معرفی غشاهای بهینه شده برای جداسازی گاز - وبلاگ تمبوک

به گزارش وبلاگ تمبوک به نقل از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، پژوهشگران دانشگاه امیرکبیر با مطالعه 4 نوع غشا مورد استفاده در فرآیندهای جداسازی گاز، پیروز به معرفی مناسب ترین غشاها شدند که با راهکارهای ارائه شده می توان غشاهای مورد احتیاج صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی را با کمترین هزینه فراوری کرد.

کریم گلزار مجری طرح با بیان اینکه در فرآیندهای متفاوت در مهندسی شیمی، مخلوط های گازی متفاوتی وجود دارد که مهندسان مجبور به جداسازی یک یا چند نوع گاز از این مخلوط گازی هستند، گفت: روش های جداسازی گازی بسیاری با عملکردهای متفاوتی وجود دارد. یکی از این روش ها که عملکرد بسیار مناسبی داشته و به خوبی فرآیند جداسازی گازی را انجام می دهد، فرآیند جداسازی با استفاده از غشا است.

وی مطرح نمود: از آنجایی که برای جداسازی گازهای متفاوت در شرایط مختلف، پارامترهای تاثیرگذار متفاوتی وجود دارد، لذا غشاهای متفاوت با عملکردهای متفاوتی نیز طراحی و ساخته شده اند.

این پژوهشگر تاکید نمود: امروزه با توجه به مطالعات اجرا شده، محققان و مهندسین دریافته اند که فرآورش غشاهای پلیمری در مقایسه با سایر مواد نظیر مواد سرامیکی، فلزی و ... بسیار ساده بوده و از سوی دیگر، برای کاربردهای متفاوت، می توان از مواد پلیمری متفاوت استفاده کرد.

گلزار گفت: علاوه بر این، مهندسان طراحی غشا، به این نتیجه رسیدند که به منظور ارتقا سطح کیفیت مکانیکی و توانایی جداسازی غشاهای پلیمری از مواد غربال گر مولکولی که عموما از قدرت مکانیکی بالایی برخوردارند، در طراحی های خود استفاده نمایند اما نکته حائز اهمیت این است که طراحی، ساخت و آزمایش غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری نیز به لحاظ اقتصادی و صرف وقت، مقرون به صرفه نیستند بنابراین استفاده از فرآیندهای شبیه سازی و مدل سازی برای پیش بینی خواص فیزیکی و انتقالی این غشاها بسیار لازم است.

وی با اشاره به استفاده فراوان از غشاها در فرآیندهای جداسازی بر ضرورت فراوری غشاهایی با کیفیت بهتر و عملکرد بالاتر تاکید نمود و گفت: این در حالی است که در بعضی موارد، غشاهای مورد استفاده برای فرآیند خاصی در صنعت، انتخاب مناسبی نیستند از این رو کوشش کردیم با اجرای پروژه تحقیقاتی با هدف آنالیز غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری، غشای نانوکامپوزیت پلیمری بهینه را به صنعت پیشنهاد دهیم.

این محقق عنوان این پروژه را شبیه سازی و مدل سازی فرآیند جداسازی مخلوط گازی با استفاده از غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری مطرح نمود و اضافه نمود: در این مطالعه ابتدا مطالعات جامعی در مورد انواع غشاهای خالص و نانوکامپوزیت پلیمری انجام شد و عملکرد غشاهای مختلف مورد ارزیابی نهاده شد و غشاهایی که بهترین کیفیت و بالاترین کارایی را داشتند، انتخاب شدند.

گلزار یکی از دلایل انتخاب غشاهای بهینه را معیارهای زیست محیطی دانست و اضافه نمود: پس از آن که با استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی دینامیک مولکولی (Materials Studio) فرآیند شبیه سازی به دقت و به صورت مرحله به مرحله انجام شد در نهایت خواص فیزیکی چون دانسیته، دمای انتقال شیشه ای، کسر حجم آزاد و طرح تفرق اشعه ایکس و همچنین خواص انتقالی مانند نفوذ پذیری، حلالیت، عبورپذیری و انتخاب پذیری این غشاها محاسبه شدند و با مقادیر تجربی موجود، مورد مقایسه نهاده شدند.

وی ادامه داد: نتایج این تحقیقات نشان داد که ما در کسب فناوری شبیه سازی و بومی سازی آن پیروز بودیم، ضمن آنکه فرآیند محاسبه خواص کاربردی مورد احتیاج به درستی اجرا شده است.

این محقق اضافه نمود: با به کارگیری نرم افزار شبیه سازی به منظور اصلاح نقاط ضعف غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری موجود، غشاهایی طراحی کردیم که دارای خواص فیزیکی و انتقالی فوق العاده هستند. بنابراین این مطالعه با یافتن راه های جدید اصلاح خواص غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری، در راستای بهبود ویژگی های آنها و همچنین اقتصادی سازی فراوری این غشاها، گام برداشته و مرزهای دانش این شاخه از مهندسی شیمی را ارتقاء بخشیده است.

گلزار ارائه مدل های ریاضی برای مشخص و پیش بینی، خواص کاربردی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری با استفاده از تکنیک مدل سازی شبکه عصبی را از دیگر مراحل اجرای این طرح مطرح نمود و گفت: این مدل های ریاضی بر اساس خواص ذاتی مواد پلیمری، نانوذرات موجود در غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری و همچنین شرایط دمایی و فشاری طراحی شده اند بنابراین این مدل ها در مدت زمان بسیار کم و با دقت بالا قادر خواهند بود که خواص مورد احتیاج در صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی و شرکت های صنعتی وابسته به محیط زیست را تامین نمایند.

وی تاکید نمود: در این پژوهش خواص فیزیکی و انتقالی غشاهای خالص و نانوکامپوزیت پلیمری، خواص غشاها در حضور پرنماینده های متفاوت، خواص غشاها در حضور ماتریس های پلیمری متفاوت، خواص غشاها با ساختار هموژن، خواص غشاها با ساختار غیرهموژن، تاثیر درصد حضور مواد پرنماینده بر خواص غشاها و تاثیر پارامترهایی نظیر دمای انتقال شیشه ای، کسر حجم آزاد و طرح تفرق ایکس بر روی خواص انتقالی مانند نفوذپذیری و عبورپذیری مورد ارزیابی نهاده شد و مکانیزم جذب و نفوذ مولکول های گاز در غشاها از دید مولکولی مورد ارزیابی نهاده شد.

این محقق اضافه نمود: نتایج این مطالعه در صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی و کاربردهای غشا در فرآیندهای زیستی و همچنین به لحاظ شناسایی مواد، در دانش افزایی مهندسی پلیمر، نانوتکنولوژی و بسط و گسترش دانش ریاضی و نرم افزاری قابل استفاده است.

گلزار انتشار 4 مقاله ISI در ژورنال هایی مهندسی شیمی چون Journal of Membrane Science را از دیگر دستاوردهای این تحقیقات مطرح نمود و گفت: در این مطالعه بنا به محدودیت های اقتصادی و آزمایشگاهی، قادر به انجام فرآیندهای ساخت و اندازه گیری تجربی خواص غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری نبودیم اما با رایزنی های اجرا شده و کسب موافقت از شرکت های فعال در زمینه غشاهای پلیمری و دریافت منابع اقتصادی، در نظر داریم که در ادامه راه، در کنار فرآیندهای شبیه سازی و مدل سازی، فرآیند ساخت تجربی این غشاها و مهندسی آنها برای دریافت خواص مورد احتیاج برای کاربردهای صنعتی و زیستی خاص نیز انجام دهیم.

وی مطالعه انواع مختلف نانوذرات، آنالیز کارایی غشاها در شرایط دمایی و فشاری مختلف، ارائه راهکارهای اصلاحی برای بهبود خواص و کارایی غشاها و ارائه مدل های ریاضی بر مبنای شبکه عصبی برای پیش بینی خواص فیزیکی و خواص انتقالی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری را از مزایای رقابتی این طرح مطرح نمود.

این طرح از سوی کریم گلزار دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر و با هدایت حمید مدرس و سپیده امجد ایرانق از اعضای هیئت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر اجرایی شده است.