عنوان پایان‌نامه
بررسی تاثیر حضور نانو ذره بر میزان جذب اسید های چرب در فرایند جذب سطحی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندهای جداسازی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1292.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 58598
- تاریخ دفاع
- ۲۵ خرداد ۱۳۹۲
- دانشجو
- احسان صادقی پویا
- استاد راهنما
- حسین ابوالقاسمی
- چکیده
- این پژوهش در دو بخش آزمایشگاهی و مدلسازی انجام گرفته است، که در آن جداسازی بنزوییک اسید از محلول آبی آن به روش جذب سطحی (به دو صورت ناپیوسته و پیوسته) با استفاده از ماده معدنی ورمیکولیت به عنوان جاذب سطحی مبنا بررسی شده است. در فاز آزمایشگاهی و در فرآیند ناپیوسته، ابتدا به اصلاح ماده معدنی ورمیکولیت برای دستیابی به یک جاذب سطحی مناسب برای جداسازی بنزوییک اسید پرداخته شده است. اصلاح ورمیکولیت به دو صورت فیزیکی و شیمیایی صورت گرفته است. سپس، بررسی پارامتر های عملیاتی نظیر مقدار جاذب سطحی موجود در سیستم، pH اولیه سیستم، مدت زمان تماس و دمای سیستم انجام گرفته است. مقدار جاذب سطحی اصلاح شده در حالت بهینه برابر با g 5/0 می باشد. میزان pH بهینه برابر با 5/3 و مدت زمان تماس بهینه نیز در حدود min 140 می باشد. مطالعه ترمودینامیکی فرآیند نیز، نشان دهنده گرماگیر بودن و خودبخودی بودن جذب سطحی بنزوییک اسید با استفاده از جاذب سطحی اصلاح شده می باشد. با استفاده از جاذب سطحی اصلاح شده، در دمای K 303 و در شرایط بهینه (مقدار جاذب سطحی، pH و زمان تماس)، ظرفیت جذب سطحی نسبت به جاذب سطحی خام و در شرایط عملیاتی غیر بهینه از حدود 51/2 به mg?g 87/15 می رسد. در نهایت به مطالعه تاثیر حضور دو نوع نانو ذره اکسید فلزی Fe_2 O_3 و SiO_2 هیدروفیلیک در سیستم جذب سطحی پرداخته شده است. حضور نانو ذره اکسید فلزی Fe_2 O_3، میزان جذب سطحی را از 87/15 به mg?g 98/17 می رساند. ضمنا مطالعه سینتیکی این فرآیند، نشانگر کارایی مدل سینتیکی شبه درجه دوم در تحلیل سینتیک جذب سطحی بنزوییک اسید می باشد. مطالعه حالت تعادل فرآیند نیز، نشان دهنده کارایی مدل های ایزوترم فرویندلیش و تات در تحلیل ایزوترم تعادلی جذب سطحی مورد بررسی در فرآیند ناپیوسته می باشد. در فاز آزمایشگاهی و در فرآیند پیوسته، به بررسی تاثیر پارامتر های عملیاتی دبی حجمی خوراک و ارتفاع بستر پرشده بر منحنی شکست و همچنین میزان جذب سطحی پرداخته شده است. بررسی ها، نشانگر افزایش میزان جذب سطحی با کاهش دبی حجمی خوراک و افزایش ارتفاع بستر می باشد، بطوری که میزان جذب سطحی در بهترین حالت، برابر با mg?g 397/18 و در بد ترین حالت، برابر با mg?g 417/13 می باشد. ضمنا بررسی مدل سازی منحنی های شکست نشانگر همپوشانی مناسب مدل های توماس و یون- نیلسون با داده های آزمایشگاهی می باشد. در فاز مدلسازی این مطالعه، ابتدا به مدلسازی فرآیند ناپیوسته جذب سطحی بنزوییک اسید با استفاده از جاذب سطحی اصلاح شده به کمک نرم افزار MATLAB پرداخته شده و چگونگی تغییر غلظت ماده جذب شونده درون حفره های جاذب سطحی بر حسب شعاع ذره و در زمان های مختلف و همچنین، چگونگی تغییر غلظت جذب شونده در فاز جامد بر حسب شعاع ذره و در زمان های مختلف بررسی شده است. تطبیق مناسب داده های سینتیکی آزمایشگاهی با مدل و همچنین، همگرایی مدل به پاسخ حالت پایای سیستم، نشان دهنده دقت بالای مدل می باشد. در بررسی فرآیند پیوسته بستر ثابت در این بخش، ابتدا با استفاده از نرم افزار Eviews، به بررسی چهار مدل برای مدلسازی منحنی شکست پرداخته شده است. نتایج، نشان دهنده همپوشانی بهتر یکی از مدل ها نسبت به مدل های دیگر ارائه شده با داده های آزمایشگاهی می باشد. در انتها، محاسبه ضرایب انتقال جرم حجمی و بررسی تاثیر دبی حجمی خوراک و ارتفاع بستر بر ضرایب انتقال جرم با استفاده از تئوری پخش موج انجام گرفته است. نتایج، نشانگر افزایش ضریب کلی حجمی انتقال جرم با افزایش دبی حجمی خوراک ورودی به ستون و همچنین، افزایش ارتفاع بستر پرشده می باشد. همچنین در انتها، سه مدل برای پیش بینی ضریب کلی حجمی انتقال جرم به صورت تابعی از دبی حجمی خوراک بررسی گردیده است. نتایج در این بخش، نشان دهنده مناسب بودن یکی از مدل ها در برازش داده ها می باشد.
- Abstract
- This research has involved two main sections: experimental and mathematical modeling. Firstly, the adsorption of benzoic acid from aqueous solution has investigated in batch and fixed-bed continuous modes by vermiculite mineral as a basic adsorbent. Vermiculite has been modified physically and chemically to attain a new adsorbent to remove benzoic acid efficiently from aqueous solution. Physical modification has been carried out by means of a laboratory vibratory disc mill and chemical modification has been performed by two cationic surfactants (cetyltrimethylammonium bromide and cetylpyridinium bromide). Afterwards, the effect of some parameters such as adsorbent dosage, initial pH value, contact time, and temperature has been studied in batch mode experiments. Using of modified vermiculite in optimized conditions has increased the adsorption capacity from 2.51 mg/g to 15.97 mg/g. Thermodynamic study of the process has shown that the adsorption of benzoic acid in this study is endothermic and spontaneous in nature. Finally, the effect of coexisting nanoparticles (SiO2 and Fe2O3) has been studied in batch adsorption. Coexisting Fe2O3 nanoparticles have increased the adsorption capacity from 15.97 mg/g to 17.98 mg/g. Pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models and also intraparticle diffusion model have been employed to study the kinetics of the process. Pseudo-first-order kinetic model has shown the best fitting to kinetic data. The adsorption equilibrium isotherm has been studied by Longmuir, Freundlich, Sips, and Toth models. Freundlich and Toth models have shown the best fitting to equilibrium data. In fixed-bed continuous study, the parameters of bed height and flow rate have been studied. Investigations have shown that an increase in bed height or/and a decrease in flow rate causes to increase in adsorption capacity so that it has been 18.397 mg/g in the best conditions and it has been 13.417 mg/g in the worst conditions. Breakthrough curves have been fitted to Adams-Bohart, Thomas, and Yoon-Nelson models. Thomas and Yoon-Nelson models have been better compared to Adams-Bohart model to predict breakthrough curves in this study. In mathematical modeling section, the process of batch adsorption has been modelled by MATLAB software. A non-linear partial differential equation has been obtained by mass balances for solid and liquid phases and it has been solved numerically by finite difference method and how the concentration of the adsorbate changes with particle radius at different time steps has been achieved. The overall volumetric mass transfer coefficient has been calculated by wave propagation theory. The results have shown that an increase in bed height or/and flow rate causes to increase in overall volumetric mass transfer coefficient. Finally, some mathematical models have been proposed for estimation of breakthrough curve and overall volumetric mass transfer coefficient. These models have been checked by Eviews software and the best ones of them have been selected.
