وبلاگ

گاهی در صنعت لازم است که یک جزء و یا اجزاء مختلف را از یک مخلوط به وسیله روش های مناسب جدا کرد. نوع روش انتخاب شده برای جداسازی به عوامل مختلفی مانند ماهیت ماده و مخلوط، اندازه، غلظت، فاز ماده و … بستگی دارد. به طور كلی جداسازی بر اساس نیروی محركه شیمیایی به پنج دسته كلی تقسیم می­ شود كه هر مخلوط را می توان با بهره گرفتن از یكی از این روش ها و یا تركیبی از آنها جداسازی كرد.
روش های عمومی جداسازی عبارتند از :
1- جداسازی از طریق ایجاد یک فاز جدید ( تقطیر)
2- جداسازی از طریق افزودن یک فاز جدید (استفاده از حلال)
3- جداسازی از طریق ایجاد مانع ( استفاده از غشاء)
4- جداسازی با بهره گرفتن از ذرات جامد ( جذب سطحی)
5- جداسازی به وسیله میدان مغناطیسی یا الكتریكی

 

1-1-1-               جذب سطحی

 

جذب سطحی نوعی فرایند جداسازی است كه در آن برخی از اجزای یک فاز سیال به سطح جاذب منتقل می شود. به طور كلی در مواد جامد، ساختار سطح با ساختمان توده جامد متفاوت است، به طوریكه سطح از لحاظ انرژی كاملاً اشباع نبوده و زمانیكه جامد در معرض یک گاز قرار می گیرد، مولكولهای گاز به مراكز موجود در سطوح متصل شده و جذب می گردند، این پدیده جذب گاز توسط جامد[1] نامیده می شود.
یک دستگاه ساده جذب سطحی متشكل از یک سیلندر است كه جاذب در آن قرار گرفته، و جریان گاز و مایع بر روی آنها برقرار است. در حالت معمول، ذرات كوچك جامد در یک بستر، ثابت نگه داشته می شوند و گاز به طور پیوسته از آن بستر عبور می كند. در نهایت جامد تقریباً اشباع شده و جداسازی دیگر قابل انجام نیست. در این هنگام، جریان به بستر دوم انتقال می یابد تا اینكه جاذب اشباع شده، تعویض یا احیا شود.
جذب سطحی به عنوان مهمترین فرایند در جداسازی برای غلظت های پایین مطرح می­ شود. در جذب سطحی بر خلاف فرایند جذب كه در آن جداسازی در توده ی سیال اتفاق می­افتد جداسازی در سطح جامد صورت می پذیرد،.
نكته مهمی كه در جذب سطحی باید مورد توجه قرار گیرد این است كه این شیوه جداسازی زمانی به عنوان یک روش کارامد مورد استفاده قرار می گیرد، كه جداسازی در غلظت های پایین مدنظر باشد. از آنجا كه ذراتی كه در جذب سطحی مورد استفاده قرار می گیرند پس از مدتی اشباع شده و توانایی جذب اولیه را از دست می دهند، بنابراین این روش در غلظت های بالا كاربرد چندانی ندارد زیرا جاذب ها به سرعت اشباع شده و قابلیت خود را از دست می دهند. اکثر جاذب ها موادی بسیار متخلخل هستند و جذب سطحی عمدتاً روی دیواره حفره ها یا مکان های مشخص در داخل ذره صورت می گیرد. از آنجایی که حفره ها عموما بسیار کوچکند، مساحت سطح داخلی چندین مرتبه بزرگتر از مساحت سطح خارجی بوده و تقریبا بین 500 تا 1000 متر مربع بر گرم می رسد. اختلاف در جرم مولکولی، شکل و یا قطبیت، باعث می شود برخی مولکول ها محکمتر روی سطح حفظ شوند. همچنین ممکن است حفره ها کوچکتر از آن باشند که مولکول های درشت تر را بپذیرند، در نتیجه مواد از هم جدا می شوند. در بسیاری از موارد، جزء جذب شونده به اندازه کافی محکم نگه داشته شده و جدا سازی کامل آن جز از سیال همراه با جذب بسیار کم سایر اجزا ممکن می­ باشد. در این صورت می توان با احیا جاذب، ماده جذب شده را به صورت غلیظ یا تقریبا خالص فراوری کرد.
كاربردهای جذب سطحی در فاز بخار شامل بازیافت حلال های آلی به كار رفته در رنگها، مركب چاپ و محلولهای مورد مصرف برای چدن ریزی است.
از جذب سطحی روی كربن برای جدا كردن مواد آلوده كننده ای مانند CO2،N2O و دیگر تركیبات بدبو از هوا استفاده می­ شود به طوریکه در اكثر اتومبیل های جدید از قوطی های زغالی استفاده می شود تا مانع ورود بنزین به هوای داخل ماشین شود. خشك كردن گازها اغلب با جذب سطحی آب روی سیلیكاژل، آلومینا یا دیگر جامدات متخلخل معدنی صورت می­گیرد. زئولیت ها یا غربالهای مولكولی، آلومینا و سیلیكاتهای طبیعی یا مصنوعی هستند كه در تهیه گازهای با نقطه شبنم پایین مؤثرند. از جذب سطحی روی غربالهای مولكولی برای تفكیک اكسیژن و نیتروژن، تهیه هیدروژن خالص به منظور تفكیک پارافین های معمولی از پارافین های شاخه دار و تركیبات آروماتیک نیز استفاده می شود.
جهت انتقال جرم در این فرایند، از فاز سیال به فاز جامد است و عكس آن، به فرایند دفع سطحی مشهور است. به منظور بازیابی برخی مواد ارزشمند (نظیر فلزات گرانقیمت) از سطوح جاذب، فرایند دفع با راندمان مناسب كاربرد فراوان دارد.
سرعت جریان گاز و زمان مورد نیاز برای چرخه مطلوب، اندازه بستر جاذب را تعیین می کند. با بهره گرفتن از بسترهای طویل تر، چرخه جذب را می توان به چند روز افزایش داد ولی افزایش افت فشار و سرمایه گذاری اولیه بالاتر ستون جذب، آن را غیر اقتصادی خواهند کرد.
فرایندهای جداسازی از طریق جذب سطحی تقریباً مشابه هستند، به این ترتیب كه مخلوطی كه باید جدا شود در تماس با یک فاز غیرقابل حل (جاذب) قرار گرفته و توزیع ناهماهنگی از اجزاء اصلی بین فاز جذب شده روی سطح جامد و تودة سیال اتفاق افتاده و جداسازی انجام می شود. دو نوع جداسازی در جذب سطحی مطرح است:
-1 جذب سطحی فیزیكی یا واندروالس
-2 جذب سطحی شیمیایی

 

1-1-1-1-    جذب سطحی فیزیكی یا واندروالس

 

این نوع جذب مربوط به فرایند برگشت پذیری است که نتیجة جذب از طریق نیروهای بین مولكولی بین جامد و مواد جذب سطحی شده حاصل می شود. به عنوان مثال، زمانیكه نیروهای بین مولكولی بین یک جامد و یک گاز بزرگتر از نیروهای بین مولكولی گاز به تنهایی باشد، حتی اگر فشار گاز پایین تر از فشار بخار در دمای جامد باشد، مولکول های گاز روی سطح جامد جذب می شوند. این جذب شدن معمولاً با گرما همراه بوده و کمی بزرگتر از گرمای نهان تبخیر است. مادة جذب شده در ساختمان كریستالی جامد جایگزین نشده و در آن حل نمی شود بلکه به طور كامل روی سطح جامد باقی می ماند.
در بیشتر مواقع در حالت تعادل، فشار جزئی ماده جذب شده مساوی با فشار فاز گاز در حال تماس بوده و با پایین آوردن فشار گاز یا با افزایش دما، گاز جذب شده به راحتی دفع می­ شود. جذب فیزیکی اختصاصی نمی ­باشد و مانند چگالش بطور کلی با هر سامانه گاز جامد اتفاق می افتد و به نوع جاذب یا جذب شونده بستگی ندارد به شرطی که ترکیب دما و فشار مناسب باشد. جذب سطحی برگشت پذیر (فیزیکی)، به گازها محدود نمی شود بلکه در مایعات نیز مشاهده شده است.

 

1-1-1-2-   جذب شیمیایی

 

جذب سطحی شیمیایی یا جذب سطحی فعال شده، نتیجه پیوند شیمیایی بین جامد و مادة جذب شده است. قدرت پیوندهای شیمیایی متفاوت بوده و ممکن است تركیبات شیمیایی تشكیل نشوند، اما در هر صورت نیروی چسبندگی در این نوع جذب از جذب فیزیكی بیشتر

 است. به دلیل واكنش شیمیایی، گرمای آزاد شده در طی جذب شیمیایی معمولاً بزرگتر از جذب فیزیكی است. این فرایند غالباً برگشت ناپذیر بوده و در مرحله دفع، مواد اصلی اغلب دچار تغییر شیمیایی می شوند. جذب شیمیایی بیشتر در كاتالیزورها مشاهده می شود.

مقدار گرمای جذب فیزیکی با مقدار گرما برای مایع شدن گاز جذب شده برابر است در حالی که گرمای جذب شیمیایی تقریبا با گرمای واکنش شیمیایی برابر است. از سوی دیگر فرایند جذب شیمیایی معمولا توسط مقاومت واکنش سطحی کنترل می شود و سرعت جذب با افزایش درجه حرارت افزایش می یابد.
در جداسازی و خالص سازی مواد، جزء مورد نظر توسط جاذب، جذب می گردد و در نزدیکی نقطه اشباع بستر دیگر کارایی لازم را جهت جداسازی مطلوب نخواهد داشت در این مرحله بستر بایستی توسط روش های دفع سطحی احیاء گردیده و سپس جاذب مورد استفاده قرار گیرد.

 

1-1-2-              مقایسه کلی انواع جذب سطحی

 

مقایسه خصوصیات جذب فیزیکی و شیمیایی ما را به تفاوت های زیر بین این دو نوع سازوکار رهنمون می سازد.
جذب فیزیکی پدیده ای برگشت پذیر است در صورتی که جذب شیمیایی برگشت پذیر نمی ­باشد.
در جذب فیزیکی تمام سطوح جامد در عمل جذب دخالت می کنند.
گرمای جذب فیزیکی کمتر از گرمای جذب شیمیایی است.
جذب فیزیکی می تواند در دماهای پایین صورت گیرد زیرا انرژی فعالسازی جذب فیزیکی کم می باشد.
جذب فیزیکی به نوع جاذب و نوع جذب شونده بستگی ندارد و در هر حالتی ممکن است انفاق بیافتد ولی جذب شیمیایی هم به نوع ماده و هم به نوع جاذب بستگی دارد. در جذب فیزیکی همیشه می توان جاذب را بازیابی کرده و دوباره استفاده کرد.

 

1-1-3-             معیار انتخاب فرایندهای جذب سطحی

 

مقایسه بین فرایندهای مختلف جداسازی در جهت انتخاب مناسب ترین فرایند، از اهمیت خاصی برخوردار است. سهولت جداسازی توسط تقطیر بوسیله ضریب فراریت α مشخص می شود كه برای یک مخلوط دوتایی ایده آل نسبت بین فشار بخارهای دو جزء می باشد. علی رغم فواید تقطیر، اساساً این فرایند انرژی زیادی مصرف می كند.
مواردی که فرایند جذب نسبت به تقطیر دارای ارجحیت است مشتمل بر موارد زیر می باشد:
1- جداسازی ترکیباتی که ضریب فراریت اجزای كلیدی آنها در حدود 5/1 یا كمتر باشد. مانند جداسازی ایزومرهای مختلف یک تركیب.
2- در صورتی که جریان خوراك ارزش كمی داشته باشد. در این موارد مقدار جزء غیرفرار بالا بوده و غلظت محصول موردنظر نسبتاً كم است، بنابراین جریان برگشتی از نسبت بالایی برخوردار است و در نتیجه نیاز به انرژی زیاد خواهد بود.
3- برای جداسازی دو گروه از اجزاء كه محدودة جوش آنها دارای محدودة هم پوشانی باشد. در این موقع حتی اگر ضریب فراریت نیز بزرگ باشد به چندین ستون تقطیر نیاز داریم.
4- جداسازی در دمای پایین و فشار بالا كه در عملیات تبدیل گاز به مایع مورد نیاز است.
5- موارد خاص جداسازی كه در آنها هزینه فرایند جذب به مراتب كمتر از هزینه فرایند تقطیر خواهد بود.

 

1-1-4-             پارامترهای مؤثر بر جذب

 

بر طبق تئوریهای موجود، ظرفیت جذب تعادلی به عوامل زیر بستگی دارد:
نوع جاذب
نوع جذب شونده
شرایط فرایند

 

1-1-4-1-  تأثیر نوع جاذب

 

جاذبها مواد جامد خلل و فرج داری هستند كه بدلیل خاصیت جذبی كه روی سطح خود دارند اجازه می دهند مولكولهای برخی مواد روی آنها مجتمع شده و جذب گردند. این خلل و فرج به شكل ها و اندازه های متفاوتی بوده و به شدت در میزان جذب و نوع ماده ای كه می تواند جذب كند تاثیر دارد.
نوع جاذب به دو صورت بر ظرفیت جذب مؤثر است:
1-حجم كل حفره جاذب
هرچه حجم حفره بیشتر باشد جذب شونده بیشتر جذب می شود و اگر جریان گاز (یا هوا) به طور كامل با جذب شونده اشباع باشد، ظرفیت جذب تعادلی ماكزیمم حاصل می شود.
2-توزیع اندازه حفره
مطابق تقسیم بندی IUPAC كه بر اساس سایز حفره ها می باشد حفره ها را براساس قطر به سه گروه زیر تقسیم كرده اند:
– میکروپور: حفره های ریز با قطر كمتر از 2 نانو متر
– مزوپور: حفره های متوسط با قطر بین 2 تا 50 نانو متر
– ماکروپور: حفره های بزرگ با قطر بیشتر از 50 نانو متر
جذب واقعی تقریباً فقط در حفره های ریز اتفاق می افتد. حفره های متوسط وظیفه انتقال جذب شونده را از فاز گاز به حفره های ریز بر عهده داشته و حفره های بزرگ قابلیت دسترسی جاذب را تعیین می كنند. در غلظتهای پایین جذب شونده، جذب تقریباً فقط در كوچكترین حفره های ریز اتفاق می افتد كه بالاترین انرژی جذب را دارا هستند.
جامدهای جاذب معمولا به شكل گرانول مصرف می شوند و قطر آنها از ۱۲میلی متر تا ۵۰ میكرومتر متغیر است. جاذب ها بر اساس كاربرد و موقعیت مصرف دارای ویژگی متفاوتی می باشند. مثلا اگر از آنها در یک بستر ثابت با جریان گاز یا مایع استفاده می شود، نباید اختلاف فشار زیادی ایجاد كنند و همچنین نباید توسط جریان سیال به خارج حمل شوند. آنها باید از مقاومت و سختی خوبی برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنین در اثر وزن خود در بستر خرد نشوند. در صورتی كه بخواهیم آنها را از ظروف نگهداری به داخل و خارج انتقال دهیم باید به راحتی جریان پیدا كنند. این ویزگی به راحتی قابل شناسایی هستند.
جذب یک پدیده عمومی است و تمام جامدها مقداری از گازها و بخارات را جذب می كنند ولی در اهداف صنعتی تنها بعضی جامدات ظرفیت جذب لازم را دارند. در جامداتی كه دارای خاصیت جذب بسیار ویژه ای هستند و به مقدار زیاد جذب انجام می دهند، طبیعت شیمیایی آنها با ویژگی جذب رابطه دارد ولی صرف شناسایی شیمیایی برای بیان مفید بودن آنها كافی نیست. وجود سطح زیاد در واحد جرم، برای جاذب های مفید ضروری است. در جذب گازی، سطح واقعی، سطح ذرات گرانول نیست بلكه سطح بزرگتری است كه داخل سوراخها و شكافها را شامل می شود. سوراخها خیلی كوچك بوده و معمولا در حدود چند مولكول قطر دارند ولی تعداد زیاد آنها باعث تولید سطح بزرگتری برای جذب می­ شود. ویژگی دیگری وجود دارد كه از اهمیت زیادی برخوردار می باشد ولی همه آنها شناخته شده نیستند و برای بررسی قابلیت جذب باید به مشاهده و تجربه اتكا كرد.
فشار بخار یک مایع یا گاز در حفره های موئینه با فشار بخار آن در شرایط عادی متفاوت است. اگر لوله موئینه داشته باشیم فشار بخار كمتر از فشار بخار در سطح آزاد است. به عبارت دیگر نقطه جوش آن در فشار ثابت بالاتر است. یعنی اینكه در لوله های موئینه بخار زودتر میعان می شود. هر چه سوراخهای یک جاذب ریزتر باشد فشار بخار در آن كمتر بوده و عمل میعان زودتر صورت می گیرد بنابراین در جاذبهای میكروپور و مزوپور علاوه بر اینكه روی سطح جامد عمل جذب صورت می گیرد، بدلیل وجود خلل و فرج ریزتر، كندانس شدن گاز نیز صورت می گیرد. هرچند در جاذبهای میكروپور عمل دفع نیز سخت صورت می گیرد.

 

1-1-4-2- تأثیر نوع جذب شونده

 

روشن است كه جذب شونده باید به اندازه كافی كوچك باشد تا در حفره های جاذب جای گیرد و دانسیته نیز روی ماكزیمم جرم جذب شونده مؤثر است. دو پارامتر اول روی میزان جذب شده مؤثرند، در حالیكه نقطه جوش و ساختار جذب شونده روی توان جذب مؤثر هستند. اساساً یک جذب شونده با نقطه جوش بالاتر بیشتر از یک جذب شونده با نقطه جوش پائین تر جذب می شود. شكل جذب شونده نیز تأثیر زیادی دارد. مثلاً بنزن نسبت به هگزان بهتر به درون حفره ها نفوذ می كند.

 

1-1-4-3-                        اثر شرایط فرایند

 

شرایط موثر بر ظرفیت جذب تعادلی عبارتند از:
1-غلظت جذب شونده
2- دمای جذب
در غلظتهای پایین، جذب فقط در كوچكترین حفره های ریز اتفاق می افتد در حالیكه در غلظتهای بالا، حفره های بزرگتر نیز در جذب شركت می كنند كه در نتیجه ظرفیت جذب تعادلی بالاتر می رود.
دمای جذب روی مقدار انرژی جذب شونده موثراست. به عبارت دیگر دمای جذب بالاتر، معادل ظرفیت جذب پائین تری است. پارامترها و شرایط دیگر فرایند روی ظرفیت جذب اثری نداشته و روی زمان مورد نیاز برای رسیدن به تعادل موثرند.
[1] Adsorption