در اواخر دهه 1950 میلادی، رید وبریتون [1] در دانشگاه فلورید كشف كردند كه غشا ساخته شده از استات  سلولز قدرت دفع نمك را دارا می باشد. جریان آب عبوری از این غشای متراكم [2] به قدری كم بود كه امكان استفاده عملی از آن را غیر ممكن می نمود]1 و2[.

نقطه عطف پدیده‌های غشایی را می توان مربوط به حدود سال 1958 دانست، هنگامیكه اولین غشای نامتقارن استات سلولز، در دانشگاه لس آنجلس كالیفرنیا (UCLA) ساخته شد.

لئوب و سوریراجان[3] با ساختن یک لایه نازك به ضخامت)  (0.1-1.0µmبر روی یک ساختار متخلخل در پشت آن، توانستند غشای نامتقارنی از استات سلولز تولید كنند]1[.

غشاهای استات سلولز دو محدودیت بزرگ دارند. اولاً مستعد حمله مواد بیولوژیكی هستند كه در این صورت باید آب ورودی را كلریناسیون كرد. ثانیاًتحت شرایط مختلف اسیدی و بازی، استات سلولز به استات هیدرولیز می شود، بنابراین PH سیستم باید بین 5.4 تا 5.7 كنترل شود [3].

یكی از راه های توسعه غشاهای نامتقارن این بود كه لایه پوسته و لایه محافظ متخلخل را به صورت جداگانه تولید كرده و سپس به نحوی بر روی یكدیگر قرار دهند. در نوع جدیدی از غشاها، بنام كامپوزیت فیلم نازك[4]  (TFC)این عمل را طی دو مرحله به انجام می رسانند. ابتدا لایه ضخیم با یک لایه متشكل از حفره‌های بسیار ریز[5] پوشش داده می شود و بعد لایه‌ای نازك روی آن پوشانیده می‌شود. یكی از محاسن این روش این است كه می توان عملكرد (جداسازی و شارعبوری) هر كدام از لایه‌هارا جداگانه بهینه كرد. امروزه این نوع غشاها (TFC) از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه بوده و عملكرد بالایی دارند [4].

در سال 1977 غشاهای پلی‌آمیدی ساخته شدند. هدف از ساخت این نوع غشاها كه به روش
TFC ساخته می شوند، این بود كه مقاومت شیمیایی، ‌بیولوژیكی و مكانیكی سطح، توسعه یافته و عمر مفید غشا افزایش یابد. یكی از محدودیت های این نوع غشا نسبت به غشاهای استات سلولز را می توان مشكل بودن طرز تهیه آن ها دانست كه متحمل هزینه زیادتری است]3 و 5[.

 

1-2-  معرفی موضوع

دیدگاه های مختلفی در تحقیقات غشایی وجود دارند. علم مدلسازی می كوشد تا عملكرد غشاها را توصیف و در مرحله بالاتر پیشگویی نماید، و از این طریق، هم دانش مربوط به مكانیزم انتقال را گسترش دهد و هم اینكه از این دانش در طراحی غشاها و دستگاه های اسمز معكوس استفاده كند. علم مواد با بهره گرفتن از معیارهای فیزیكی و شیمیایی می كوشد تا با تهیه و سنتز غشاهای جدیدتر به فناوری فرایندهای غشایی سرعت بخشد. طراحی فرایند، در زمینه طراحی كلی و بهینه سازی سیستمهای اسمز معكوس در مقیاس صنعتی تحقیق می كند .

خرید اینترنتی فایل متن کامل :

 

 

 

در این میان مدلسازی و پیشگویی عملكرد غشاهای اسمز معكوس[6] اهمیت خاصی دارد. به منظور اینكه عملكرد غشاهای اسمز معكوس را به شایستگی توصیف نماییم، مدل های ریاضی بسیار دقیق و مناسبی مورد نیازاست. این نیاز منجربه توسعه چند مدل انتقال شده است.

 تا كنون مدل های زیادی برای بیان عملكرد و همچنین پیشگویی عملكرد غشاهای اسمز معكوس ارائه شده است و بعضی از آن ها موفقیت های نسبتاً خوبی داشته‌اند. این مدل ها به مرور زمان با روشن شدن واقعیتهای تازه درباره مكانیزم جداسازی و روابط حاكم بر مدل تكمیل تر شده و نتایج بهتری را ارائه نموده‌اند [8].

حسن این دو مدل این است كه توانسته‌اند بر اساس یک مكانیزم فیزیكی، علاوه بر تعیین روابط حاكم بر فرایندهای اسمز معكوس، عملكرد غشاها را در شرایط مختلف عملیاتی با دقت بالایی پیشگویی نمایند.

عمده‌ترین مشكل در استفاده از این مدل ها حل معادلات دیفرانسیل غیر خطی آنهامی باشد. برای حل معادلات این دو مدل از روش عددی بر هم گذاری متعامد[9] استفاده شده است [11].

در این تحقیق ابتدا چندین تابع اصطكاك و پتانسیل از میان توابع مختلف ارزیابی شده، انتخاب گشته و پس از جایگزینی در مدلEx-MD-SF-PF به كمك برنامه نویسی در نرم افزار Matlab و بهینه سازی، میزان توانایی و قدرت مدل های جدید در پیشگویی عملكرد غشاهای اسمز معكوس مورد بررسی قرار گرفته است كه بعداً در قسمت نتایج مشاهده گردید كه نه تنها مدل های جدید قادر به پیش‌بینی عملكرد غشاهای اسمز معكوس هستند بلكه بعضاً برخی از مدل های ارائه شده، نتایج بهتری نسبت به مدل MD-SF-PF و Ex-MD-SF-PF دارند.

از طرفی معادلات غیر خطی حاكم بر مدل با بهره گرفتن از روش های عددی اختلاف محدود[10] و حجم محدود[11] حل شده و آن گاه نتایج بدست آمده برای عملكرد غشا با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده‌اند.

1-3-  اهداف

همان طور كه گفته شد، در این تحقیق به دنبال یافتن توابع پتانسیل و اصطكاك جدید برای جایگزینی در مدل Ex-MD-SF-PF و ارائه مدل جدیدتر هستیم. بدین منظور با بهره گرفتن از
بهینه سازی، توابع اصطكاك و پتانسیل را كه قادر به پیش‌بینی نتایج آزمایشگاهی باشند، از میان توابع مختلف و متنوع انتخاب نموده و پارامترهای مورد نیاز مدل را تعیین می كنیم.

از طرفی چون معادلات حاكم بر مدل MD-SF-PF وEx-MD-SF-PF پیچیده و غیر خطی هستند و حل آنها توسط روش عددی بر هم گذاری متعامد صورت گرفته است، مستلزم انجام محاسبات پیچیده ریاضی و صرف زمانی طولانی می باشد. با بهره گرفتن از روش های عددی مانند اختلاف محدود و حجم محدود معادلات انتگرالی و دیفرانسیلی حاكم بر مدل به معادلات ساده جبری تبدیل می شوند تا از انجام محاسبات تكراری جلوگیری كرده و همگرایی داده ها با سرعت بیشتری صورت گیرد.

1-4-  غشاها و فرایندهای غشایی

فرایندهای غشایی دارای مزیت هایی به شرح زیر می باشند:

الف- این فرایندها اساساً ساده هستند.

ب- دامنه كاربرد این تكنولوژی بسیار وسیع و متنوع است.

ج- شار عبوری  و جداسازی  بالایی دارند.

هـ – در دمای ثابت عمل می‌كنند، بنابراین هیچگونه گرمادهی یا سرمادهی لازم نیست  ] 13].