غشاهای بهینه‌شده برای جداسازی گاز

1397/02/29

پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر با مطالعه 4 نوع غشا مورد استفاده در فرآیندهای جداسازی گاز، موفق به معرفی مناسب‌ترین غشاها شدند که به گفته آنها با راهکارهای ارائه شده می‌توان غشاهای مورد نیاز صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی را با کمترین هزینه تولید نمود.
به گزارش روابط عمومی دانشگاه صنعتی امیرکبیر ،کریم گلزار مجری طرح، با بیان اینکه در فرآیندهای متفاوت در مهندسی شیمی، مخلوط‌های گازی متفاوتی وجود دارد که بنا به دلایل متفاوت، مهندسین مجبور به جداسازی یک یا چند نوع گاز از این مخلوط گازی می‌باشند. روش‌های جداسازی گازیِ بسیاری با عملکردهای متفاوتی وجود دارد. یکی از این روش‌ها که عملکرد بسیار مناسبی داشته و به‌خوبی فرآیند جداسازی گازی را انجام می‌دهد، فرآیند جداسازی با استفاده از غشا است. 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 شده‌اند.
وی افزود: امروزه با توجه به مطالعات انجام‌شده، محققین و مهندسین دریافته‌اند که فرآورشِ غشاهای پلیمری در مقایسه با سایر مواد نظیر مواد سرامیکی، فلزی و ... بسیار ساده‌ بوده و از سوی دیگر، برای کاربردهای متفاوت، می‌توان از مواد پلیمری متفاوت استفاده کرد. علاوه بر این، مهندسین طراحی غشا، به این نتیجه رسیدند که به منظور ارتقا سطح کیفیت مکانیکی و توانایی جداسازی غشاهای پلیمری از مواد غربال‌گر مولکولی که عموماً از قدرت مکانیکی بالایی برخوردارند، در طراحی‌های خود استفاده نمایند. اما نکته حائز اهمیت این است که طراحی، ساخت و آزمایش غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری هم به لحاظ اقتصادی و هم به لحاظ صرفِ وقت، مقرون به صرفه نمی‌باشند، لذا استفاده از فرآیندهای شبیه‌سازی و مدل‌سازی برای پیش‌بینی خواص فیزیکی و انتقالی این غشاها بسیار ضروری است.
مجری طرح با اشاره به استفاده فراوان از غشاها در فرآیندهای جداسازی بر ضرورت تولید غشاهایی با کیفیت بهتر و عملکرد بالاتر تاکید نمود. وی افزود: این در حالی است که در برخی موارد، غشاهای مورد استفاده برای فرآیند خاصی در صنعت، انتخاب مناسبی نیستند از این رو تلاش کردیم با اجرای پروژه تحقیقاتی با هدف بررسی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری، غشای نانوکامپوزیت پلیمری بهینه را به صنعت پیشنهاد دهیم.
این محقق عنوان این پروژه را "شبیه‌سازی و مدل‌سازی فرآیند جداسازی مخلوط گازی با استفاده از غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری" ذکر کرد و یادآور شد: در این مطالعه ابتدا مطالعات جامعی‌ در خصوص انواع غشاهای خالص و نانوکامپوزیت پلیمری انجام شد و عملکرد غشاهای مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت و غشاهایی که بهترین کیفیت و بالاترین کارایی را داشتند، انتخاب شدند.
وی یکی از دلایل انتخاب غشاهای بهینه را معیارهای زیست‌ محیطی ذکر کرد و یادآور شد: پس از آن که با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (Materials Studio) فرآیند شبیه‌سازی به‌دقت و به‌‌صورت مرحله به مرحله انجام شد، در نهایت خواص فیزیکی چون دانسیته، دمای انتقال شیشه‌ای، 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 قرار گرفتند.
این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر ادامه داد: نتایج این تحقیقات نشان داد که ما در کسب فناوری شبیه‌سازی و بومی‌سازی کردن آن موفق بودیم، ضمن آنکه فرآیند محاسبه خواص کاربردی مورد نیاز به‌درستی انجام شده است.
وی اضافه کرد: علاوه بر آن با به‌کارگیری نرم‌افزار شبیه‌سازی، به‌منظور اصلاح نقاط ضعف غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری موجود، غشاهایی طراحی کردیم که دارای خواص فیزیکی و انتقالی فوق‌العاده هستند. لذا، این مطالعه، با یافتن راه‌های جدید اصلاح خواص غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری، در جهت بهبود ویژگی‌های آنها و همچنین اقتصادی کردن تولید این غشاها، گام برداشته و مرزهای دانش این شاخه از مهندسی شیمی را ارتقاء بخشیده است.
گلزار ارائه مدل‌های ریاضی برای تعیین و پیش‌بینی، خواص کاربردی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری با استفاده از تکنیک مدل‌سازی شبکه عصبی را از دیگر مراحل اجرای این طرح عنوان کرد و گفت: این مدل‌های ریاضی بر اساس خواص ذاتی مواد پلیمری، نانوذرات موجود در غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری و همچنین شرایط دمایی و فشاری طراحی شده‌اند. لذا، این مدل‌ها در مدت زمان بسیار کم و با دقت بالا قادر خواهند بود که خواص مورد نیاز در صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی و شرکت‌های صنعتی وابسته به محیط زیست را تامین کنند.

مجری طرح تاکید کرد در این پژوهش خواص فیزیکی و انتقالی غشاهای خالص و نانوکامپوزیت پلیمری، خواص غشاها در حضور پرکننده‌های متفاوت، خواص غشاها در حضور ماتریس‌های پلیمری متفاوت، خواص غشاها با ساختار هموژن، خواص غشاها با ساختار غیرهموژن، تاثیر درصد حضور مواد پرکننده 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 قرار گرفت و مکانیزم جذب و نفوذ مولکول‌های گاز در غشاها از دید مولکولی مورد ارزیابی قرار گرفت.
وی اضافه کرد: نتایج این مطالعه در صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی و کاربردهای غشا در فرآیندهای زیستی و همچنین به لحاظ شناسایی مواد، در دانش‌افزایی مهندسی پلیمر، نانوتکنولوژی و بسط و گسترش دانش ریاضی و نرم‌افزاری قابل استفاده می باشد.
گلزار انتشار 4 مقاله ISI در ژورنال‌هایی مهندسی شیمی چون Journal of Membrane Science را از دیگر دستاوردهای این تحقیقات عنوان کرد و گفت: در این مطالعه بنا به محدودیت‌های مالی و آزمایشگاهی، قادر به انجام فرآیندهای ساخت و اندازه‌گیری تجربی خواص غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری نبودیم اما با رایزنی‌های انجام شده و کسب موافقیت از شرکت‌های فعال در زمینه غشاهای پلیمری و دریافت منابع مالی، در نظر داریم که در ادامه راه، در کنار فرآیندهای شبیه‌سازی و مدل‌سازی، فرآیند ساخت تجربی این غشاها و مهندسی آنها برای دریافت خواص مورد نیاز برای کاربردهای صنعتی و زیستی خاص نیز انجام دهیم.
مجری طرح مطالعه انواع مختلف نانوذرات، بررسی کارایی غشاها در شرایط دمایی و فشاری مختلف، ارائه راهکارهای اصلاحی برای بهبود خواص و کارایی غشاها و ارائه مدل‌های ریاضی بر مبنای شبکه عصبی برای پیش‌بینی خواص فیزیکی و خواص انتقالی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری را از مزايای رقابتی این طرح عنوان کرد.
این طرح از سوی کریم گلزار دانش‌آموخته و با راهنمایی و هدایت دکتر حمید مدرس و دکتر سپیده امجد ایرانق از اعضای هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر اجرایی شد.