه یک منحنی به دست می آید که به آن منحنی گذر گفته می شود. (Break through curve) که در واقع بیانگر تغییرات غلظت خروجی از برج نسبت به زمان با حجم محلول مورد تصفیه قرار داده شده می باشد. ارتفاع لایه انتقال جرم را همچنین ارتفاع بحرانی بستر هم می نامند. زمان یا حجم آب تصفیه شده تا نقطه گذر با افزایش ذرات جاذب، افزایش غلظت محلول ورودی، با افزایش نرخ جریان و کاهش عمق بستر، کاهش می یابد ]۴[.
۱-۲-۶-کربن فعال
از نظر اقتصادی، ترجیحاً موادی با کربن بالا و موادآلی کم برای تولید کربن فعال شده انتخاب میشود، ماده تشکیل شده جامد حاصل از عملیات پیرولیز باید دانسیته بالا و همچنین دارای گازهای فرار کافی باشند، آزادسازی گازهای فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذ در کربن میشود. دانسیته بالا باعث میشود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردار گردد موادخام مورد استفاده به ترتیب اهمیت آنها از نظر ظرفیت تولید کربن متخلخل، مشخصات نهائی و مقدار مصرف عبارتند از: چوب، زغالسنگ، سیگمنت (نوعی زغالسنگ)، پوست نارگیل و تورب.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
کربنهای فعال در اشکال گرانولی، پودری، اکسترودی و فیبری تهیه میشوند. در خواص کربن فعال پارامترهای مختلفی مانند ماده اولیه، روش فعال سازی، نسبت آغشتگی و نوع ماده ی اغشته کننده، دمای فعالسازی، زمان ماند در دمای نهایی و سرعت افزایش دما دخالت می کنند. علاوه بر شرایط تولید کربن، نوع ماده ی اولیه در خواص کربن فعال تولیدی موثر می باشد. به عنوان مثال میزان سلولز موجود در ماده اولیه بر میزان سطح فعال و ساختمان حفره ای کربن فعال موثر می باشد. به طوری که مواد اولیه با مقدار سلولز بالاتر لیگنین پایین تر برای تولید کربن مناسب تر هستند.
درصد خاکستر ماده اولیه نیز در میزان خاکستر وظرفیت جذبی کربن فعال حاصل موثر می باشد. هرچه مقدار خاکستر ماده اولیه کمتر باشد، کربن فعال با خاکستر کمتر به دست می آید که این امر در بسیاری از مصارف مختلف کربن فعال به ویژه در مصارف غذایی و دارویی مهم است. دانسیته توده ای مواد اولیه در مقاومت مکانیکی کربن فعال تولیدی موثر می باشد و از خورد شدن ذرات کربن در هنگام استفاده جلوگیری می کند. مواد اولیه با دانسیته توده ای کم برای تولید کربن های پودری مناسب می باشند در حالت کلی انتخاب ماده اولیه به مقدار سلولز، لیگنین و خاکستر آن بستگی دارد. استفاده از ضایعات گیاهی برای تولید کربن فعال علاوه بر کاهش هزینه ی تهیه ی مواد اولیه، میزان آلودگی ایجاد شده توسط آنها در محیط زیست را نیز کاهش میدهد. کربن ها را با توجه به نحوه ی آرایش و قرار گرفتن بلورهای آن در کنار هم به صورت گرافیت و غیر گرافیت تعریف کرده اند. کربن های گرافیتی دارای بلورهایی با سه بعد یکسان هستند در صورتی که کربن های غیر گرافیتی فاقد چنین ساختاری هستند. محصولات مرحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب بسیار پایینی هستند که این ویژگی می تواند ناشی از کربونیزاسیون در دمای پایین و وجود ماده ی قیری مانده در منافذ باشد. کربن فعال به دلیل ویژگی های منحصر به فرد و همچنین قیمت پایین در مقایسه با جاذب های غیر آلی مانند ژئولیت از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشند.کربن های فعال شده به دلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح، یک ماده منحصر به فرد می باشند. کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزه های غیر دلخواه از آب در عملیات های خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بویژه در رستورانها، صنایع غذایی و شیمیایی می باشد، همچنین با مواد غیر آلی به عنوان کاتالیست نیز استفاده می شوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار می گیرند و به عنوان جدا کننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسید استیک نیز می توان از کربن فعال استفاده کرد. کربن فعال در مقایسه با کربن معمولی از مساحت سطح داخلی، تخلخل و قابلیت بیشتری برای جذب گازها و مایعات شیمیایی برخوردار است. این گروه از مواد به عنوان جاذب های حیاتی درصنایع شناخته شده اند و با توجه به این که قابلیت ویژه ای در جذب گازها و مایعات مزاحم دارند، در زمینه های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند و می توان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت مواد شیمیایی استفاده کرد. همچنین فیلترهای کربن فعال خاصیت جذب مواد آلی و بعضی فلزات سنگین محلول در آب را دارند و رنگ، بو، کلر و ترکیبات کلر را از آب جذب می کنند. از آنجا که بستر کربن فعال نیز مانند فیلترهای رزین، محیط مناسبی را برای تغذیه و بستر باکتری ها به وجود خواهد آورد، گندزدایی و تصفیه میکروبی از مراحل بعدی ضروری در تصفیه آب خواهد بود[۵].
۱-۲-۶-۱- کربونیزاسیون
در حین کربونیزاسیون اجزاء غیرکربنی، از قبیل هیدروژن و اکسیژن بهصورت گاز از مواداولیه خارج میشوند و کربنهای آزاد نیز بهصورت گروهی، بلورهای گرافیت تشکیل میدهند. بهدلیل وجود منافذ در بین بلورها آرایشیافتگی بلورها از دو طرف بهصورت نامنظم میباشد. این فرایند معمولاً در درجه حرارتی زیر ۸۰۰ درجه سانتیگراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر صورت میگیرد، پارامترهای مهم تعیینکننده کیفیت محصول تولید شده عبارتند از:
۱. نرخ حرارت دادن
۲. دمای نهائی
۳. مدت زمان خیساندن
ساختار ریز منافذ کربن در دمای در حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد شکل میگیرد. بعضی از این منافذ بهوسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرایند پیرولیز مسدود میشود که میتوان با حرارت دادن مجدد در ۸۰۰ درجه سانتیگراد دوباره این منافذ را ایجاد کرد. افزایش دما تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد و بیش از آن باعث سخت شدن ساختار کربن و کاهش درجه تخلخل میشود.
کربنها را با توجه به آرایشیافتگی بلورهای آن بهصورت گرافیت یا غیرگرافیت تعریف کردهاند. کربنهای گرافیتی دارای بلورهائی با سه بعد یکسان میباشند در صورتیکه در کربنهای غیرگرافیتی این گونه نمیباشد. براساس توضیحات داده شده، در حین کربونیزاسیون سه فضای خالی در کربن ایجاد میشود که در حین کربونیزاسیون بهوسیله کربنهای غیرآرایشیافته ”آمورف“ مسدود میشود. محصولات مرحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب خیلی کمی میباشند و احتمالاً این مسئله بهدلیل کربونیزاسیون در دمای پائین و وجود ماده قیری باقیمانده در منافذ بین بلورها و روی سطح آنها میباشد. بعضی از محصولات کربونیزه شده را میتوان با خارج ساختن موادقیری بهوسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالصسازی به کمک حلال و یا واکنشهای شیمیائی فعال کرد. عمل فعالسازی باعث بزرگ شدن قطر حفرههائی میشود که در حین فرایند کربونیزاسیون ایجاد شدهاند و همچنین باعث ایجاد یکسری حفره ریز نیز خواهد شد و بدینگونه میتوان به یک ساختار حفرهای با مساحت سطح داخلی بالا دست پیدا کرد. پدیده فعالسازی به دو روش انجام میشود.
الف ـ فعالسازی شیمیائی: در ابتدا ماده خام با یک محلول غلیظ از مواد فعالکننده اشباع میشود و با این عمل، مواد سلولزی از بین میروند و تحت عملیات حرارتی در دمای بین ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی گراد قرار میگیرند، مواد پیرولیز شده سرد میشوند و به منظور خارج ساختن مواد فعالکننده، تحت عملیات شستشو قرار میگیرند و مواد فعالکننده عبارتند از: اسید فسفریک، کلرید روی، اسید سولفوریک و یدید پتاسیم.
ب ـ فعالسازی فیزیکی: در این فرایند به کمک محصولات کربونیزه شده، ابعاد و ساختار مولکولی منافذ گسترش مییابد و مساحت سطحی آنها افزایش مییابد، این عملیات دردمائی بین ۸۰۰ الی ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد با حضور مواد گازی اکسیدکننده مناسب مانند دیاکسید کربن و هوا انجام میگیرد.
مولکول آب کوچکتر از مولکول دیاکسیدکربن میباشد و در نتیجه سرعت نفوذ آن بهداخل منافذ کربن بیشتر میباشد و سرعت واکنش با بخار بیشتر از سرعت واکنش با گاز دیاکسیدکربن میباشد.
۱-۲-۶-۲- ساختار منافذ کربن
منافذ در کربنهای فعال شده دارای اندازه و شکلهای متفاوتی میباشند. منافذ براساس اندازه آنها به سه دسته تقسیمبندی میشوند:
۱. ماکرومنافذ: دارای میانگین قطری بیشتر از ۵۰ نانومتر میباشند.
۲. مزومنافذ: دارای قطری برابر با ۲ الی ۵۰ نانومتر میباشند.
۳. میکرومنافذ: دارای قطری کمتر از ۲ نانومتر میباشند که خود نیز به سوپر و آلترا میکرو تقسیم میشوند.
بعضی از کربن فعالها با توجه به نوع موادخام مصرفی، شکل منفذ موجود در کربن فعال تولید شده متفاوت میباشد.
۱-۲-۶-۳- ویژگیهای کربن فعال
کربن فعال به دلیل ویژگیهایی از قبیل مساحت سطح وسیع، واکنش سطح زیاد، اثرات جذب کلی و اندازه منافذ مطلوب به عنوان جاذب عمل می کند. مساحت سطح هر گرم ازکربن فعال بین ۵۰۰ تا ۱۴۰۰ مترمربع گزارش شده است. مساحت سطح داخلی کربن فعال به ۳ جزء کانالها و حفرات دسته بندی می شود که حفرات بر اساس اندازه آنها دستهبندی می شوند. حفرات با قطر کمتر از ۲ نانومتر یا ریز حفره (وسیعترین قسمت از مساحت سطح کربن)، حفراتی با قطر بین ۵۰-۲ نانومتر به عنوان میان حفره و حفراتی با قطر بزرگتر از ۵۰ نانومتر بعنوان درشت حفره تقسیم میشود. ساختمان حفرهها و توزیع اندازه آنها تا حد زیادی به نوع ماده اولیه بستگی دارد. درشت حفرهها معمولاً به میزان فوقالعاده کمی در کل سطح داخلی توزیع شده و به ماده اولیه و تا حدی نیز به فرایند تولید بستگی دارد. این حفرهها معمولاً اثری در سطح فعال ندارند و اغلب به عنوان یک مسیر عبور برای جذب شونده عمل کرده که آن را به سمت ریز و میان حفرهها هدایت میکند. میان حفرهها در حدود ۵ درصد از سطح داخلی را تشکیل میدهد. کربنهای فعال حاصل از روش فعالسازی شیمیایی، دارای توزیع درشت حفرهها و سطح تماس کمتری نسبت به محصولات حاصل از روش فعالسازی حرارتی میباشند. کربن فعال از نظر کمی براساس معیارهایی از قبیل مساحت سطح کل کربن، دانسیته کربن، توزیع اندازه ذرات و ظرفیت جذب دسته بندی می شود که تمامی این فاکتورها بر سرعت جذب و ظرفیت جذب تأثیر میگذارند]۶[.
۱-۲-۶-۴- مساحت سطح کلی
یکی از مهمترین خواص فیزیکی یک کربن فعال میزان سطح آن میباشد که معمولاً بوسیله جذب گاز نیتروژن در دمای۷۷ کلوین و با مدل بت[۲۵] که ۱۹۳۸ توسط استفان برونر[۲۶] ، پائول ایمت[۲۷] و ادوارد تلر[۲۸] بیان شد اندازهگیری میشود و برحسب مترمربع در گرم کربن بیان میشود این پارامتر بیانگر حجمی از نیتروژن است که سطح مقدار مشخصی از کربن فعال را به صورت لایهی تک ملکولی به طور کامل میپوشاند. چون سطح پوشیده شده توسط یک مولکول نیتروژن با دقت بالا قابل تعیین است، سطح کل را میتوان با ضرب مساحت اشغال شده به وسیله یک مولکول در تعداد مولکولهای لازم برای تشکیل یک لایه تک مولکولی بهدست آورد. اندازهگیری سطح فعال به روش بت به تنهایی نمیتواند بیانگر خواص کربن باشد زیرا مولکول نیتروژن فوقالعاده کوچک بوده و میتواند به راحتی در حفرههایی جذب شود که مولکول هایی بزرگتر نمیتوانند نفوذ کنند.
۱-۲-۶-۵- توزیع اندازه ذرات
اندازه ذرات در کربن با بهره گرفتن از الک استاندارد تعیین میشود. توزیع اندازه ذرات در کربن مهم است و بر سرعت جذب آن اثر میگذارد. ساختمان حفرهها و توزیع اندازه حفرهها تا حد زیادی وابسته به نوع ماده اولیه میباشد.
۱-۲-۶-۶- ظرفیت جذب
یکی از پارامترهای مهم و اساسی برای بیان ویژگی کربن فعال توانایی و ظرفیت آن برای جذب مقادیر زیادی از گونههای مختلف است و با عدد ید یا عدد ملاس بیان می شود. عدد ید ظرفیت کربن را در جذب موادی با وزن مولکولی پایین و عدد ملاس برای ترکیبات پیچیدهتر بیان می کند.
۱-۲-۶-۷- مزایا و معایب حذف با کربن فعال
روش حذف با کربن فعال دارای مزایا و محدودیتهایی است که از آن جمله میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
مزایا:
۱- بسیار مؤثر در حذف ترکیبات آلی غیرقطبی از آب
۲- قابل استفاده برای محدودهی وسیعی از ترکیبات آلی
۳- بسیار مؤثر در حذف رنگ از پساب
۴- مؤثر در حذف آلودگیهای غیرآلی با غلظت پائین (در حد نانوگرم بر میلیلیتر)
۵- بازیافت حرارتی کربن که مواد جذب شده را تخریب میکند.
۶- سیستم میتواند طوری طراحی شود که براحتی قابل حمل بوده و به محلهای پساب برده شود.
معایب:
۱- محدود به پسابهای آلی با غلظت پائین (پایینتر از ۵ درصد) میباشد.
