تصفيه پسابهاي نفتي با استفاده از غشاي نانوساختار
الياف توخالي پلياترسولفون

زينب فلاح نژاد، غلامرضا باکري*+، مصطفي رحيمنژاد بابل، دانشگاه صنعتي نوشيرواني، دانشکده مهندسي شيمي

چكيده:پسابهاي نفتي پالايشگاهها و مراکز پخش فراوردههاي نفتي از مهم ترين آلوده کنندههاي محيط زيست در عصر حاضر ميباشند که بايد به رفع آنها اقدام کرد. فناوريهاي غشايي به دليل استفاده نکردن از مواد شيميايي براي شکست تعليقها ،ساده کردن عمليات تصفيه و وجود دستگاههاي خودکار نقش مهمي را در تصفيه پسابهاي نفتي بازي ميکنند. در اين پژوهش عملکرد غشاهاي کوناگون و همچنين غشاي نانوساختار الياف توخالي پلي اتر سولفون در تصفيه پساب نفتي بررسي شد. تأثير پارامترهاي عملياتي مانند فشار، غلظت و سرعت جريان خوراک بر روي عملکرد غشا بررسي شد. با افزايش فشار، ميزان فشردگي و گرفتگي غشا افزايش و عملکرد غشا کاهش مييابد. بنابراين شرايط بهينه عملياتي براي انجام آزمايشها فشار bar 1 و سرعت جريان بالا و غلظت پايين خوراک ميباشد .يکي از مهمترين مشکلهايي که در فرايندهاي غشايي روي ميدهد گرفتگي سطح غشا با ذرههاي درشت گازوييل ميباشد. ذرههاي گازوييل بر روي سطح غشا جمع شده و منجر به تشکيل لايه ثانويهاي بر روي سطح غشا ميشوند. تشکيل لايه ثانويه منجر به کاهش شار و افزايش پس دهي ميشود. در فشارهاي بالا )فشارهاي bar 2 و bar 3( اثرهاي ناشي از گرفتگي غشا به طور کامل قابل ديدن ميباشد به گونه اي که در فشارهاي بالا، اختلاف شار با حالت غشاي تازه بسيار زياد ميباشد. غشاهاي مورداستفاده براي آزمايشها با قابليت جداسازي 111 درصدي گازوييل از پساب، از پرکاربردترين غشاها در تصفيه پسابهاي نفتي بهشمار ميآيند.

واژههاي كليدي: مشکلهاي محيط زيستي، عملکرد غشاها، افزودنيهاي آب دوست، پسابهاي نفتي، غشاي الياف توخالي پلياترسولفون.

KEY WORDS: Environmental problems; Membrane performance; Hydrophilic additives;
Oily wastewaters; Polyethersulfone hollow fiber membrane.

مقدمه
تعليقهاي نفت در آب از مهم ترين آلايندههاي محيط زيست 02 ميکرون را به طور مؤثر حذف کنند. فناوري غشا توانسته است ميباشند که توسط پسابهاي صنعتي يا خانگي ايجاد ميشوند. مشکلهاي ناشي از اندازه ميکروني پسابهاي نفتي را نتيجهها و تجربهها نشان ميدهند که روشهاي مرسوم برطرف نمايد ]1[. با وجود اين که فناوريهاي غشايي بازده بهسختي ميتوانند غلظت نفت را به 1% غلظت اوليه کاهش دهند بسيار بالايي دارند غشاهاي مورداستفاده به دليل تشکيل لايهاي و از سويي اين روشها نميتوانند قطرههاي نفت با اندازه کمتر از از نفت بر روي سطح، به آساني توسط نفت آلوده ميشوند ]0[.

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
74
پژوهشگران با استفاده از فناوري غشايي تصفيه پسابهاي نفتي با غلظتهاي متفاوت را مورد بررسي قرار دادهاند. با توجه به نوع غشا، مواد موجود در خوراک و شرايط فرايند، عملکرد غشا با زمان تغيير خواهد کرد ]3[. به تازگي فرايندهاي جداسازي بسياري شامل فراتصفيه، نانوتصفيه و اسمز معکوس براي جداسازي نفت/آب بهکار گرفته شده است] 4[. مهم ترين مشکل محيط زيست، پسابهاي توليدي صنايع است که خطرهاي گوناگوني براي محيط زيست ايجاد ميکنند .استفاده از فرايندهايي مانند ميکروفيلتراسيون ،فراتصفيه، نانوتصفيه،
اسمزمعکوس و سامانههاي ترکيبي با بازده اقتصادي بالا مطرح شده است. با استفاده از سامانههاي ترکيبي فراتصفيه در مقايسه با روشهاي مرسوم پيش تصفيه غشا اسمز معکوس ،ميزان گرفتگي در غشا اسمز معکوس کمتر شده در نتيجه مصرف انرژي نيز کاهش مييابد. با توجه به کاهش تعداد دفعههاي شست و شو در غشاهاي اسمز معکوس، عمر غشا نيز افزايش مييابد. به طور تقريبي هزينه سرمايه گذاري برابر با روشهاي مرسوم بوده و هزينه عملياتي به طور چشمگيري کاهش مييابد .نتيجهها نشان ميدهد که سامانههاي ترکيبي فراتصفيه / اسمز معکوس)1( براي حذف نفت و گريس موفق ميباشند] 5[. ويژگي مناسب فراوردهي خروجي از غشا، شرايط عملياتي آسان و قابليت ترکيب فرايند غشايي با برخي فرايندهاي ديگر )جذب سطحي، فرايندهاي شيميايي، فرايندهاي زيستي( و کنترل آسانتر سامانه از برتريهاي قابل قبول فناوري غشايي ميباشند] 6[.

مروري بر پژوهشهاي انجام شده در زمينه تصفيه پسابهاي نفتي با استفاده از فناوري غشايي
از آنجايي که براي جداسازي تعليق در فناوري غشايي به هيچ گونه ماده شيميايي نياز نيست، راندمان حذف COD)0( در تصفيه غشايي پسابهاي نفتي به نسبت بالا بوده و راندمان تصفيه پساب به طور کامل منطقي ميباشد. گرفتگي سطح غشا از مهم ترين محدوديتهاي فناوري غشايي ميباشد. بهبود آب دوستي غشا ميتواند گرفتگي بر روي سطح غشا را کاهش دهد. مطالعهها نشان ميدهد که افزون بر اختلاط پليمرهاي آلي، اختلاط پليمرهاي آلي و غيرآلي نيز مورد بررسي قرار گرفته است .
افزايش پرکنهاي غيرآلي نفوذپذيري غشا را افزايش داده و ويژگيهاي سطح غشا را تغيير ميدهند] 7[.
)3( Powdered Activated Carbon (PAC)

Yuliwati و Ismail ]8[ غشاهاي الياف توخالي فراتصفيه
PVDF را براي تصفيه پسابهاي نفتي مورد استفاده قرار دادند .
پليمر PVDF پليمري نيمه بلوري است که براي تهيه غشاهاي متخلخل و غيرمتخلخل مورد استفاده قرار ميگيرد] 9[. به منظور شکل دادن حفرههاي غشا، افزايندههاي آب دوست مانند تيتانيوم اکسيد و ليتيم کلريد تک آبه براي ساخت غشاهاي الياف توخالي استفاده شده است. با افزايش اندکي نانوذرههاي تيتانيوم اکسيد ساختار غشا بهبود چشمگيري مييابد. به دليل بالابودن مساحت ويژه و آب دوستي نانوذرههاي تيتانيوم اکسيد ، شار افزايش مييابد. قابليت ترشوندگي غشا از عاملهاي مهمي است که ميتواند شار و قابليت ضدگرفتگي غشاها را تحت تأثير قرار دهد. در ابتدا، زاويه تماس غشاهاي الياف توخالي PVDF با افزايش غلظت تيتانيوم اکسيد کاهش مييابد اما با افزايش بيشتر غلظت اکسيد تيتانيوم )بيشتر از 95/1% وزني( زاويه تماس افزايش مييابد. اين ذرههاي آب دوست جذب شده بر روي سطح غشا خاصيت آب دوستي غشا را افزايش ميدهند] 8[.
Bodzek و همکاران [12] جداسازي نفت از تعليق نفت در آب را به وسيله غشاهاي صفحه تخت پلي سولفون اصلاح شده مورد بررسي قرار دادهاند. نتيجههاي آزمايشها نشان ميدهند که با افزايش فشار، شار عبوري از غشا افزايش مييابد. به دليل وجود مقاومتي افزون بر مقاومت غشا، ارتباط ميان شار و فشار تراغشايي کاملا خطي نميباشد. اگرچه ميزان گرفتگي غشاهاي گوناگون را ميتوان به عنوان يک عامل مهم براي تغيير نهايي شار درنظر گرفت ،ميتوان گفت که در يک فشار ثابت شار عبوري با تخلخل غشا متناسب است. کاهش شار هنگامي بيشتر است که پسدهي نفت با افزايش فشار روندي کاهشي دارد .نتيجههاي موجود نشان دهنده آن است که تخلخل، توزيع اندازه حفره و ساختار زيرلايه غشا نقش مهمي را در تعيين شار عبوري ايفا ميکنند ]12[.
Sarfaraz و همکاران ]11[ سامانه پيوندي نانوغشاي متخلخل به همراه کربن فعال پودري شکل را براي بررسي گرفتگي غشا مورد استفاده قرار داده اند. در ابتدا گرفتگي غشا با غلظتهاي پايين ذرههاي PAC)3( افزايش مييابد، سپس با افزايش غلظت ذرههاي PAC گرفتگي به طور مؤثر کاهش مييابد. در غلظت بهينه PAC گرفتگي غشا کاهش و شار عبوري افزايش مييابد .
-27695224132

شار عبوري از غشا با افزايش مقاومت لايه کيک تشکيل شده
)1( UF/RO
)2( Chemical Oxygen Demand
73
در اينگونه پودمانها، غشاهاي الياف توخالي از برتري چشمگيري نسبت به غشاهاي صفحه تخت در تصفيه پسابهاي نفتي برخوردارند.

بخش تجربي مواد
غشاي مورداستفاده براي انجام آزمايشها، غشاي الياف توخالي نانوساختار پلي اتر سولفون ميباشد که توسط دستگاه رشته ساز)0( و با روش تغيير فاز ساخته شده است. براي ساخت تعليق از گازوييل صنعتي، شوينده ظرفشويي )ساخت شرکت نشاط( و آب يون زدايي شده با هدايت الکتريکي 9/0 ميکروزيمنس بر سانتيمتر استفاده شد.
براي ساخت محلول شوينده غشا از اتيلن دي آمين تترا استيک اسيد
و سديم دو دسيل Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) .استفاده شد )SDS (سولفات

ويژگيهاي غشاها تخلخل غشا )ε(
تخلخل غشا عبارت است از نسبت حجم حفرههاي مجزا/جداشده به حجم کل غشا متخلخل. تخلخل غشا با استفاده از معادله )1( محاسبه ميشود ]13[.
 12
390755-105991

   1w2  2 )1(
wp

بر روي سطح غشا به سرعت کاهش مييابد. افزايش PAC ميتواند کيفيت تصفيه پسابهاي نفتي را با استفاده از غشاهاي پليمري افزايش دهد. ميتوان نتيجه گرفت که غشاهاي پليمري براي تصفيه پسابهاي نفتي صنعتي مناسب ميباشند] 11[.
Yan و همکاران ]7[ غشاهاي فراتصفيه لولهاي PVDF را با استفاده از نانوذرههاي آلومينا مورد بررسي قرار دادهاند. بهدليل بهبود آب دوستي غشاهاي اصلاح شده، شار غشاهاي فراتصفيه اصلاح شده هميشه بيشتر از شار غشاهاي اصلاح نشده ميباشد .
نفوذپذيري و قابليت رسوب پذيري بر روي سطح غشاي اصلاح شده به طور چشمگيري بهبود يافته است. کاربرد گسترده غشاهاي نانوکامپوزيتي در تصفيه پسابهاي نفتي، منجر به شار بالاتر ،جذب کمتر آلايندهها و بهبود عملکرد ضدگرفتگي ميشود [7].
Karakulski و همکاران ]10[ از سامانه فراتصفيه لولهاي)1( با استفاده از غشاهاي سلولزي و غيرسلولزي بر روي تصفيه پسابهاي نفتي استفاده نمودهاند. با استفاده از اين سامانه، فراتصفيه نفت همراه در جريان عبوري به کمتر از 12 ميليگرم بر دسيمتر مکعب ميرسد. جريان عبوري از غشاهاي فراتصفيه لولهاي براي تخليه به محيط زيست مناسب ميباشند. با استفاده از غشاهاي فراتصفيه لولهاي، پسدهي نفت و کاهش COD به ترتيب به 9/99% و 91% ميرسد] 10[.
چکيدهاي از کاربرد غشاهاي گوناگون در تصفيه پسابهاي نفتي در جدول 1 ارايه شده است. با توجه به جدول 1، غشاي صفحه تخت آب دوست پلي اتر سولفون با درصد پسدهي و شار دلخواه،
کاربرد چشمگيري در زمينه تصفيه پسابهاي نفتي دارد و که ε تخلخل غشا، 1 وزن غشاي تر )بر حسب گرم(، 2 وزن
مخلوط نمودن افزودنيهاي مناسب مانند تيتانيوم اکسيد آب دوست ،غشاي خشک )بر حسب گرم(، p دانسيته پليمر )بر حسب گرم منجر به بهبود عملکرد غشا ميشود. بر سانتيمتر مکعب( و w دانسيته آب )بر حسب گرم بر سانتيمتر مکعب( پژوهشهاي زيادي در زمينه تصفيه پسابهاي نفتي با استفاده ميباشند. براي تهيه غشاهاي خشک و غشاهاي تر، تعدادي غشا
از غشاهاي صفحه تخت صورت گرفته است، اين درحالي است که الياف توخالي در نظر گرفته شدند. الياف به مدت 3 روز پژوهش مؤثري در زمينه تصفيه پسابهاي نفتي با استفاده از غشاهاي در متانول و سپس به مدت سه روز در آب قرار داده شدند.
الياف توخالي پلي اتر سولفون انجام نشده است. بنابراين ساخت پيش از وزن کردن غشاهاي تر، آب باقيمانده در داخل الياف غشاهاي الياف توخالي و بهکارگيري آن در تصفيه پسابهاي نفتي با جريان هوا خارج شد. غشاهاي تر در آون خلا به مدت 10 ساعت و حذف مؤثر ترکيبهاي گازوييل از آب از نوآوريهاي در درجه گرما 42 درجه سلسيوس خشک شده و توزين شدند.
اين پژوهش است. تعيين پارامترهاي عملياتي مؤثر براي دستيابي
به بيشترين پس دهي و شار از ديگر اهداف اين پژوهش ميباشد. شعاع متوسط حفره (rm)
با توجه به قسمت قسمت بودن سامانه و بهينه بودن رژيمهاي جريان شعاع متوسط حفره با استفاده از روش سرعت جريان عبوري در پودمانهاي الياف توخالي و نسبت سطح به حجم بالا از غشا تعيين ميشود که در آن شار آب خالص از غشاي موردنظر

.انجام شده است Cellulose Acetate (CA) و polyvinyl chloride (PVP), polyacrylonitrile (PAN) آزمايشهاي فراتصفيه با استفاده از پليمرهاي )1 (
)2( Spinneret

76
-23367-2508366

تحت فشار 1/2 مگاپاسکال اندازه گيري ميشود. اين روش نشان ميدهد 12 دقيقه )مدت زمان لازم براي هم زدن 1222 گرم محلول( که اندازه متوسط حفره متناسب است با ضخامت غشا) l( با سرعت 0652 دور بر دقيقه بهشدت مخلوط شدهاند تا محلول که اختلاف ميان شعاع خارجي و داخلي غشاي الياف توخالي ميباشد. به طور کامل يکنواخت و سفيدرنگي ايجاد شود. پسابهاي نفتي چند دقيقه با توجه به معادله Guerout-Elford-Ferry )معادله )0(( ميتوان پيش از هر آزمايش تهيه شدند. محلولهاي مورداستفاده براي شعاع متوسط حفره) rm( را محاسبه نمود ]13[. انجام آزمايشها بهطور کامل پايدار بوده و بدون هرگونه نشانههاي دوفازي شدن بودند.
3525467-128264

چگونگي انجام آزمايشها rm  29 175/  / A   P8 Q )0(
4631599503290

که  گرانروي آب l ، (8.9 x 10-4 Pa.s) ضخامت غشا )متر(، ويژگيهاي آزمايشها و بازهي فشار عملياتي مورد استفاده p فشار عملياتي )بر حسب پاسکال( ،ε تخلخل غشا، براي هر آزمايش در جدول 3 نشان داده شده است. آزمايشهاي Q حجم آب عبوري در واحد زمان m s3 و A مساحت مؤثر غشا) 0m( جداسازي غشايي تعليقهاي گازوييل در آب در سامانه آزمايشگاهي
ميباشند. تخلخل، اندازه حفره و زاويه تماس آب با سطح خارجي غشاهاي الياف توخالي تهيه شده در جدول 0 نشان داده شده است .
تخلخل غشاهاي تهيه شده در بازهي 81%-77% ميباشد .نفوذپذيري غشاهاي متخلخل متأثر از اندازه حفرهها و ساختار غشا ميباشد.

تهيه پساب نفتي
با توجه به پايين بودن غلظت ترکيبهاي نفتي موجود در پسابهاي نفتي، محلولهاي با غلظتهاي گوناگون بر حسب ميليگرم بر ليتر تهيه شدند. نمونههاي پساب بر حسب درصد وزني )با استفاده از ترازو( تهيه شدند. پس از وزن کردن گازوييل ،شوينده و آب يونزدايي شده، آنها به وسيله همزن مکانيکي به مدت فراتصفيه با جريان متقاطع انجام ميشود .شمايي از سامانه فراتصفيه مورداستفاده در شکل 1 نشان داده شده است.

مراحل شست و شوي غشاهاي الياف توخالي
در زمان فراتصفيه پساب نفتي گرفتگي غشاها منجر به کاهش شار عبوري از هر غشا ميشود. گرفتگي حفرههاي غشاها شامل ترکيبي از بسته شدن اوليه حفرها توسط قطرههاي کوچکتر گازوييل موجود در تعليق و رسوب لايه گازوييل بر روي سطح ميباشد. مراحل شست و شوي غشا پس از هر آزمايش شامل موارد زير است)1(:
1- شست و شو با محلول شوينده )آب + SDS + EDTA( در درجه گرماي 45 درجه سلسيوس به مدت 02 دقيقه.

) 1( روند شست و شوي اشاره شده در مراجع) بيشتر براي غشاهاي صفحه تخت( براي غشاهاي الياف توخالي مورداستفاده در اين پژوهش موثر نبوده است، از اينرو روند شست و شو بر اساس تجربههاي آزمايشگاهي براي غشاها مورد استفاده قرار گرفته است.

15367-205890

نمونه

کننده

جمع

به

نمونه

کننده

جمع

به

شکل 3ـ شمايي از فرآيند اولترافيلتراسيون جريان متقاطع: T )مخزن خوراک( ،P )پمپ( ،PI )فشارسنج( ،TI )دماسنج( و M )ماژول غشايي.(

0ـ شست و شو با آب در دماي 52 درجه سلسيوس به مدت
32 دقيقه.
3ـ شست و شوي وارون با محلول شوينده )آب + EDTA + SDS( در دماي 45 درجه سلسيوس به مدت 32 دقيقه.
4ـ شست و شوي وارون با آب در دماي 52 درجه سلسيوس به مدت 32 دقيقه.

نتيجهها و بحث
بررسي پارامترهاي عملياتي بر روي شار عبوري و پس دهي
پارامترهاي عملياتي مؤثر بر شار عبوري و پس دهي شامل فشار، سرعت جريان عرضي خوراک و تغيير غلظت ميباشند که در اين مقاله مورد تحليل و بررسي قرار ميگيرند. براي بهينهسازي پارامترهاي گوناگون عملياتي بايد شار عبوري و پس دهي ذرههاي گازوييل در حد دلخواه باشد. در صورتي که پارامترهاي عملياتي مانند غلظت خوراک مورداستفاده، اختلاف فشار دو طرف غشا و دماي خوراک ثابت نگه داشته شوند، شار عبوري و پسدهي ذرههاي گازوييل به نوع غشا مورداستفاده بستگي دارند ]14[.
آزمايشهاي انجام شده در اين پژوهش، براي سه غشا در فشارهاي bar ،1 bar 0 و bar 3 انجام شدند. غلظت خوراک ،322، 622
-2844728297

و 922 ميلي گرم بر ليتر بود. کاهش شار)1( با افزايش فشار ميتواند به دليل ايجاد لايه پلاريزاسيون غلظتي و مکانيسمهاي
موجود براي بسته شدن حفره باشد. ميزان کاهش شار در فشارهاي بالا بيشتر از فشارهاي پايين ميباشد. خطي نبودن رابطه شار با فشار ،به علت وجود مقاومتهاي اضافي )مقاومت به دليل جذب سطحي و پلاريزاسيون غلظتي( ميباشد] 16،15[.

تأثير فشار عملياتي بر شار عبوري
شار عبوري با افزايش فشار افزايش مييابد اما از سويي منجر به افزايش چشمگير گرفتگي سطحي غشا ميشود. با افزايش فشار، رسوبها و ذرههاي موجود در سطح غشا فشرده تر شده و گرفتگي غشا شديدتر ميشود. به هنگام انتخاب فشار بهينه عملياتي بايد فشاري را انتخاب کرد که ميزان پس دهي و شار آن در حد دلخواه باشد. افزايش فشار منجر به افزايش تعداد برخوردهاي موجود در بين قطرهها تعليق ميشود به گونه اي که منجر به انعقاد قطرههاي گازوييل و تشکيل ذرههاي درشت تر ميشود ]1[. شکلهاي 0 تا 4 تغيير شار عبوري را بر حسب سرعت جريان عرضي در فشارهاي متفاوت به ترتيب براي غشاهاي M3 ،M2 ،M1 نشان ميدهند. روند تغيير شار عبوري
)1( Flux declination (FD)
78

23
/
3

38
/
3

35
/
3

32
/
3

39
/
3

36
/
3

4
3
/
3

33
/
3

33

45

43

25

23

35

33

5

3

مربع

)
ساعت
متر
ليتر

عبوری

(
در

بر



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید