استاد راهنما:
دکتر سید مصطفی نوعی
دکتر سید محمود موسوی
 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فهرست شکل ها …………………………………………………………………………. 7

فهرست جداول ……………………………………………………………………………. 11

چکیده………………………………………………………………………………………. 12

پیش گفتار ………………………………………………………………………………… 13

1. فصل اول…………………………………………………………………………………. 13

1-1 مقدمه…………………………………………………………………………………. 14

1-2 شناسایی آلاینده فنلی……………………………………………………………… 14

1-3 روش های حذف فنل…………………………………………………………………. 16

1-3-1 جذب سطحی……………………………………………………………………… 17

1-3-2 رزین‌های تبادل یونی…………………………………………………………….. 18

1-3-3 انعقاد الکتریکی……………………………………………………………………. 19

1-3-4 فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته……………………………………………….. 19

1-3-5 استفاده از سیال فوق بحرانی CO2…………………………………………….

1-3-6 استفاده از اشعه UV…………………………………………………………….

1-3-7 روش‌های بیولوژیکی……………………………………………………………… 22

1-3-8 فرآیندهای غشایی……………………………………………………………….. 24

2. فصل دوم……………………………………………………………………………… 31

2-1مقدمه  ………………………………………………………………………………..32

2-1-1 بیوراکتور غشایی………………………………………………………………… 32

2-2 بررسی پژوهش‌های صورت پذیرفته در زمینه حذف فنل توسط بیوراکتور………33

3. فصل سوم…………………………………………………………………………….. 41

3-1 دینامیک سیالات محاسباتی…………………………………………………….. 42

3-2 تشریح فرآیند……………………………………………………………………… 42

3-3 فرضیات…………………………………………………………………………….. 43

3-4 معادلات برای درون الیاف………………………………………………………… 45

3-5 معادلات برای غشاء ……………………………………………………………….46

3-6 معادلات برای پوسته……………………………………………………………….47

3-7 مکانیزم واکنش……………………………………………………………………. 48

3-8 معادله حاکم بر تانک خوراک ……………………………………………………. 49

3-9 معادله حاکم بر تانک سلولی……………………………………………………..49

4. فصل چهارم…………………………………………………………………………. 50

4-1 مقدمه…………………………………………………………………………….. 51

4-2 نحوه انجام شبیه سازی به کمک نرم افزار ………………………………….. 51

5. فصل پنجم………………………………………………………………………… 59

5- 1 مقدمه ……………………………………………………………………………60

5-2 توزیع غلظت …………………………………………………………………….. 60

5-2-1 توزیع غلظت درون الیاف……………………………………………………… 60

5-2-2 توزیع غلظت در پوسته………………………………………………………. 61

5-3 توزیع سرعت……………………………………………………………………. 62

5-3-1 توزیع سرعت درون الیاف……………………………………………………. 62

5-3-2 توزیع سرعت درون پوسته………………………………………………….. 63

5-4 تأثیر شرایط عملیاتی بر بازدهی حذف فنل…………………………………. 64

5-4-1 تأثیر غلظت اولیه…………………………………………………………….. 65

5-4-2 تأثیر دبی جریان‌ فاز سلولی……………………………………………….. 65

5-4-3 تأثیر شعاع خارجی غشاء………………………………………………….. 66

5-4-4 تأثیر شعاع داخلی غشاء…………………………………………………… 67

6. فصل ششم………………………………………………………………………. 68

6-1 نتیجه گیری………………………………………………………………………..69

6-2 پیشنهادات ………………………………………………………………………..69

7. مراجع……………………………………………………………………………… 70

چکیده:

تاکنون روش های زیادی برای حذف فنل از پساب ارائه شده که از بین آنها، فرآیند بیوراکتور غشایی در یک دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از تماس دهنده غشاء الیاف توخالی در این فرآیند، برای جلوگیری از تماس مستقیم دو فاز و افزایش نسبت سطح به حجم است. در پروژه حاضر به مدل سازی و شبیه سازی حذف فنل از پساب با بکارگیری این تماس دهنده پرداخته شده است. همچنین اثر پارامترهایی همچون دبی فازها، غلظت اولیه، طول غشاء و شعاع داخلی و خارجی غشاء بر بازدهی حذف فنل از پساب مورد بررسی قرار گرفته است.

دستگاه معادلات دیفرانسیل پاره ای ارائه شده در مدل همراه با شرایط مرزی آن بوسیله ی شبیه سازی توسط نرم افزار COMSOL، به روش المان محدود حل شده اند. نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی موجود مقایسه گردیده و انطباق نسبتا مناسبی مشاهده شده است. با افزایش غلظت اولیه، بازدهی حذف فنل کاهش‌ می یابد. افزایش دبی فاز سلولی، بازدهی حذف فنل را اندکی افزایش می دهد. همچنین افزایش طول غشاء تا حدودی سبب بهبود بازدهی حذف می شود. با افزایش تعداد الیاف غشاء درون تماس دهنده بازدهی ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد.

پیشگفتار:

با افزایش جمعیت و گسترش روزافزون کارخانجات صنعتی، میزان مصرف آب در سطح جهان افزایش یافته است. با توجه به کمبود آب آشامیدنی در دسترس، یکی از راه های تامین آب، استفاده مجدد از آب های سطحی و پساب ها است. اما به علت وجود مواد آلاینده و سمی در پساب ها، نمی توان از آن ها بطور مستقیم استفاده کرد. فنل یکی از آلاینده های بسیار خطرناک است که در پساب خروجی صنایع مختلفی از جمله پالایشگاه های نفت و  کارخانجات پتروشیمی، رزین و پلاستیک، پارچه و کاغذ وجود دارد. روش های زیادی برای حذف فنل ارائه شده است اما بسته به غلظت و میزان آن، از هر کدام از روش ها در جای خود استفاده می شود.

بیوراکتورغشایی، روشی جدید برای حذف فنل از پساب ها به شمار می آید. در این فرآیند از تماس دهنده غشایی الیاف توخالی برای جلوگیری از ممانعت کنندگی فنل، تماس مستقیم دو فاز، تولید کف و طغیان  و تشکیل امولسیون استفاده می شود. همچنین تماس دهنده های غشایی الیاف توخالی به علت فشردگی و نسبت سطح به حجم بالایی که دارند، می توانند ضمن ارائه کارایی مناسب، صرفه جویی قابل توجهی در وزن دستگاه ها و همچنین فضای موردنیاز ایجاد کنند. این روش در مواردی که نسبت حلال به خوراک خیلی بالا یا خیلی پایین باشد مفید است. در حقیقت در بیوراکتورغشایی، مزایای بیوراکتور و فناوری غشایی با یکدیگر ترکیب شده اند.

با در نظر گرفتن ویژگی های فرآیند بیوراکتورغشایی در مقایسه با سایر روش ها جداسازی، در پروژه حاضر به مدل سازی و شبیه سازی حذف فنل از پساب توسط بیوراکتورغشایی پرداخته می شود، تا شناخت بهتری از عملکرد آن حاصل گردد.

در فصل اول از پروژه حاضر، ابتدا کلیاتی راجع به فنل و مضرات آن، روش های حذف و جداسازی آن، مزایا و معایب هر یک از آن ها و سینتیک واکنش های بیولوژیکی اشاره می شود.

در فصل دوم ابتدا فرآیند بیوراکتورغشایی به اختصار معرفی می شود و در ادامه به بررسی پژوهش های انجام شده در زمینه حذف فنل از پساب توسط بیوراکتور و نتایج آن ها پرداخته می شود.

در فصل سوم، مدل سازی فرآیند و معادلات حاکم بر هر سه قسمت درون الیاف، غشاء و پوسته و همچنین تانک ها، به همراه شرایط مرزی مناسب آن ها ارائه می شود.

در فصل چهارم، ابتدا نرم افزار COMSOL معرفی شده و سپس مراحل انجام شبیه سازی و پیاده سازی معادلات حاکم بر فرآیند به همراه شرایط مرزی آن ها در نرم افزار، گام به گام توضیح داده می شود.

در فصل پنجم، نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی حاصل از آزمایشات مقایسه می گردد. همچنین در انتهای فصل، اثر تغییر پارامترهای مختلف بر بازدهی حذف فنل بررسی می گردد.

در فصل ششم نیز جمع بندی از نتایج انجام شده و پیشنهادهایی برای مطالعات آینده ارائه می گردد.

فصل اول: حذف فنل از پساب

1-1- مقدمه

کمبود میزان آب آشامیدنی در دسترس و افزایش روزافزون گازهای گلخانه‌ای در جو زمین، سبب شده تا دانشمندان و پژوهشگران به دنبال راه‌حلی اساسی برای رفع این مشکل باشند؛ زیرا این گازها موجب افزایش دمای سطح زمین و به‌تبع آن، آب شدن یخچال‌های طبیعی و تبخیر آب‌های سطحی خواهند شد.

با توجه به کمبود آب آشامیدنی، محققان در تلاش هستند که برای آبیاری زمین‌های کشاورزی یا در کارخانه‌های صنعتی از پساب های موجود استفاده کنند. اما نمی‌توان از فاضلاب‌ها به‌طور مستقیم

 

استفاده کرد زیرا برخی از آن‌ها حاوی مواد سمی، خطرناک و مضر برای سلامتی انسان ها و محیط زیست هستند. همچنین بعضی از پساب‌ها را نمی‌توان مستقیماً دفن و یا وارد محیط‌زیست کرد، خصوصاً پساب‌ مربوط به بیمارستان‌ها، کارخانه‌های مواد شیمیایی و تسلیحات نظامی و شیمیایی زیرا میزان آلاینده‌های موجود در این پساب بسیار بالاست. با این تفاسیر قبل از استفاده، بایستی تصفیه بر روی آن ها انجام شود و مواد آلاینده، میکروب‌ها و مواد مضر آن ها از بین برود. اما بسته به نوع و کیفیت پساب، روش‌های مختلفی ارائه‌شده است که در این فصل به برخی از آن ها اشاره خواهد شد.

2-1- شناسایی آلاینده فنلی

فنل و ترکیبات فنلی جزء مواد آلی بسیار پایدار بوده و از آلاینده‌های متداول منابع آبی می‌باشند. این ترکیبات بطور طبیعی از قطران زغال‌سنگ و تقطیر بنزین و به‌صورت مصنوعی در اثر حرارت دادن سولفات بنزن سدیمی با سود آبدار در فشار بالا تولید می‌شوند[]. به‌طورمعمول، سالانه حدود 6 میلیون تن فنل در سراسر جهان تولید می‌شود[2]. فنل و مشتقاتش در فاضلاب‌های صنایع مختلفی از قبیل پالایشگاه‌های نفت، کوره‌های زغال‌سنگ، کک سازی‌ها، کارخانه‌های پتروشیمی[2]، رزین و پلاستیک، کارخانه‌های پارچه و چرم، کاغذ و خمیرکاغذ، فرآیندهای ریخته‌گری و کارخانه‌های بازیافت کائوچو حضور داشته و عمدتاً از طریق تخلیه فاضلاب‌های این صنایع وارد محیط می‌شوند[3].

میزان فنل در پساب‌ صنایع مختلف، در جدول ‏1‑1 گزارش‌شده است.

فنل حتی با غلظت‌های کم نیز به زندگی ماهی‌ها آسیب می رساند[5]، بطوریکه محدوده سمیت این آلاینده برای انسان بین mg/l 24-10، برای ماهی‌ها بین mg/l 25-9 و غلظت کشنده در خون برابر با mg/l 150 است[6]. سازمان بهداشت جهانی[1]، حداکثر غلظت مجاز فنل در آب آشامیدنی را mg/l 1 تعیین کرده است[7].

مسمومیت انسان توسط فنل سبب بروز سردرد و سرگیجه، حالت تهوع، اشکال در بلعیدن غذا، آسیب کبدی، غش و … خواهد شد[8].

در جدول ‏1‑2، خواص فیزیکی و شیمیایی این آلاینده ذکرشده است.

3-1- روش های حذف فنل

روش‌های مرسوم تصفیه پساب‌های حاوی ترکیبات فنلی، به 3 دسته تقسیم می‌شوند[10]:

1- فیزیکی

2- شیمیایی

3- بیولوژیکی

از این میان، تصفیه فیزیکی به‌عنوان مؤثرترین و رایج‌ترین روش برای حذف ترکیبات فنلی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

1-3-1- جذب سطحی

از میان روش‌های حذف، جذب سطحی یکی از ساده‌ترین و درعین‌حال پرکاربردترین روش‌های موجود است. بررسی‌ها نشان داده که تصفیه پساب حاوی ترکیبات فنلی توسط کربن فعال، یکی از روش‌هایی است که دارای پتانسیل بالایی در تصفیه دارد[8, 11, 12].

کربن فعال پودری[1] در مقایسه با کربن فعال دانه‌ای[2] نرخ جذب بسیار سریع‌تر و ظرفیت جذب بیشتری (با توجه به افزایش سطح، حجم منافذ و تخلخل) دارد[13]. با توجه به مزایای ذکرشده، عمدتا از کربن پودری در تصفیه آب آشامیدنی، پساب و بخصوص تصفیه آلودگی‌های ناگهانی استفاده می‌شود[14].

مهمترین عامل در روش جذب سطحی، انتخاب جاذب است. بنابراین جستجو برای جاذب کم‌هزینه و در دسترس باعث شده تا بسیاری از محققان به دنبال مواد طبیعی و مصنوعی به‌عنوان جاذب برای روش‌های اقتصادی و مؤثر باشند. اخیراً استفاده از جاذب‌های آلی به زمینه‌ای جذاب برای پژوهش‌ها تبدیل‌شده است[15]. اگرچه جاذب مورد استفاده ممکن است با توجه به شرایط عملیاتی و نوع آلاینده متفاوت باشد، اما خواص مؤثر بر بازدهی جاذب عبارت‌اند از:

1- سطح مؤثر بزرگ

2- همگن بودن اندازه منافذ

3- توانایی جذب انتخابی

4- احیاء آسان و قابلیت چندین بار استفاده

جاذب‌های مصنوعی که شرایط ذکرشده را داشته باشند بسیار گران‌قیمت بوده و بنابراین استفاده از جاذب‌های طبیعی به زمینه‌ای فعال برای پژوهش‌ها تبدیل شده است[16]. از جمله جاذب‌هایی که برای حذف فنل استفاده‌شده‌اند عبارت‌اند از: نانو ذرات اکسید آهن، سیلیکا ژل[1]، کربن فعال، رزین‌های پلیمری  و زئولیتی، نانو ذرات تیتانیوم اکسید، آلومینای فعال، خاک‌اره[2]، کربن پوسته تمبر هندی[3]، پوسته آناناس[4] و تفاله چای[6].

از جمله مزایای فرآیندهای جذب سطحی،سادگی عملیات و میزان جذب بالا است. معایب اصلی این روش، هزینه احیاء بالا و مقاومت مکانیکی ضعیف جاذب ها هستند [17, 18].

[1] Silica gel

[2] Sawdust

[3] Tamarind shell

[4] Pineapple peels

[1] Powdered activated carbon

[2] Granular activated carbon

[1] World Health Organisation (WHO)