جداسازی سانتریفوژی غشا و چگالی (CMS) در کانال‌های چرخشی

کمبود آب تازه به‌طور فزاینده‌ای به یک معضل مهم در سرتاسر جهان تبدیل‌شده است و علت آن رشد سریع فعالیت‌های صنعتی و افزایش رشد جمعیت است (Service, 2006; Gude, 2016). شدت کمبود در برخی از کشورهای درحال‌توسعه به‌خوبی مشخص است (Iglesias, Garrote, Flores, &) (Shannon, et al., 2008; Moneo, 2007). بنابراين، نمک‌زدایی آب دریا، یکی از راه‌حل‌های کلیدی تأمین منابع آب شیرین است (Ghaffour, Missimer, & Amy, 2013). فرآیند اسمز معکوس برای تهیه آب آشامیدنی از آب‌هایی که حاوی املاح معدنی زیاد و ناخالصی‌های آلی می‌باشند، بسیار مناسب بوده و قادر است از آب‌های شور مانند آب دریا، آب آشامیدنی تهیه کند. ازاین‌رو، در این پایان‌نامه روش جدیدی بر اساس مدل‌سازی جداسازی سانتریفیوژی غشاء به‌منظور نمک‌زدایی از آب‌شور با استفاده از روش اسمز معکوس سانتریفیوژی ارائه می‌شود و مدل‌های ارائه‌شده به‌منظور پیاده‌سازی در دستگاه CMS اعتبارسنجی می‌شوند.

جداسازی سانتریفیوژی غشاء ([1]CMS) تکنولوژی است که برای افزایش و گسترش دامنه‌ی کاربرد فرایندهای جداسازی غشاء پیشنهادشده است. مزیت CMS ناشی از بازیابی ذاتی انرژی حاصل از اسمز معکوس سانتریفیوژی (CRO) و اثرات بالقوه مطلوب شتاب سانتریفیوژی و کوریولیس در کاهش قطبش غلظتی و گرفتگی است. فرایندهای جداسازی غشا در صنایع مختلف و فرآیندهای مختلفی شامل تولید آب آشامیدنی، جوهرزدایی[2] کاغذ بازیافتی و آب‌گیری[3] از آب‌میوه به کار می‌رود. جداسازی غشایی فرایندی است که از یک غشاء نیمه‌تراوا[4] به‌منظور جداسازی جریان خوراک[5] به یک جریان نفوذ[6] و کنسانتره[7] یا جریان تغلیظ شده[8] استفاده می‌کند. درحالی‌که جدایی بن‌بست[9] که در آن تمام خوراک از غشا عبور می‌کند، نیز گاهی اوقات به کار می‌رود.

غشاء می‌تواند به‌عنوان یک مانع انتخابی بین دو فاز تعریف شود، که انتقال گونه‌های مختلف شیمیایی را محدود می‌کند (Porter, 1990). خوراک غشا به دو جریان تقسیم می‌شود: retentate و permeate، که هردوی آن‌ها می‌توانند به ترتیب موجب ایجاد جریان تغلیظ شده و جریان نفوذ شوند.

غشاء معمولاً از هر ماده‌ای تشکیل می‌شود که بتواند فیلم‌های نازک پایداری را تشکیل دهد. ازاین‌رو، پلیمرها، سرامیک، شیشه، فلزات و مایعات تک لایه می‌توانند به‌عنوان غشاء به کار روند (Pandey & Chauhan, 2001) (Burggraaf, 1996;. جداسازی غشاء به‌طور عمده به سه مکانیزم، غربال مولکولی، تعامل الکترواستاتیک و اثرات جذب بستگی دارد ( Madaeni & Salehi, 2009). غشاها طبقه‌بندی‌های مختلفی را اساساً بر اساس ساختار، مواد مورداستفاده برای ساخت و اندازه منافذشان شامل می‌شوند (Adiga, Jin, Curtiss, Monteiro-Riviere, & Narayan, 2009). بر اساس ساختار، غشاها می‌توانند به‌صورت غشاء نامتقارن همگن یا غشاء متخلخل باشند (Matsuura, 2001).

امروزه اکثر غشاهای متراکم، متخلخل و با یک فیلم با حجم بالا هستند (Ismail & David, 2001; Goh, Ismail, Sanip, Ng, & Aziz, 2001; Lin, Kumakiri, Nair, & Alsyouri, 2002). بر اساس مواد ساخت، غشاها می‌توانند ارگانیک، غیر ارگانیک یا هیبرید باشند (Cheng, et al., 2017). غشاهای ارگانیک صنعتی به‌طور عمده از پلیمر ساخته می‌شوند ( Werber, Osuji, & Elimelech, 2016). از سوی دیگر، غشاهای غیر ارگانیک می‌توانند از جنس فلز، سرامیک، زئولیت یا کربن عنصری باشند (Tsuru, 2001). غشاهای غیر ارگانیک می‌توانند دما و فشار بالا را تحمل کنند و حتی در محیط‌های خشن[10] بسیار پایدار هستند (Lin, Kumakiri, Nair, & Alsyouri, 2002; Javaid, 2005). نفوذپذیری آن‌ها در مقایسه با غشاهای پلیمری با انتخاب پذیری کافی، بسیار بالا است ( Lu, et al., 2007). بااین‌حال، انتخاب پذیری آن‌ها بسیار تحت تأثیر فرایندهای جداسازی مانند دما و فشار می‌باشد ( Verweij, 2012).

با توجه به این واقعیت که غشاهای غیر ارگانیک در شرایط محیطی خشن کار می‌کنند، قادر به تحمل روش‌های شستشوی خشن که برای دفع ضایعات استفاده می‌شود، هستند؛ ازاین‌رو برای جداسازی نمک‌زدایی از آب مناسب هستند (Benito, Sanchez, Pena, & Rodriguez, 2007) ( Faibis & Cohen, 2001).

با توجه به‌اندازه منافذ، غشاء می‌تواند ماکرومتخلخل[11] (ابعاد تخلخل > 50 نانومتر)، مزومتخلخل[12](ابعاد تخلخل 2 تا 50 نانومتر)، میکرومتخلخل[13] (ابعاد تخلخل <2 نانومتر) یا غشاهای متراکم[14] (ابعاد تخلخل <0.5 نانومتر) باشد ( Verweij, 2012) ( Shekhawat, Luebke, & Pennline, 2003) ( Koros, Ma, & Shimidzu, 1996). مایعات قادر به نفوذ در غشاهای میکرومتخلخل و متراکم نیستند. بااین‌حال، می‌توانند از غشاهای مزومتخلخل و ماکرومتخلخل از طریق مکانیزم جریان چسبندگی (ویسکوز) انتقال پیدا کنند (Tanardi, et al., 2015) (Tsuru, Inorganic porous membranes for liquid phase separation, 2001) (Majumder, Chopra, & Hinds, 2011). فرایندهای جداسازی غشاء در درجه اول به‌وسیله اختلاف غلظت، اختلاف دما، اختلاف‌پتانسیل الکتریکی یا اختلاف فشار انجام می‌شوند ( Al-Obaidani, et al., 2008). تفاوت فشار یا فرآیندهای تحت‌فشار، با توجه به‌اندازه منافذ غشاء مورداستفاده به چهار فرآیند طبقه‌بندی می‌شود. این چهار فرآیند عبارت‌اند از میکروفیلتراسیون[15] (MF)، اولترافیلتراسیون[16] (UF)، نانوفیلتراسیون[17] (NF) و اسمز معکوس[18] (RO) (van der Bruggen, Vandecasteele, van Gestel, Doyen, & Leysen, 2003) (Hilal, Al-Zoubi, Darwish, Mohammad, & Abu Arabi, 2004). با در نظر گرفتن اندازه منافذ و فشار مورد نیاز، ما در این تحقیق از اثرات غشاء اسمز معکوس استفاده می‌کنیم.

این پایان‌نامه روی فیلتراسیون با جریان متقاطع تمرکز خواهد کرد. در فیلتراسیون جریان متقاطع، جریان پرفشار موازی با سطح غشاء وارد سیستم می‌شود. قسمتی از این جریان از میان غشاء عبور کرده درحالی‌که ذرات موجود در آن در پشت غشاء بنام کنسانتره باقی می‌ماند. ازآنجایی‌که جریان به‌طور پی‌درپی بر روی سطح غشاء حرکت می‌کند، ذرات باقی‌مانده بر روی سطح غشاء تجمع پیدا نکرده و توسط جریان کنسانتره از سیستم خارج می‌شود. بنابراین یک جریان ورودی در خروجی به دو بخش تقسیم می‌شود: محلولی که از سطح غشاء عبور کرده (نفوذ کرده[19]) و جریان تغلیظ شده باقی‌مانده (کنسانتره). غشاء اسمز معکوس به روش جریان متقاطع فیلتراسیون انجام می‌دهد. در فرایندهای جداسازی متعارف مانند اسمز معکوس، فشارهای فرآیند با استفاده از پمپ‌های فشار بالا به دست می‌آیند و به‌طورمعمول، یک توربین downstream برای بازیافت انرژی از جریان خروجی با فشار بالا مورد نیاز است. با اسمز معکوس سانتریفیوژی، کار آیی انرژی به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. در این فرایند یک جریان خوراک سیال تحت‌فشار در سراسر غشاء به دو برون‌ریز جدا می‌شود، همان‌طور که در شکل زیر نشان داده‌شده است، “نفوذ” که از غشا عبور می‌کند و “کنسانتره” که ماده حل‌شده باقی‌مانده یا ذرات معلق غیر عبوری از غشاء است. همان‌طور که در شکل زیر نشان داده‌شده، فشار روند در یک سانتریفیوژ چرخشی افزایش‌یافته است. جریان خوراک در اسمز معکوس سانتریفیوژی با فشار کم وارد محور می‌شود و به‌صورت شعاعی به سمت بیرون غشاء منتقل می‌شود.