hasanzirak
7th October 2013, 10:25 PM
روشهای احیای کربن فعال
· تاثیر ترکیب احیاگرهای شیمیایی بر سرعت احیای کربن فعال
· احیای کربن فعال اشباع از اتیل استات با دی اکسید کربن فوق بحرانی
تاثیر ترکیب احیاگرهای شیمیایی بر سرعت احیای کربن فعال
امروزه تركيبات آلي فرار به عنوان يكي از شناخته شده ترين آلاينده هاي محيط زيست محسوب مي گردند. روشهاي مختلفي جهت حذف اين آ لايندهها از پسابهاي صنعتي ارائه گرديده است. استفاده از جاذبهاي سطحي جهت تصفيه پساب در بسياري از صنايع کاملاً متداول و رايج است. جاذبهاي سطحي بعد از اشباع بايد احيا شوند تا جهت جذب در مرحله بعد آماده گردند. در كار حاضر احيا كربن فعال آلوده به فنل ) به عنوان يك نمونه بسيار شاخص از تركيبات آلي فرار مورد استفاده در مقالات) مورد مطالعه قرارگرفته است. از بين روشهاي مختلف و متنوع پيشنهاد شده در مراجع روش هاي حلال شويي و استفاده از مواد واكنشگر و ترکيب اين دو احيا گر با تاکيد بر زمان احيا در اين مطالعه مورد بحث و بررسي قرار گرفته است . نتايج بيانگر آن است كه با استفاده از احياگرهاي شيميايي و تركيب آنها مي توان به درصد احيا قابل توجهي (در حدود %۹۰ (دست يافت. با استفاده از احياگرهايي با خاصيت واكنش دهي زمان احيا كوتاهتر و درصد احيا قابل توجهي قابل حصول است. با در نظر گرفتن مسايل اقتصادي تركيب دو احياگر توصيه نميگردد.
تصفيه پسابهاي صنعتي به عنوان يكي از مهمترين آلاينده هاي محيط زيست در سالهاي اخير اهميت بسيار زيادي پيدا كرده است . تركيبات آلي فرار به عنوان يكي از آلاينده هاي محيط زيست كه در پساب بسياري از صنايع از جمله پالايشگاه ها و پتروشيمي ها موجود است، مورد توجه خاصي قرار گرفته است . روشهاي مختلفي جهت حذف تركيبات VOC از پساب صنايع پيشنهاد گرديده است ليكن جذب سطحي در صورتي كه غلظت آلاينده زياد نباشد به عنوان يك روش بسيار مناسب، آسان و ارزان قيمت شناخته شده است و قابل به كار گيري مي باشد.
از بين جاذبهاي سطحي مختلف، كربن فعال به عنوان يك جاذب بسيار متداول، شناخته شده، قابل دسترس و ارزان قيمت در بسياري از صنايع مورد استفاده قرار مي گيرد. با توجه به نياز بسيار زياد صنايع داخلي به كربن فعال و توليد بسيار كم و نامرغوب اين ماده در داخل كشور، احيا كربن فعال به عنوان يك راه حل مناسب جهت كاهش چشمگير واردات اين ماده توصيه مي گردد.
روشهاي احيا كربن فعال
تا کنون روشهاي مختلفي جهت احيا کربن فعال آلوده شده در صنايع پيشنهاد گرديده است. در يک نگاه اجمالي احيا کربن فعال به روشهاي دمايي، شيميايي، ميکروبي، الکتروشيميايي و فشاري انجام مي گیرد. در مطالعه حاضر روش احيا شيميايي مورد بررسي قرار گرفته است . روش احيا شيميايي مي تواند به عنوان يك روش جايگزين براي روش احيا دما يي كربن فعال كه يك روش قديمي تر است، مورد استفاده قرارگيرد. يكي از امتيازات بسيار شاخص روش احيا شيميايي اتلاف ناچيز كربن فعال براي هر سيكل احيا مي باشد .اين مزيت باعث مي شود تا كربن فعال آلوده ، به دفعات زياد احيا شود و مجدداً مورد استفاده قرار گيرد. مدت زمان احيا کربن فعال يکي از پارامترهاي مهم موثر در احيا کربن فعال است که در عمل تعداد برجهاي مدت زمان احيا کربن فعال يکي از پارامترهاي مهم موثر در احيا کربن فعال است که در عمل تعداد برجهاي جذب و دفع مورد نياز جهت تصفيه يک پساب معين را تعيين مي کند، در اين مطالعه اهميت خاصي به اين مطلب داده شده است. در روش حلال شويي كربن فعال آلوده با يك حلال آلي كه عمدتاً از تركيبات فرار مي باشد، شستشو داده مي شود و حلال ماده آلاينده را از سطح كربن فعال جدا مي نمايد. مواد زيادي تا كنون به عنوان حلال مورد استفاده قرار گرفته اند كه از آن جمله مي توان به متانول، اتانول و پروپانول از الكلها، اسيدهاي كربو كسيليك، آمينها، استرها، آلدهيدها و… اشاره نمود.
در روش احيا شيميايي با همراهي واكنش ماده جذب شده بر روي سطح جاذب در واكنش شيميايي شركت مي كند . اين روش احيا خصوصاً موقعي اهميت زيادي پيدا مي كند كه جذب شونده پيوند قوي با سطح كربن فعال ايجاد نمايد . در اين حالت با توجه به انجام واكنش شيميايي و توليد يك ماده جديد اندركنش سطح جاذب-ماده جذب شونده تغييرمي كند و امكان احيا ساده تركربن فعال فراهم مي گردد.
جهت نتیجه گیری از مبحث فوق به طراحی و توضیح یک سری آزمایشات خواهیم پرداخت:
روند انجام آزما یشات:
كربن فعال قبل از استفاده به مدت ٦ ساعت با آب مقطر در حال جوش شسته ميشود و سپس به مدت ٢٤ساعت در دماي 105درجه سانتیگراد خشك كرده و در يك ظرف پلاستيكي سربسته نگهداري ميشود. 0.5 گرم از کربن فعال را در داخل يك ظرف پلاستيكي مي ريزيم و به آن ١٠٠ ميلی ليتر محلول ppm 1000فنل اضافه مي نماييم و اجازه مي دهيم تا كربن فعال به مدت ٢٤ ساعت فنل را جذب نمايد. اين مدت زمان جذب براي آنكه كربن فعال به ٨٠ % مقدار اشباع خود برسد كافي است . غلظت محلول فنل پس از جذب آناليز مي شود و سپس عمليات احيا انجام مي گيرد. كل روند ذكر شده بار ديگر براي كربن فعال احيا شده تكرار مي گردد.
محاسبه درصد احيا
براي محاسبه راندمان احياRP)) از رابطه زیر استفاده می شود:
RP = file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif لازم به ذكر است كه شرايطي از قبيل دما، زمان جذب، غلظت فنل و مقدار محلول فنل براي جذب اوليه و جذب بعد از احيا كاملا يكسان مي باشند. بدين ترتيب معادله فوق را به صورت ذيل نيز مي توان بيان كرد:
RP= file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif در معادله فوقfile:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif غلظت فنل قبل از جذب (ppm 1000) ، file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif غلظت فنل پس از جذب توسط كربن فعال احيا شده و file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif غلظت فنل پس از جذب توسط كربن فعال تازه مي باشد.
احيا كربن فعال با استفاده از مواد شيميايي با خاصيت حلال شويي
مقادير متفاوتي از حلالهاي مختلف جهت شستشو به كربن فعال آلوده اضافه گرديد و نتايج آن در منحني زیر آورده شده است . مقادير بهينه اي از حلال(نسبت جرم حلال به جرم كربن فعال مورد احيا)جهت احيا كربن فعال آلوده وجود دارد. در اين آزمايشات نسبت حلال به كربن فعال براي حلالهاي استن، اتانول، متانول و اسيد استيك ۱۵ % حجمي به ترتيب عبارتند از 10، 30، 20 و10 است كه در آنها نسبت حلال به كربن فعال بهترين درصد احيا كربن فعال ارزيا بي گرديده است. نتايج به صورت درصد احيا با تابعيت زمان در منحني زیر آورده شده است.
همانگونه كه ديده مي شود درصداحيا قابل توجهي در روش احيا شيميايي با استفاده از خاصيت حلال شوييقابل حصول است . بيشترين درصد احيا با استفاده از متانول به مدت ۷ ساعت RP قابل توجهي دارد )۹۸%) با اين حال هرگاه با در نظر گرفتن مسايل عملياتي و اقتصادي مدت زمان احيا كوتاه تر نياز باشد استفاده از استن به مدت ۵ ساعت توصيه مي گردد
با اين حال درصد احيا محلول ۱۵ %. اسيد استيك بعد گذشت ۵ ساعت تقريباً ۸۰ % است كه درصد احيا قابل توجهي است.
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif
مواد احياگر با خاصيت واكنش دهي
در دسته ديگري از احياگرها از مواد واكنش دهنده با فنل از قبيل سود، پتاس و نمك طعام مورد استفاده در اين دسته از احياگرها ) با خاصيت واكنش دهي شيميايي (استفاده از محلولهاي رقيق تر نتايج بهتري دارد. در اين مطالعه از مواد واكنشگر فوق با غلظت M05. به مقدار CC 100 براي gr0.5 كربن فعال جهت احيا استفاده گرديد و نتايج آن در منحني زیر آورده شده است.
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif
همانگونه كه ديده مي شود استفاده از محلول سود داراي درصد احيا بالاتري نسبت به دو احياگر ديگر دارد . ازطرفي همانگونه كه در منحني ديده مي شود عملاً بعد گذشت ۳ ساعت محلول سود به حداكثر درصد احيا ممكن خود مي رسد حال آنكه در مورد محلول پتاس و نمك طعام نياز به مدت زمان بيشتري است . به بيان ديگر محلول سود نسبت به محلولهاي پتاس و نمك طعام در مدت زمان كمتر درصد احيا بيشتري از خود نشان ميدهد. در اين حالت اندازه كوچك كاتيون سديم كه داراي بار مخالفي با بار سطح كربن فعال مي باشد باعث مي شود نفوذ اين كاتيون به راحتي انجام گيرد . كاتيون سديم با فنل واكنش مي دهند و توليد سديم فنلات مي نمايند كه حلاليت بسيار قابل توجهي در آب دارد و به راحتي از سطح كربن فعال جدا مي شود.
- در دسته ديگري از آزمايشات تركيب دو احيا گر شيميايي مذكور در فوق (حلال با خاصيت حلال شويي ومواد شيميايي با خاصيت واكنش دهي) مورد مطالعه قرار گرفته است.
استفاده از مخلوط استن و سود به عنوان احياگر
با استفاده از نتايج حاصل ازمنحني های پیشین از مخلوط ۵ گرم استن با ۱۰۰ ميلی ليتر از محلول ۰۵/ مولار سود به عنوان احياگر استفاده گرديد . در اين حالت نيز راندمان احيا را در زمانهاي مختلف احيا مورد بررسي قرار گرفت كه نتايج آنها در منحني زیر آورده شده است.
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.gif
همانگونه كه در منحني فوق ديده مي شود بعد گذشت ۷ ساعت درصد احيا كربن فعال به مقدار قابل توجهي مي رسد. با استفاده از تركيب دو احياگر درصد احيا كربن فعال نسبت به حالتي كه از استن خالص استفاده كرده بوديم بيشتر است ولي مدت زمان مورد نياز جهت احيا نيز افزايش پيدا كرده است . با در نظر گرفتن مسايل اقتصادي و با توجه به افزايش مدت زمان احيا، در عمل تركيب دو احياگر جهت احيا كربن فعال توصيه نمي گردد مگر آنكه بنا به دليل خاصي به درصد احيا بالايي نياز داشته باشيم.
با دقت در منحني فوق مشاهده مي گردد كه در زمانهاي پايين تر از ۵ ساعت منحني احيا با احياگر تركيبي )استن و سود( ، با منحني احيا سود مطابقت دارد و در زمانها ي بالاتر از ۷ ساعت اين منحني با منحني احيا استن مطابقت دارد . به عبارت ديگر در صورت استفاده از احياگر تركيبي فرآيند احيا از دو مرحله تشكيل شده است . مرحله اول )زمانهاي احيا كمتر از ۵ ساعت) ، در اين مرحله مكانيسم احيا با مكانيسم احيا همراه با واكنش ) احياگر سو د (مطابقت دارد . در مرحله دوم ) زمانهاي احيا بالاتر از ۷ساعت ( مكانيسم احيا با مكانيسم احيا حلال شويي مطابقت دارد. علت اين مسئله را مي توان به كوچك بودن كاتيونهاي سديم و داشتن بار ناهمنام با سطح كربن فعال ارتباط داد . دو عامل مذكور باعث مي گردد كاتيون سديم راحت تر بتواند خود را به فنل جذب شده برساند و با آن واكنش دهد . ولي در مدت زمان بيشتر استن نيز فرصت نفوذ در منافذ راپيدا مي كند.
استفاده از مخلوط متانول و سود به عنوان احياگر
با استفاده از نتايج حاصل از دومنحني های نخست، از مخلوط ۱۵ گرم متانول باcc 100 از محلول ۰۵/ مو لار سود به عنوان احياگر استفاده گرديد . در اين حالت نيز راندماناحيا را در زمانهاي مختلف احيا مورد بررسي قرار گرفت كه نتايج آنها در منحني زیر آورده شده است.
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.gif
همانگونه كه ديده مي شود حداكثر درصد احيا قابل حصول در حالت استفاده از احياگر خالص و تركيبي يكسان است و از اين جهت استفاده از احياگر تركيبي توصيه نمي شود. همانند تركيب احياگر استن و سود فرآيند احيا از دو مرحله تشكيل شده است . مرحله اول (زمانهاي احيا كمتر از ۳ ساعت )، در اين مرحله مكانيسم احيا با مكانيسم احيا همراه با واكنش ( احياگر سود ) مطابقت دارد. در مرحله دوم )زمانهاي احيا بالاتر از ۵ ساعت ( مكانيسم احيا با مكانيسم احيا حلال شويي مطابقت دارد . توجيه اين مسئله با علت مذكور شده در قسمت قبل مطابقت دارد.
در كل با توجه به آزمايشات انجام شده نتايج ذيل قابل استنتاج است:
الف( زمان احيا به عنوان يك پارامتر عملياتي و اقتصادي بسيار مهم در احيا كربن فعال در نظر گرفته شود.
ب) با استفاده از احياگرهاي شيميايي با خاصيت حلال شويي و واكنش دهي درصد احيا قابل توجهي براي كربن فعال آلوده به فنل امكان پذير است.
ج) درصد احيا و مدت زمان احيا بستگي به نوع احياگر شيميايي دارد كه نوع اين احياگر را مي توان با در نظر گرفتن زمان احيا، درصد احيا مورد نظر و قيمت احياگر تعيين نمود.
د( با درنظر گرفتن مسايل اقتصادي استفاده از تركيب دو احياگر شيميايي جهت احيا كربن فعال توصيهنمي شود.
ه) در تركيب دو احياگر شيميايي با دوخاصيت واكنش دهي و حلال شويي در زمانهاي كوتاه احيا (مراحل اوليه احيا ) مكانيزم احيا منطبق با مكانيزم احياگر شيميايي با خاصيت واكنش دهي است و در ادامه مكانيزماحيا منطبق با مكانيزم احياگر شيميايي با خاصيت حلال شويي است.
بازیابی کربن فعال اشباع از اتیل استات با دی اکسید کربن فوق بحرانی
پسابهای صنعتی و شهری حاوی آلودگی فراوانی از جمله مواد آلی و معدنی می باشند. ورود این پسابها به دریاها، رودخانه ها و منابع آب زیرزمینی باعث تخریب محیط زیست می شود و جداسازی آلاینده های موجود در پسابها یکی از عملیات مهم و ضروری است. روشهای مختلفی برای جداسازی آلاینده ها از پسابها وجود دارد که یکی از روشهای موثر و ارزان جذب سطحی می باشد. سازمان محافظت محیط زیست آمریکا (USEPA) روش جذب سطحی با استفاده از کربن فعال را به عنوان بهترین تکنولوژی در دسترس برای جداسازی مواد آلی و معدنی از محلول ها معرفی کرده است. کربن فعال در تخلیص مخلوط گازها، در رنگ زدایی، ساخت فیلترها، جداسازی مخلوط ها، به عنوان کاتالیزور و جاذب سطحی در فازهای گاز و مایع نیز به کار می رود. وقتی که آلودگی ها، جذب کربن فعال می شوند، ظرفیت جذب کربن به تدریج کاهش یافته و در نهایت به حدی می رسد که به آن کربن مصرف شده می گویند. کربن فعال به دو صورت تازه تولید شده و بازیابی شده در صنعت استفاده می شود. با توجه به گران بودن تولید کربن فعال و با توجه به این که از بین بردن کربن فعال اشباع شده باعث آلودگی محیط زیست می شود، بازیابی آن از اهمیت خاصی برخوردار است.
تحقیقات فراوانی توسط محققین برای بازیابی کربن فعال انجام شده و روشهای مختلفی پیشنهاد شده که از جمله می توان به روشهای حرارتی، شیمیایی، الکتروشیمیایی، کاتالیزوری، بیولوژیکی، ما فوق صوت و استفاده از سیال بحرانی اشاره کرد. روش حرارتی اولین روش استفاده شده برای بازیابی کربن فعال است. هر چند بازیابی به روش حرارتی یک روش مفید در زمان خود بود، اما دارای معایبی بود که باعث افزایش انگیزه جهت تحقیق برای یافتن روشهای بهتر شد. روش حرارتی برای ظرفیت کمتر از 500000 تن در سال اقتصادی نیست و به دلیل انجام فرآیند در دماهای بالاتر از 800 درجه سانتیگراد، مصرف انرژی بالا است. به علاوه در این روش در هر سیکل بازیابی 5 یا 10 درصد کربن از بین می رود. تحقیقات فراوانی برای جایگزینی این روش توسط محققین انجام گرفته است. در روش بازیابی شیمیایی حلال های شیمیایی برای بازیابی کربن فعال به کار می روند. روش شیمیایی برای ظرفیتهای بالا اقتصادی نیست زیرا حلالهای شیمیایی غالبا گران قیمت هستند و افزایش تناژ کربن نیازمند افزایش مصرف حلالهای شیمیایی می باشد. در این روش عمیلات بازیابی تابع دما است و کنترل دما اهمیت زیادی دارد. بازده روش الکتروشیمیایی بالا است اما این روش برای تناژ بالای کربن غیر اقتصادی است. در روش بازیابی کاتالیزوری بازده عملیات در حد متوسط است. این روش برای واحدهای کوچک اقتصادی بوده و مصرف انرژی کمتری دارد اما زمان فرآیند طولانی است و در هر سیکل بازیابی 2.35 تا 2.86 درصد از کربن فعال از بین می رود. در روش بیولوژیکی ایجاد شرایط مناسب برای فعالیت میکروارگانیسم ها و نیز غلظت میکروارگانیسم ها بسیار مهم می باشد. در این روش نیز به علت فعالیت کند میکروارگانیسم ها، زمان عملیات بازیابی طولانی است اما شرایط عملیاتی بسیار مطلوب می باشد. روش مافوق صوت برای ظرفیت بالا اقتصادی نیست چون با افزایش تناژ کربن، بازده عملیات به شدت افت می کند. در این روش هزینه تجهیزات نسبتا بالا بوده و برای فراهم کردن فرکانس بالا، به مصرف انرژی بالا نیاز خواهد بود.
سیالات فوق بحرانی از نظر خواص انتقالی مانند گازها(نفوذپذیری بالا و ویسکوزیته کم) و از نظر قدرت حلالیت شبیه حلالهای مایع هستند. با این خواص، سیالات فوق بحرانی در خالص سازی، استخراج، تفکیک و جزﺀ به جزﺀ کردن و کریستالیزاسیون برای گستره وسیعی از مواد استفاده می شوند. کشش سطحی سیالات فوق بحرانی صفر بوده و در نتیجه به راحتی به خلل و فرج کربن فعال نفوذ می کند. بنابراین روش استفاده از سیالات فوق بحرانی روش مناسبی برای بازیابی کربن فعال می باشد.
- روند بازیابی کربن فعال اشباع از اتیل استات با دی اکسید کربن فوق بحرانی
در این بخش اثر پارامترهای دما، فشار و زمان را بر بازیابی کربن فعال اشباع از اتیل استات به وسیله سیال فوق بحرانی بررسی می کنیم. یک آزمایش متداول استخراج کربن فعال اشباع از اتیل استات در دماها و فشارهای مختلف میباشد که برای انجام اندازه گیری ها از دستگاه استخراج با سیال بحرانی استفاده می کنیم.مثلا در مدت زمان 60 دقیقه نتایج را در دماهای 35 و 45 درجه سیلسیوس و در فشارهای 100، 150، 200 و 250 (BAR) بررسی می کنیم. از نتایج این آزمایشات اینگونه برآورد می شود که درصد استخراج با افزایش فشار و دما زیاد می شود. در ادامه این بخش به بررسی روند انجام این آزمایش و به بحث و آنالیز نتایج بدست آمده از انجام آزمایش می پردازیم.
روش آزمایش:
ابتدا وزن معینی کربن فعال را آب مقطر به مدت 30 دقیقه می جوشانیم، سپس آن را از فیلتر گذرانده و به مدت 6 ساعت در آون نگه می د اریم. یک لیتر از محلول آنالیت (اتیل استات با غلطت 3 گرم بر لیتر) را به ازای هر 13 گرم کربن فعال تهیه می کنیم و کربن فعال را در آن قرار داده و محلول را توسط همزن یکنواخت می کنیم. کربن پس از مدت زمانی در حدود 6 ساعت با محلول به حالت تعادل می رسند. پس از انجام فرآیند جذب توسط کربن فعال، آن را با استفاده از کاغذ صافی و قیف بوخنر از محلول جدا کرده و به مدت 8 ساعت در درون آون قرار می دهیم تا به طور کلی آب زدایی شود. پس از خشک شدن کامل کربن، نمونه را از آون خارج کرده و وزن می کنیم. کربن فعال اشباع شده آماده انجام فرآیند استخراج فوق بحرانی است. حال با ایجاد شرایط مناسب برای دستگاه استخراج فوق بحرانی، کربن فعال را درون اکسترکیور(extractor) قرار می دهیم و فرآیند استخراج انجام می گیرد. پس از انجام فرآیند استخراج، کربن فعال را از اکسترکتور خارج کرده و وزن می نماییم. بازده فرآیند استخراج با استفاده از وزن کربن فعال قبل و بعد از استخراج بدست می آید.
نتایج حاصل از آزمایش به صورت درصد استخراج کربن فعال اشباع از اتیل استات در مدت زمان 60 دقیقه و برای دو دمای 35 و 45 درجه سیلسیوس در جدول 1 گردآوری شده اند. آزمایشها در فشارهای 200،150،100 و 250 بار(Bar) انجام شده اند. برای بررسی تاثیر هم زمان سه پارامتر دما، فشار و زمان، در فشارهای 200،150،100 و 250، دماهای 35، 40، 45 و 50 و در زمانهای استخراج 30، 45، 60 و 90 نیز این آزمایش انجام گردیده است. جدول 2 نیز حاوی نتایج این آزمایش توسط روشهای آماری می باشد.
همانطور که از نتایج جدول 1 مشاهده می شود در هردو دمای 35 و 45 درجه سیلسیوس، با افزایش فشار، درصد استخراج اتیل استات افزایش می یابد. نتایج بدست آمده در فشار ثابت نشان می دهد که با افزایش دما نیز درصد استخراج زیاد می شود. با توجه به نتایج جداول 1 و2، بهترین شرایط استخراج عبارت است از: فشار در سطح 4 (250 اتمسفر)، دما در سطح 2 (40 درجه سیلسیوس) و زمان در سطح 3(60 دقیقه).
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.gif
مدل تعادلی لانگمیر برای دفع اتیل استات از کربن فعال
در بخش قبل فرآیند جذب سطحی با غلظت های مختلف اتیل استات بررسی گردید و سپس دفع یا بازیابی کبرن فعال در فشار 200 بار و دمای 45 درجه سیلسیوس مورد آزمایش قرار گرفت. در جدول 3 و شکل1 نتایج تجربی بازیابی کربن فعال اشباع از اتیل استات با غلطتهای مختلف نشان داده شده است. با رسم خط رگراسیون بهترین مقدار برای file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.gif و K به ترتیب 0.62 و 21 به دست آمده است. به این ترتیب ایزوترم لانگمیر برای جذب یا دفع تعادلی اتیل استات به وسیله دی اکسید کربن فوق بحرانی در فشار 200 اتمسفر و دمای 45 درجه سیلسیوس به صورت زیر می باشد:
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image034.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image038.gif
روش بازیابی کربن فعال با استفاده از دی اکسید کربن فوق بحرانی مزیتی نسبت به روش مرسوم حرارتی می باشد و آن مزیت این است که اتلاف کربن در این روش صفر می باشد، در حالی که در روش حرارتی حدود 10-5 درصد از کربن در هر مرحله بازیابی از بین می رود. ضمنا علاوه بر دما، فرآیند بازیابی با سیال فوق بحرانی نسبت به تغییرات فشار نیز حساس بوده و با تغییرات فشار می توان درصد بازیابی را افزایش داد.
پارامتر اصلی برای انتخاب روش بازیابی ارزیابی های اقتصادی می باشد. با توجه به صفر بودن کشش سطحی سیالات فوق بحرانی، این سیالات به راحتی به تخلخل مواد متخلخل نفوذ کرده و جزﺀ یا اجزاﺀ مورد نظر را در خود حل می کنند بنابراین در روش بازیابی با استفاده از سیال فوق بحرانی افزلیش بازده و کیفیت بالاتر محصول مورد انتظار ماست. البته استفاده از این روش نیازمند تجهیزات مقاوم در برابر فشار بوده که این موضوع هزینه های اولیه سرمایه گزاری را بالا می برد.
· تاثیر ترکیب احیاگرهای شیمیایی بر سرعت احیای کربن فعال
· احیای کربن فعال اشباع از اتیل استات با دی اکسید کربن فوق بحرانی
تاثیر ترکیب احیاگرهای شیمیایی بر سرعت احیای کربن فعال
امروزه تركيبات آلي فرار به عنوان يكي از شناخته شده ترين آلاينده هاي محيط زيست محسوب مي گردند. روشهاي مختلفي جهت حذف اين آ لايندهها از پسابهاي صنعتي ارائه گرديده است. استفاده از جاذبهاي سطحي جهت تصفيه پساب در بسياري از صنايع کاملاً متداول و رايج است. جاذبهاي سطحي بعد از اشباع بايد احيا شوند تا جهت جذب در مرحله بعد آماده گردند. در كار حاضر احيا كربن فعال آلوده به فنل ) به عنوان يك نمونه بسيار شاخص از تركيبات آلي فرار مورد استفاده در مقالات) مورد مطالعه قرارگرفته است. از بين روشهاي مختلف و متنوع پيشنهاد شده در مراجع روش هاي حلال شويي و استفاده از مواد واكنشگر و ترکيب اين دو احيا گر با تاکيد بر زمان احيا در اين مطالعه مورد بحث و بررسي قرار گرفته است . نتايج بيانگر آن است كه با استفاده از احياگرهاي شيميايي و تركيب آنها مي توان به درصد احيا قابل توجهي (در حدود %۹۰ (دست يافت. با استفاده از احياگرهايي با خاصيت واكنش دهي زمان احيا كوتاهتر و درصد احيا قابل توجهي قابل حصول است. با در نظر گرفتن مسايل اقتصادي تركيب دو احياگر توصيه نميگردد.
تصفيه پسابهاي صنعتي به عنوان يكي از مهمترين آلاينده هاي محيط زيست در سالهاي اخير اهميت بسيار زيادي پيدا كرده است . تركيبات آلي فرار به عنوان يكي از آلاينده هاي محيط زيست كه در پساب بسياري از صنايع از جمله پالايشگاه ها و پتروشيمي ها موجود است، مورد توجه خاصي قرار گرفته است . روشهاي مختلفي جهت حذف تركيبات VOC از پساب صنايع پيشنهاد گرديده است ليكن جذب سطحي در صورتي كه غلظت آلاينده زياد نباشد به عنوان يك روش بسيار مناسب، آسان و ارزان قيمت شناخته شده است و قابل به كار گيري مي باشد.
از بين جاذبهاي سطحي مختلف، كربن فعال به عنوان يك جاذب بسيار متداول، شناخته شده، قابل دسترس و ارزان قيمت در بسياري از صنايع مورد استفاده قرار مي گيرد. با توجه به نياز بسيار زياد صنايع داخلي به كربن فعال و توليد بسيار كم و نامرغوب اين ماده در داخل كشور، احيا كربن فعال به عنوان يك راه حل مناسب جهت كاهش چشمگير واردات اين ماده توصيه مي گردد.
روشهاي احيا كربن فعال
تا کنون روشهاي مختلفي جهت احيا کربن فعال آلوده شده در صنايع پيشنهاد گرديده است. در يک نگاه اجمالي احيا کربن فعال به روشهاي دمايي، شيميايي، ميکروبي، الکتروشيميايي و فشاري انجام مي گیرد. در مطالعه حاضر روش احيا شيميايي مورد بررسي قرار گرفته است . روش احيا شيميايي مي تواند به عنوان يك روش جايگزين براي روش احيا دما يي كربن فعال كه يك روش قديمي تر است، مورد استفاده قرارگيرد. يكي از امتيازات بسيار شاخص روش احيا شيميايي اتلاف ناچيز كربن فعال براي هر سيكل احيا مي باشد .اين مزيت باعث مي شود تا كربن فعال آلوده ، به دفعات زياد احيا شود و مجدداً مورد استفاده قرار گيرد. مدت زمان احيا کربن فعال يکي از پارامترهاي مهم موثر در احيا کربن فعال است که در عمل تعداد برجهاي مدت زمان احيا کربن فعال يکي از پارامترهاي مهم موثر در احيا کربن فعال است که در عمل تعداد برجهاي جذب و دفع مورد نياز جهت تصفيه يک پساب معين را تعيين مي کند، در اين مطالعه اهميت خاصي به اين مطلب داده شده است. در روش حلال شويي كربن فعال آلوده با يك حلال آلي كه عمدتاً از تركيبات فرار مي باشد، شستشو داده مي شود و حلال ماده آلاينده را از سطح كربن فعال جدا مي نمايد. مواد زيادي تا كنون به عنوان حلال مورد استفاده قرار گرفته اند كه از آن جمله مي توان به متانول، اتانول و پروپانول از الكلها، اسيدهاي كربو كسيليك، آمينها، استرها، آلدهيدها و… اشاره نمود.
در روش احيا شيميايي با همراهي واكنش ماده جذب شده بر روي سطح جاذب در واكنش شيميايي شركت مي كند . اين روش احيا خصوصاً موقعي اهميت زيادي پيدا مي كند كه جذب شونده پيوند قوي با سطح كربن فعال ايجاد نمايد . در اين حالت با توجه به انجام واكنش شيميايي و توليد يك ماده جديد اندركنش سطح جاذب-ماده جذب شونده تغييرمي كند و امكان احيا ساده تركربن فعال فراهم مي گردد.
جهت نتیجه گیری از مبحث فوق به طراحی و توضیح یک سری آزمایشات خواهیم پرداخت:
روند انجام آزما یشات:
كربن فعال قبل از استفاده به مدت ٦ ساعت با آب مقطر در حال جوش شسته ميشود و سپس به مدت ٢٤ساعت در دماي 105درجه سانتیگراد خشك كرده و در يك ظرف پلاستيكي سربسته نگهداري ميشود. 0.5 گرم از کربن فعال را در داخل يك ظرف پلاستيكي مي ريزيم و به آن ١٠٠ ميلی ليتر محلول ppm 1000فنل اضافه مي نماييم و اجازه مي دهيم تا كربن فعال به مدت ٢٤ ساعت فنل را جذب نمايد. اين مدت زمان جذب براي آنكه كربن فعال به ٨٠ % مقدار اشباع خود برسد كافي است . غلظت محلول فنل پس از جذب آناليز مي شود و سپس عمليات احيا انجام مي گيرد. كل روند ذكر شده بار ديگر براي كربن فعال احيا شده تكرار مي گردد.
محاسبه درصد احيا
براي محاسبه راندمان احياRP)) از رابطه زیر استفاده می شود:
RP = file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif لازم به ذكر است كه شرايطي از قبيل دما، زمان جذب، غلظت فنل و مقدار محلول فنل براي جذب اوليه و جذب بعد از احيا كاملا يكسان مي باشند. بدين ترتيب معادله فوق را به صورت ذيل نيز مي توان بيان كرد:
RP= file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif در معادله فوقfile:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif غلظت فنل قبل از جذب (ppm 1000) ، file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif غلظت فنل پس از جذب توسط كربن فعال احيا شده و file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif غلظت فنل پس از جذب توسط كربن فعال تازه مي باشد.
احيا كربن فعال با استفاده از مواد شيميايي با خاصيت حلال شويي
مقادير متفاوتي از حلالهاي مختلف جهت شستشو به كربن فعال آلوده اضافه گرديد و نتايج آن در منحني زیر آورده شده است . مقادير بهينه اي از حلال(نسبت جرم حلال به جرم كربن فعال مورد احيا)جهت احيا كربن فعال آلوده وجود دارد. در اين آزمايشات نسبت حلال به كربن فعال براي حلالهاي استن، اتانول، متانول و اسيد استيك ۱۵ % حجمي به ترتيب عبارتند از 10، 30، 20 و10 است كه در آنها نسبت حلال به كربن فعال بهترين درصد احيا كربن فعال ارزيا بي گرديده است. نتايج به صورت درصد احيا با تابعيت زمان در منحني زیر آورده شده است.
همانگونه كه ديده مي شود درصداحيا قابل توجهي در روش احيا شيميايي با استفاده از خاصيت حلال شوييقابل حصول است . بيشترين درصد احيا با استفاده از متانول به مدت ۷ ساعت RP قابل توجهي دارد )۹۸%) با اين حال هرگاه با در نظر گرفتن مسايل عملياتي و اقتصادي مدت زمان احيا كوتاه تر نياز باشد استفاده از استن به مدت ۵ ساعت توصيه مي گردد
با اين حال درصد احيا محلول ۱۵ %. اسيد استيك بعد گذشت ۵ ساعت تقريباً ۸۰ % است كه درصد احيا قابل توجهي است.
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif
مواد احياگر با خاصيت واكنش دهي
در دسته ديگري از احياگرها از مواد واكنش دهنده با فنل از قبيل سود، پتاس و نمك طعام مورد استفاده در اين دسته از احياگرها ) با خاصيت واكنش دهي شيميايي (استفاده از محلولهاي رقيق تر نتايج بهتري دارد. در اين مطالعه از مواد واكنشگر فوق با غلظت M05. به مقدار CC 100 براي gr0.5 كربن فعال جهت احيا استفاده گرديد و نتايج آن در منحني زیر آورده شده است.
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif
همانگونه كه ديده مي شود استفاده از محلول سود داراي درصد احيا بالاتري نسبت به دو احياگر ديگر دارد . ازطرفي همانگونه كه در منحني ديده مي شود عملاً بعد گذشت ۳ ساعت محلول سود به حداكثر درصد احيا ممكن خود مي رسد حال آنكه در مورد محلول پتاس و نمك طعام نياز به مدت زمان بيشتري است . به بيان ديگر محلول سود نسبت به محلولهاي پتاس و نمك طعام در مدت زمان كمتر درصد احيا بيشتري از خود نشان ميدهد. در اين حالت اندازه كوچك كاتيون سديم كه داراي بار مخالفي با بار سطح كربن فعال مي باشد باعث مي شود نفوذ اين كاتيون به راحتي انجام گيرد . كاتيون سديم با فنل واكنش مي دهند و توليد سديم فنلات مي نمايند كه حلاليت بسيار قابل توجهي در آب دارد و به راحتي از سطح كربن فعال جدا مي شود.
- در دسته ديگري از آزمايشات تركيب دو احيا گر شيميايي مذكور در فوق (حلال با خاصيت حلال شويي ومواد شيميايي با خاصيت واكنش دهي) مورد مطالعه قرار گرفته است.
استفاده از مخلوط استن و سود به عنوان احياگر
با استفاده از نتايج حاصل ازمنحني های پیشین از مخلوط ۵ گرم استن با ۱۰۰ ميلی ليتر از محلول ۰۵/ مولار سود به عنوان احياگر استفاده گرديد . در اين حالت نيز راندمان احيا را در زمانهاي مختلف احيا مورد بررسي قرار گرفت كه نتايج آنها در منحني زیر آورده شده است.
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.gif
همانگونه كه در منحني فوق ديده مي شود بعد گذشت ۷ ساعت درصد احيا كربن فعال به مقدار قابل توجهي مي رسد. با استفاده از تركيب دو احياگر درصد احيا كربن فعال نسبت به حالتي كه از استن خالص استفاده كرده بوديم بيشتر است ولي مدت زمان مورد نياز جهت احيا نيز افزايش پيدا كرده است . با در نظر گرفتن مسايل اقتصادي و با توجه به افزايش مدت زمان احيا، در عمل تركيب دو احياگر جهت احيا كربن فعال توصيه نمي گردد مگر آنكه بنا به دليل خاصي به درصد احيا بالايي نياز داشته باشيم.
با دقت در منحني فوق مشاهده مي گردد كه در زمانهاي پايين تر از ۵ ساعت منحني احيا با احياگر تركيبي )استن و سود( ، با منحني احيا سود مطابقت دارد و در زمانها ي بالاتر از ۷ ساعت اين منحني با منحني احيا استن مطابقت دارد . به عبارت ديگر در صورت استفاده از احياگر تركيبي فرآيند احيا از دو مرحله تشكيل شده است . مرحله اول )زمانهاي احيا كمتر از ۵ ساعت) ، در اين مرحله مكانيسم احيا با مكانيسم احيا همراه با واكنش ) احياگر سو د (مطابقت دارد . در مرحله دوم ) زمانهاي احيا بالاتر از ۷ساعت ( مكانيسم احيا با مكانيسم احيا حلال شويي مطابقت دارد. علت اين مسئله را مي توان به كوچك بودن كاتيونهاي سديم و داشتن بار ناهمنام با سطح كربن فعال ارتباط داد . دو عامل مذكور باعث مي گردد كاتيون سديم راحت تر بتواند خود را به فنل جذب شده برساند و با آن واكنش دهد . ولي در مدت زمان بيشتر استن نيز فرصت نفوذ در منافذ راپيدا مي كند.
استفاده از مخلوط متانول و سود به عنوان احياگر
با استفاده از نتايج حاصل از دومنحني های نخست، از مخلوط ۱۵ گرم متانول باcc 100 از محلول ۰۵/ مو لار سود به عنوان احياگر استفاده گرديد . در اين حالت نيز راندماناحيا را در زمانهاي مختلف احيا مورد بررسي قرار گرفت كه نتايج آنها در منحني زیر آورده شده است.
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.gif
همانگونه كه ديده مي شود حداكثر درصد احيا قابل حصول در حالت استفاده از احياگر خالص و تركيبي يكسان است و از اين جهت استفاده از احياگر تركيبي توصيه نمي شود. همانند تركيب احياگر استن و سود فرآيند احيا از دو مرحله تشكيل شده است . مرحله اول (زمانهاي احيا كمتر از ۳ ساعت )، در اين مرحله مكانيسم احيا با مكانيسم احيا همراه با واكنش ( احياگر سود ) مطابقت دارد. در مرحله دوم )زمانهاي احيا بالاتر از ۵ ساعت ( مكانيسم احيا با مكانيسم احيا حلال شويي مطابقت دارد . توجيه اين مسئله با علت مذكور شده در قسمت قبل مطابقت دارد.
در كل با توجه به آزمايشات انجام شده نتايج ذيل قابل استنتاج است:
الف( زمان احيا به عنوان يك پارامتر عملياتي و اقتصادي بسيار مهم در احيا كربن فعال در نظر گرفته شود.
ب) با استفاده از احياگرهاي شيميايي با خاصيت حلال شويي و واكنش دهي درصد احيا قابل توجهي براي كربن فعال آلوده به فنل امكان پذير است.
ج) درصد احيا و مدت زمان احيا بستگي به نوع احياگر شيميايي دارد كه نوع اين احياگر را مي توان با در نظر گرفتن زمان احيا، درصد احيا مورد نظر و قيمت احياگر تعيين نمود.
د( با درنظر گرفتن مسايل اقتصادي استفاده از تركيب دو احياگر شيميايي جهت احيا كربن فعال توصيهنمي شود.
ه) در تركيب دو احياگر شيميايي با دوخاصيت واكنش دهي و حلال شويي در زمانهاي كوتاه احيا (مراحل اوليه احيا ) مكانيزم احيا منطبق با مكانيزم احياگر شيميايي با خاصيت واكنش دهي است و در ادامه مكانيزماحيا منطبق با مكانيزم احياگر شيميايي با خاصيت حلال شويي است.
بازیابی کربن فعال اشباع از اتیل استات با دی اکسید کربن فوق بحرانی
پسابهای صنعتی و شهری حاوی آلودگی فراوانی از جمله مواد آلی و معدنی می باشند. ورود این پسابها به دریاها، رودخانه ها و منابع آب زیرزمینی باعث تخریب محیط زیست می شود و جداسازی آلاینده های موجود در پسابها یکی از عملیات مهم و ضروری است. روشهای مختلفی برای جداسازی آلاینده ها از پسابها وجود دارد که یکی از روشهای موثر و ارزان جذب سطحی می باشد. سازمان محافظت محیط زیست آمریکا (USEPA) روش جذب سطحی با استفاده از کربن فعال را به عنوان بهترین تکنولوژی در دسترس برای جداسازی مواد آلی و معدنی از محلول ها معرفی کرده است. کربن فعال در تخلیص مخلوط گازها، در رنگ زدایی، ساخت فیلترها، جداسازی مخلوط ها، به عنوان کاتالیزور و جاذب سطحی در فازهای گاز و مایع نیز به کار می رود. وقتی که آلودگی ها، جذب کربن فعال می شوند، ظرفیت جذب کربن به تدریج کاهش یافته و در نهایت به حدی می رسد که به آن کربن مصرف شده می گویند. کربن فعال به دو صورت تازه تولید شده و بازیابی شده در صنعت استفاده می شود. با توجه به گران بودن تولید کربن فعال و با توجه به این که از بین بردن کربن فعال اشباع شده باعث آلودگی محیط زیست می شود، بازیابی آن از اهمیت خاصی برخوردار است.
تحقیقات فراوانی توسط محققین برای بازیابی کربن فعال انجام شده و روشهای مختلفی پیشنهاد شده که از جمله می توان به روشهای حرارتی، شیمیایی، الکتروشیمیایی، کاتالیزوری، بیولوژیکی، ما فوق صوت و استفاده از سیال بحرانی اشاره کرد. روش حرارتی اولین روش استفاده شده برای بازیابی کربن فعال است. هر چند بازیابی به روش حرارتی یک روش مفید در زمان خود بود، اما دارای معایبی بود که باعث افزایش انگیزه جهت تحقیق برای یافتن روشهای بهتر شد. روش حرارتی برای ظرفیت کمتر از 500000 تن در سال اقتصادی نیست و به دلیل انجام فرآیند در دماهای بالاتر از 800 درجه سانتیگراد، مصرف انرژی بالا است. به علاوه در این روش در هر سیکل بازیابی 5 یا 10 درصد کربن از بین می رود. تحقیقات فراوانی برای جایگزینی این روش توسط محققین انجام گرفته است. در روش بازیابی شیمیایی حلال های شیمیایی برای بازیابی کربن فعال به کار می روند. روش شیمیایی برای ظرفیتهای بالا اقتصادی نیست زیرا حلالهای شیمیایی غالبا گران قیمت هستند و افزایش تناژ کربن نیازمند افزایش مصرف حلالهای شیمیایی می باشد. در این روش عمیلات بازیابی تابع دما است و کنترل دما اهمیت زیادی دارد. بازده روش الکتروشیمیایی بالا است اما این روش برای تناژ بالای کربن غیر اقتصادی است. در روش بازیابی کاتالیزوری بازده عملیات در حد متوسط است. این روش برای واحدهای کوچک اقتصادی بوده و مصرف انرژی کمتری دارد اما زمان فرآیند طولانی است و در هر سیکل بازیابی 2.35 تا 2.86 درصد از کربن فعال از بین می رود. در روش بیولوژیکی ایجاد شرایط مناسب برای فعالیت میکروارگانیسم ها و نیز غلظت میکروارگانیسم ها بسیار مهم می باشد. در این روش نیز به علت فعالیت کند میکروارگانیسم ها، زمان عملیات بازیابی طولانی است اما شرایط عملیاتی بسیار مطلوب می باشد. روش مافوق صوت برای ظرفیت بالا اقتصادی نیست چون با افزایش تناژ کربن، بازده عملیات به شدت افت می کند. در این روش هزینه تجهیزات نسبتا بالا بوده و برای فراهم کردن فرکانس بالا، به مصرف انرژی بالا نیاز خواهد بود.
سیالات فوق بحرانی از نظر خواص انتقالی مانند گازها(نفوذپذیری بالا و ویسکوزیته کم) و از نظر قدرت حلالیت شبیه حلالهای مایع هستند. با این خواص، سیالات فوق بحرانی در خالص سازی، استخراج، تفکیک و جزﺀ به جزﺀ کردن و کریستالیزاسیون برای گستره وسیعی از مواد استفاده می شوند. کشش سطحی سیالات فوق بحرانی صفر بوده و در نتیجه به راحتی به خلل و فرج کربن فعال نفوذ می کند. بنابراین روش استفاده از سیالات فوق بحرانی روش مناسبی برای بازیابی کربن فعال می باشد.
- روند بازیابی کربن فعال اشباع از اتیل استات با دی اکسید کربن فوق بحرانی
در این بخش اثر پارامترهای دما، فشار و زمان را بر بازیابی کربن فعال اشباع از اتیل استات به وسیله سیال فوق بحرانی بررسی می کنیم. یک آزمایش متداول استخراج کربن فعال اشباع از اتیل استات در دماها و فشارهای مختلف میباشد که برای انجام اندازه گیری ها از دستگاه استخراج با سیال بحرانی استفاده می کنیم.مثلا در مدت زمان 60 دقیقه نتایج را در دماهای 35 و 45 درجه سیلسیوس و در فشارهای 100، 150، 200 و 250 (BAR) بررسی می کنیم. از نتایج این آزمایشات اینگونه برآورد می شود که درصد استخراج با افزایش فشار و دما زیاد می شود. در ادامه این بخش به بررسی روند انجام این آزمایش و به بحث و آنالیز نتایج بدست آمده از انجام آزمایش می پردازیم.
روش آزمایش:
ابتدا وزن معینی کربن فعال را آب مقطر به مدت 30 دقیقه می جوشانیم، سپس آن را از فیلتر گذرانده و به مدت 6 ساعت در آون نگه می د اریم. یک لیتر از محلول آنالیت (اتیل استات با غلطت 3 گرم بر لیتر) را به ازای هر 13 گرم کربن فعال تهیه می کنیم و کربن فعال را در آن قرار داده و محلول را توسط همزن یکنواخت می کنیم. کربن پس از مدت زمانی در حدود 6 ساعت با محلول به حالت تعادل می رسند. پس از انجام فرآیند جذب توسط کربن فعال، آن را با استفاده از کاغذ صافی و قیف بوخنر از محلول جدا کرده و به مدت 8 ساعت در درون آون قرار می دهیم تا به طور کلی آب زدایی شود. پس از خشک شدن کامل کربن، نمونه را از آون خارج کرده و وزن می کنیم. کربن فعال اشباع شده آماده انجام فرآیند استخراج فوق بحرانی است. حال با ایجاد شرایط مناسب برای دستگاه استخراج فوق بحرانی، کربن فعال را درون اکسترکیور(extractor) قرار می دهیم و فرآیند استخراج انجام می گیرد. پس از انجام فرآیند استخراج، کربن فعال را از اکسترکتور خارج کرده و وزن می نماییم. بازده فرآیند استخراج با استفاده از وزن کربن فعال قبل و بعد از استخراج بدست می آید.
نتایج حاصل از آزمایش به صورت درصد استخراج کربن فعال اشباع از اتیل استات در مدت زمان 60 دقیقه و برای دو دمای 35 و 45 درجه سیلسیوس در جدول 1 گردآوری شده اند. آزمایشها در فشارهای 200،150،100 و 250 بار(Bar) انجام شده اند. برای بررسی تاثیر هم زمان سه پارامتر دما، فشار و زمان، در فشارهای 200،150،100 و 250، دماهای 35، 40، 45 و 50 و در زمانهای استخراج 30، 45، 60 و 90 نیز این آزمایش انجام گردیده است. جدول 2 نیز حاوی نتایج این آزمایش توسط روشهای آماری می باشد.
همانطور که از نتایج جدول 1 مشاهده می شود در هردو دمای 35 و 45 درجه سیلسیوس، با افزایش فشار، درصد استخراج اتیل استات افزایش می یابد. نتایج بدست آمده در فشار ثابت نشان می دهد که با افزایش دما نیز درصد استخراج زیاد می شود. با توجه به نتایج جداول 1 و2، بهترین شرایط استخراج عبارت است از: فشار در سطح 4 (250 اتمسفر)، دما در سطح 2 (40 درجه سیلسیوس) و زمان در سطح 3(60 دقیقه).
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.gif
مدل تعادلی لانگمیر برای دفع اتیل استات از کربن فعال
در بخش قبل فرآیند جذب سطحی با غلظت های مختلف اتیل استات بررسی گردید و سپس دفع یا بازیابی کبرن فعال در فشار 200 بار و دمای 45 درجه سیلسیوس مورد آزمایش قرار گرفت. در جدول 3 و شکل1 نتایج تجربی بازیابی کربن فعال اشباع از اتیل استات با غلطتهای مختلف نشان داده شده است. با رسم خط رگراسیون بهترین مقدار برای file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.gif و K به ترتیب 0.62 و 21 به دست آمده است. به این ترتیب ایزوترم لانگمیر برای جذب یا دفع تعادلی اتیل استات به وسیله دی اکسید کربن فوق بحرانی در فشار 200 اتمسفر و دمای 45 درجه سیلسیوس به صورت زیر می باشد:
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image034.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.gif
file:///C:/DOCUME%7E1/hasan/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image038.gif
روش بازیابی کربن فعال با استفاده از دی اکسید کربن فوق بحرانی مزیتی نسبت به روش مرسوم حرارتی می باشد و آن مزیت این است که اتلاف کربن در این روش صفر می باشد، در حالی که در روش حرارتی حدود 10-5 درصد از کربن در هر مرحله بازیابی از بین می رود. ضمنا علاوه بر دما، فرآیند بازیابی با سیال فوق بحرانی نسبت به تغییرات فشار نیز حساس بوده و با تغییرات فشار می توان درصد بازیابی را افزایش داد.
پارامتر اصلی برای انتخاب روش بازیابی ارزیابی های اقتصادی می باشد. با توجه به صفر بودن کشش سطحی سیالات فوق بحرانی، این سیالات به راحتی به تخلخل مواد متخلخل نفوذ کرده و جزﺀ یا اجزاﺀ مورد نظر را در خود حل می کنند بنابراین در روش بازیابی با استفاده از سیال فوق بحرانی افزلیش بازده و کیفیت بالاتر محصول مورد انتظار ماست. البته استفاده از این روش نیازمند تجهیزات مقاوم در برابر فشار بوده که این موضوع هزینه های اولیه سرمایه گزاری را بالا می برد.