مطالعه پارامتر های موثر در سنتز نانو ذرات نقره به روش میکروامولسیون معکوس word

 کلمات کلیدی: امولسیون معکوس، اندازه متوسط ذرات، مدلسازی، مورفولوژی، نانو ذرات نقره.

 فهرست مطالب

عنوان	صفحه
فصل اول: مقدمه	1
1-1- فلز نقره	2
1-1-1- خواص فیزیکی و شیمیایی نقره	2
1-1-2 –منابع و ترکیبات مهم نقره	3
1-1-3- کاربرد های نانو ذرات نقره	4
1-1-4- ترکیبات رایج در نانو ذرات نقره	4
1-2- نانو ذرات و روش های سنتز	6
1-3- فرایند ترسیب	10
1-3-1-هسته سازی	12
1-3-2-رشد	15
1-4- ترسیب در میکرو امولسیون ها	17
1-4-1- مواد فعال سطحی	18
1-4-2 –اندیس HLB	22
1-4-3 – سنتز نانو ذرات در میکرو امولسیون ها	22
1-4-4 – روش تک امولسیونی و دو امولسیونی	27
2- فصل دوم: پیشینه تحقیق	29
2-1-اهداف	34
3- فصل سوم: مطالعات آزمایشگاهی	36
3-1-تجهیزات و مواد لازم	37
3-2- روش آزمایش	38
3-3- روش دو امولسیونی	40
3-4- آنالیز نانو ذرات نقره تولیدی	42
3-4-1-دستگاه پراکندگی نور دینامیکی	42
3-4-2-آنالیز تفرق اشعه X	43
3-4-3-آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی	44
3-4-4-آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری	45
3-4-5-آنالیز طیف‌بینی فوتوالکترون اشعه ایکس	47
3-4-6-آنالیز اسپکتروفتومتری UV-Vis	48
4- فصل چهارم: مدل سازی	50
4-1-واکنش شیمیایی	53
4-2-هسته سازی	54
4-3-رشد	55
4-4-موازنه جرم	57
4-5-بهینه سازی پارامتر های کینتیکی	59
5- فصل پنجم: نتایج و بحث	60
5-1- الگوی XRD نانو ذرات سنتز شده	61
5-2-اثر مواد فعال سطحی بر مورفولوژی و توزیع اندازه ذرات	62
5-2-1-آنالیز اسپکتروفتومتری UV-Vis نمونه های سنتز شده	65
5-2-2-عکس های TEM نمونه های سنتز شده	66
5-2-3-عکس های SEM نمونه های سنتز شده	71
5-3-اثر مواد افزودنی بر مورفولوژی و توزیع اندازه ذرات	72
5-3-1-عکس های TEM نمونه های سنتز شده در حضور مواد افزودنی	74
5-3-2-عکس های SEM نمونه های سنتز شده	78
5-4-نتایج مدلسازی 5-4-1-اثر غلظت هیدرازین بر روی اندازه متوسط ذرات	79
5-4-1-اثر غلظت نیترات نقره بر روی اندازه متوسط ذرات	79
5-4-2-پارامتر های بهینه مدل	80
5-5-نتیجه گیری	83
5-6-پیشنهادات	84
مراجع	86
پیوست 1: نتایج آنالیز اسپکتوفتومتری UV-Vis	95
پیوست 2: نتایج آنالیز XRD	100

فهرست جداول

شماره و عنوان	صفحه
جدول 1-1: برخی خواص فیزیکی و شیمیایی مربوط به نقره خالص (Lide, 1994)	2
جدول 1-2: روش های مختلف تولید نانو ذرات با روش پایین به بالا	8
جدول 1-3: برخی از مهمترین مواد فعال سطحی (Osseo Asare, 1999)	21
جدول 1-4: خواص فیزیکی میسل ها، میکرو و ماکرو امولسیون ها (Adityawarman, 2007)	23
جدول 1-5: کاربرد میکروامولسیون ها در سنتز نانو ذرات	28
جدول 2-1: روش های مختلف سنتز نانو ذرات نقره (Zhang, 2007)	30
جدول 2-2: اثر نسبت مولی آب به ماده فعال سطحی (W) بر روی قطر قطرات کروی آب	32
جدول3-1: مواد مورد استفاده در آزمایش سنتز نانو ذرات نقره جدول3-1- مواد مورد استفاده در آزمایش سنتز نانو ذرات نقره	37
جدول 3-2: وسایل مورد استفاده در آزمایش سنتز نانو ذرات نقره	37
جدول 3-3: ترکیب میکرو امولسیون ها مختلف به منظور بررسی اثر مواد فعال سطحی در سنتز نانو ذرات نقره.	41
جدول 3-4: مواد افزودنی استفاده شده در سنتز نانو ذرات نقره.	41
جدول 4-1: مقادیر ارائه شد برای پارامتر توسط سایر محققان	55
جدول 5-1: ترکیب میکرو امولسیون ها مختلف به منظور بررسی اثر مواد فعال سطحی در سنتز نانو ذرات نقره	62
جدول 5-2: مواد افزودنی استفاده شده در سنتز نانو ذرات نقره	73
جدول 5-3: اثر غلظت نیترات نقره بر روی اندازه نانو ذرات نقره در حالت استفاده با ترکیب SDS	80
جدول 5-4: بهینه پارامتر های سینتیکی تولید نانو ذرات نقره	81
جدول 5-5: اندازه ذرات متوسط ذرات، پیک جذبی آنالیز UV-vis و عدد HLB آزمایش های سنتز نانو ذرات نقره	83
جدول 5-6: اندازه ذرات متوسط، پیک جذبی آنالیز UV-vis در حضور مواد افزودنی	84

فهرست شکل ها

شماره و عنوان	صفحه
شکل 1-1: آنالیز نمک های مورد استفاده در سنتز نانو ذرات نقره (Tolaymat et al., 2010)	5
شکل 1-2: آنالیز حلال های استفاده شده در سنتز نانو ذرات نقره (Tolaymat et al., 2010)	5
شکل 1-3: روند کاهش دمای ذوب فلز طلا با تغییر اندازه ذرات (Castro et al., 1990)	7
شکل 1-4: دو روش کلی سنتز نانو ذرات (Adityawarman, 2007)	7
شکل 1-5: فرایند های اولیه و ثانویه در روش ترسیب (Adityawarman, 2007)	12
شکل 1-6: تغییرات انرژی آزاد گیبس هسته با شعاع آن در فرایند هسته سازی (Mullin, 2004)	14
شکل 1-7: اثر فوق اشباعیت بر هسته سازی، رشد و اندازه متوسط ذرات (Nyvlt et al., 1985)	17
شکل 1-8: نمایی شماتیک از یک ملکول ماده فعال سطحی (Malmsten, 2002)	18
شکل 1-9: نحوه قرار گیری ملکول های ماده فعال سطحی در محیط حاوی آب و ترکیب آلی مایع (Malmsten, 2002)	19
شکل 1-10: انواع مختلف مواد فعال سطحی بر اساس سر قطبی آنها (Malmsten, 2002)	19
شکل 1-11: نمایی شماتیک از یک میسل کروی (Malmsten, 2002)	20
شکل 1-12: شماتیک رفتار فازی سیستم سه تایی آب/روغن/ماده فعال سطحی (Moulik and Paul, 1998)	23
شکل 1-13: مراحل انجام واکنش به روش دو میکرو امولسیونی (Adityawarman, 2007)	25
شکل 1-14: تغییرات غلظت واکنش دهنده طی فرایند ترسیب در میکروامولسیون و ترسیب معمولی (Schmidt, 2000).	26
شکل 1-15: شماتیک فرایند تولید a) دو امولسیونی و b) تک میکروامولسیونی (Adityawarman, 2007).	27
شکل 2-1: اثر نسبت مولی آب به ماده فعال سطحی (W) بر روی اندازه متوسط ذرات نقره تولیدی (Petit et al., 1993)	32
شکل 2-2: اثر غلظت نیترات نقره بر روی اندازه متوسط ذرات نقره تولیدی (Zheng et al., 1993)	34
شکل 3-1: نمایی از دستگاه سنتز نانو ذرات نقره	38
شکل 3-2: دستگاه تفرق دینامیک نور.	42
شکل 3-3: تصویری از یک میکروسکوپ SEM.	44
شکل 3-4: بخش های مهم ستون میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری.	46
شکل 3-5: نمای دستگاه طیف نگاری فوتوالکترونی اشعه ایکس	48
شکل 4-1: شماتیک مکانیزم های فرایند ترسیب امولسیونی	52
شکل 4-2: توزیع Poisson برای γ برابر 5/3	54
شکل 5-1: الگوی XRD نانو ذرات نقره تولیدی با روش تک امولسیونی (a)، الگوی XRD استاندارد فلز نقره (b)	61
شکل 5-2: قطرات پراکنده شده فاز آبی در سیکلوهگزان با استفاده از ترکیب Span 80	63
شکل 5-3: محصول واکنش میکروامولسیون سیکلو هگزان (ml)150، ماده فعال سطحی CTAB ( g1) و محلول نیترات نقره 1 مولار	64
شکل 5-4: نمونه نانو ذرات سنتز شده با استفاده از مواد فعال سطحی متفاوت	64
شکل 5-5: آنالیز اسپکتوفتومتری UV-vis نمونه های نانو ذرات نقره با استفاده از مواد فعال سطحی مختلف	66
شکل 5-6: آنالیز TEM نانو ذرات نقره سنتز شده در حالت استفاده از ماده فعال سطحی SDS.	67
شکل 5-7: آنالیز TEM نانو ذرات نقره در حالت استفاده از ماده فعال سطحی Span 80.	68
شکل 5-8: آنالیز TEM نانو ذرات نقره در حالت استفاده از ترکیب مواد فعال سطحی Span 80-SDS.	69
شکل 5-9: آنالیز TEM نانو ذرات نقره در حالت استفاده از ترکیب مواد فعال سطحی Span 80-PEG 1000	70
شکل 5-10: آنالیز SEM نانو ذرات نقره در حالت های استفاده از ماده فعال سطحی a) SDS، b) Span 80 ، c) Span 80-SDS، d) Span 80- PEG 1000	72
شکل 5-11: نانو ذرات سنتز شده در حالت استفاده از مواد افزودنی مختلف	73
شکل 5-12: آنالیز اسپکتوفتومتری UV-Vis نمونه های نانو ذرات نقره در حالت استفاده از مواد افزودنی مختلف	74
شکل 5-13: آنالیز TEM نمونه نانو ذرات نقره در حضور ماده افزودنی آنیلین	75
شکل 5-14: آنالیز TEM نمونه نانو ذرات نقره در حضور ماده افزودنی PVP	76
شکل 5-15: آنالیز TEM نمونه نانو ذرات نقره در حضور ماده افزودنی سدیم سیترات	78
شکل 5-16: آنالیز SEM نمونه نانو ذرات نقره با استفاده از ماده فعال سطحی a) آنیلین، b) PVP، c) سدیم سیترات	79
شکل 5-17: مقایسه نتایج مدل و نتایج آزمایشگاهی اندازه متوسط ذرات	81
شکل 5-18: مقایسه تعداد کل ذرات تولیدی در طی فرایند سنتز نانو ذرات نقره در غلظت های مختلف نیترات نقره محاسبه شده توسط مدل	82
شکل 5-19: مقایسه تعداد کل یون های تولیدی نقره در طی فرایند سنتز نانو ذرات نقره در غلظت های مختلف نیترات نقره	83
شکل پ-1: اسپکتروفتومتری UV-vis در حالت استفاده از ماده فعال سطحی Span 80	95
شکل پ-2: اسپکتروفتومتری UV-vis در حالت استفاده از ماده فعال سطحی SDS	96
شکل پ-3: اسپکتروفتومتری UV-vis در حالت استفاده از ماده فعال سطحی Span 80-CTAB	97
شکل پ-4: اسپکتروفتومتری UV-vis در حالت استفاده از ماده فعال سطحی Span 80-SDS	98
شکل پ-5: اسپکتروفتومتری UV-vis در حالت استفاده از ماده فعال سطحی Span 80-PEG 1000	99

فهرست علائم اختصاری
سطح کلی هسته ها	m2	A
درجه تابعیت سرعت هسته سازی نسبت به فوق اشباعیت	-	b
ثابت هسته سازی	#s-1(l)-1	B°
سرعت هسته سازی	# (l)-1 s-1	Bnuc
غلظت	mol(l)-1	C
غلظت اشباع	mol(l)-1	Csat
غلظت نیترات نقره	mol(l)-1	[CSN]
غلظت هیدرازین	mol(l)-1	[CHyd]
ضریب نفوذ	m2 s-1	D
قطر قطرات	nm	ddrop
توان سرعت رشد نسبت به فوق اشباعیت	-	g
سرعت خطی رشد کریستالها	nm s-1	GL
سرعت رشد هسته ها	nm3 s-1	Gv
انرژی آزاد گیبس	J	GΔ
انرژی آزاد گیبس سطحی	J	GSΔ
انرژی آزاد گیبس حجمی	J	GvΔ
انرژی گیبس مولی به ازای واحد حجم	J	Gv,volΔ
تعداد یون ها در یک قطره	#	i
ثابت بولتزمن 1.38×10-23	JK-1	k
ثابت ضریب سطحی	-	ka
ثابت واکنش نیترات نقره و هیدرازین	(l) mol-1s-1	kchem
ضریب رشد	nm s-1	kg
ضریب هسته سازی	# (l)-1 s-1	kn
ثابت حلالیت	mol2 (l)-2	ksp
ثابت ضریب حجمی (Volume shape factor)	-	kv
اندازه کریستال ها	nm	L
جرم منتقل شده به فاز جامد	g	M
جرم اتمی نقره	gmol-1	MwAg
تعداد یون های نقره	#	nAg
تعداد کل یون های نقره	#
تعداد ذرات نقره	#
تعداد اتم های نقره در فاز جامد	#
تعداد قطرات	#	ndrop
تعداد یون ها در محلول	#	ni
تعداد یون های هیدرازین در محلول	#	nHyd
تعداد یون های هیدرازین ورودی خوراک	#s-1
تعداد ذرات نقره	#	np
عدد آووگادرو	mol-1	NA
تعداد اتم های لازم برای تشکیل هسته	#	Ncrit
تابع پویسون	-	Pi
دبی خوراک هیدرازین	(l) s-1	Qw
شعاع هسته	m	r
نرخ واکنش نیترات نقره و هیدرازین	mol(l)-1s-1	rchem
نرخ حذف یون نقره به واسطه رشد	#s-1	rg
فوق اشباعیت	-	S
ثابت جهانی گاز ها	Jmol-1K-1	R
دما	K	T
زمان	s	t
حجم نانو ذرات	nm3	v
حجم متوسط نانو ذرات	nm3	vm
حجم فاز آبی	(l)	Vw
حجم کل قطرات شامل Ncritاتم نقره	(l)	Vwr
حجم مولی	m3	vol
ضخامت فیلم	m	x
حروف یونانی
فاکتور وابسته به مورفولوژیذرات	-	β°
متوسط تعداد یون ها در قطرات	#	γ
پتانسیل شیمیایی ترکیب در فاز 1	J	1μ
پتانسیل شیمیایی ترکیب در فاز 2	J	2μ
چگالی	kgm-3	ρ
چگالی نقره	gcm-3	ρAg
انرژی سطحی بین هسته	Jm-2	σ
تابع هدف	-	Φ

فصل اول: مقدمه

1-1-فلز نقره

1-1-1-خواص فیزیکی و شیمیایی نقره

 نقره به صورت خالص به شکل فلزی براق و نسبتاً نرم است. این فلز تا اندازه ای از طلا سخت­تر و پس از پرداخت دارای درخشندگی می­شود. این عنصر فلزی دارای، بالاترین رسانایی در گرما و الکتریسیته را دارا است. جدول 1-1 مهمترین خواص مربوط به نقره خالص را نشان می دهد.

جدول 1-1: برخی خواص فیزیکی و شیمیایی مربوط به نقره خالص (Lide, 1994)

خواص	مقدار
وزن اتمی	86/107
عدد اتمی	47
شعاع اتمی	144 پیکومتر
چگالی در C°20	49/10 g/cm3
ظرفیت حرارتی	35/25 J.mol-1.K-1
نقطه ذوب	C° 961
نقطه جوش	C° 2162
هدایت حرارتی	429 W.m-1.K-1

 اگر چه در میان فلزات نجیب نقره از نظر شیمیایی، فلزی فعال تلقی می شود، لکن باید توجه داشت که در مقایسه با عناصر غیر نجیب از مرتبه واکنش پذیری قابل ملاحظه­ای برخوردار نیست. این عنصر به آسانی آهن اکسید نمی شود، ولی با گوگرد واکنش داده و تشکیل ترکیبی کدر می دهد (Lide, 1994). نقره نمی تواند با اسید های غیر اکسید کننده مانند اسید­های کلریدریک و سولفوریک یا باز­های قوی مانند هیدروکسید سدیم واکنش نماید، اما اسیدهای اکسید کننده مانند اسید نیتریک یا اسید سولفوریک غلیظ آن را در خود حل کرده و نقره یک ظرفیتی (Ag⁺) را تشکیل می دهند. این یون که در کلیه ترکیبات ساده و محلول نقره وجود دارد، تقریباً به صورت ساده ای با استفاده از عوامل احیا کننده آلی مانند آنچه در آیینه های نقره­ای ملاحظه می شود، به فلز نقره احیا می شود (Lide, 1994).

1-1-2-منابع و ترکیبات مهم نقره

 نقره جزء عناصر نسبتاً کمیاب بوده و از نظر فراوانی در قشر زمین مرتبه شصت و سوم را به خود اختصاص داده است. برخی اوقات به صورت عنصر آزاد یافت می شود ولی در اکثر نقاط نقره به صورت مواد معدنی حاوی ترکیبات نقره مانند آرجنتیت با ترکیب شیمیایی Ag₂S و سرارجیریت با ترکیب شیمیایی AgCl یافت می شود. حدود 75 درصد نقره تولیدی دنیا در حقیقت فراورده جانبی حاصل از استخراج سایر فلزات می باشد (Lide, 1994). مهمترین ترکیبات نقره از لحاظ کاربرد عبارتند از:

• نیترات نقره: ترکیب بی رنگ، بسیار محلول، سمی و به سادگی به نقره فلزی احیا می شود. از این ترکیب در تهیه ترکیبات نقره و انواع جوهر استفاده می شود.
• کلرید نقره: ترکیب سفید رنگ و نامحلول در آب می باشد ولی در هیدروکسید آمونیم حل شده و تشکیل کمپلکس Ag(NH₃)^2- می دهد. از این ترکیب به عنوان آشکار ساز یونیزاسیون استفاده می شود.
• برمید نقره: ترکیب نامحلول زرد روشن که نسبت به AgCl نامحلول تر و بیشتر در عکاسی کاربرد دارد.
• یدید نقره: ترکیب نامحلول زرد رنگ و نامحلول تر از AgBr است و برای باروری ابرها استفاده می شود.
• سولفید نقره: نا­محلول ترین نمک نقره با رنگ سیاه است و جز اصلی مواد تیره کننده ظروف نقره ای می باشد.
• اکسید نقره: پایدارترین فرم نقره (Ag₂O) بوده و دارای رنگ خاکستری است و در صنایع شیشه و سرامیک کاربرد دارد. همچنین از معدود اکسید­های هادی بوده که در پیل های سوختی نیز استفاده می شود.

1-1-3-کاربرد های نانو ذرات نقره

 نانو ذرات نقره دارای خاصیت ضد باکتری قابل ملاحظه­ای هستند. این خاصیت در مورد انواع باکتری ها، قارچ ها و ویروس ها به اثبات رسیده است (Sadeghi et al., 2012). بنابراین نانو ذرات نقره به طور گسترده ای در ساخت تجهیزات پزشکی کاربرد دارند. به عنوان مثال می توان به انواع چسب های زخم، بهبود دهنده های پوست، دندان های مصنوعی و پوشش های استخوانی اشاره نمود. از جمله سایر کاربرد های آن می توان به ساخت انواع لوسیون، خمیر دندان، اسباب بازی، رنگ های ضد باکتری، فیلتر های آب و هوا و نگهدارنده مواد غذایی اشاره کرد. خواص مناسب نانو ذرات نقره آن را برای کاربرد فلورسنس و ساخت انواع سنسور با قابلیت کار در سلول­های زنده و سنسور های تعیین غلظت آمونیاک، تهیه تصاویر از سلول­های سرطانی و بیوسنسور های مورد استفاده برای آفات گیاهی و ضایعات هسته ای امکان پذیر می سازد. همچنین نسبت زیاد سطح به حجم نانو ذرات نقره بهترین خاصیت برای استفاده از آن به عنوان کاتالیست می باشد. بر این اساس نانو ذرات نقره و نانو کامپوزیت آن انتخابی مناسب به عنوان کاتالسیت برای اکسیداسیون بنزن، فراوری فنل و اکسیداسیون مونواکسید کربن می باشد (Tolaymat et al., 2010).

 1-1-4-ترکیبات رایج در سنتز نانو ذرات نقره

 مطالعات نشان می دهند که بیشترین روش های سنتز نانو ذرات نقره مبتنی بر استفاده از نمک های نقره برای تولید یون­های نقره با قابلیت احیا شدن و رسوب کردن نانو ذرات می باشند. شکل 1-1 انواع نمک­های مورد استفاده در تولید نانو ذرات نقره را نشان می دهد. مطابق شکل 1-1 نیترات نقره بیشترین کاربرد در سنتز نانو ذرات را داشته و دلیل آن پایداری شیمیایی بالای این ترکیب در مقایسه با دیگر نمک­ها می باشد (Tolaymat et al., 2010).

حلال­های مورد استفاده اغلب جهت حل کردن نمک های فلزی مورد استفاده قرار می گیرند. در سنتز نانو ذرات نقره تقریباً 80 درصد فراوری با آب انجام می گیرد. اما اخیراً استفاده از حلال های آلی بی خطر برای محیط زیست گسترش یافته و دلیل این امر پسماند های آلوده زیاد در فرایند های مبتنی بر آب به عنوان حلال می باشد. شکل 1-2 نشان دهنده انواع حلال های مورد استفاده در سنتز نانو ذرات می باشد.

 عموماً الکترون آزاد برای احیای یون­های نقره توسط فرایند های شیمیایی، بیولوژیکی و یا تابش با انرژی بالا فراهم می شود. در فرایند های شیمیایی نوع احیا کننده و قدرت آن تاثیر زیادی بر خواص نانو ذرات دارد. به عنوان مثال بروهیدرید سدیم (NaBH₄) یک عامل احیا کننده قوی بوده و تمایل به تولید نانو ذرات با اندازه کوچکتر دارد، در حالی که اسید اسکوربیک به عنوان یک عامل احیا کننده ضعیف­تر ذرات درشت تری از نانو نقره تولید می نماید. استفاده از هیدرازین و سدیم بروهیدرید به عنوان عامل احیا کننده نسبت به سایرترکیبات زیادتر می باشد. به علاوه هیدرازین در مقایسه با بروهیدرید سدیم، آلودگی ناشی از حضور اتم های هیدروژن به صورت آنیون ضعیف BH₄ را کمتر می­نماید و بنابراین کاربرد زیادتری دارد (Tolaymat et al., 2010).

 1-2- نانو ذرات و روش های سنتز

 با گذر از میکرو ذرات به نانو ذرات، برخی تغییرات در خواص فیزیکی ذرات رخ می دهد.دو مورد مهم از این تغییرات شامل افزایش نسبت سطح به حجم و ورود اندازه ذره بهقلمرو اثرات کوانتومی است. افزایش نسبت سطح به حجم که به‌ تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعثغلبه ‌یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. اینپدیده بر خصوصیات ذرات و تعامل آن ها با دیگر مواد اثر می‌گذارد.سطح زیاد عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزور‌ها و ساختارهایی همچونالکترودها یا افزایش کارآیی فناوری‌هایی همچون پیل سوختی و باتری‌ها می‌باشد. به علاوه از نانو ذرات در کاربردهای بیودارویی به عنوان حامل دارو و عوامل تصویربرداری استفاده می‌شوند. بنابراین برای رسیدنبه خواصی مطلوب برای نانو ذرات مانند مورفولوژی و توزیع اندازه ذرات، انتخاب و کنترل فرایند تولید از اهمیت ویژه ای برخوردار است (Chen et al., 2005).

برای مثال کاهش دمای ذوب نانو ذرات نسبت به مواد در مقیاس های بزرگتر از خواص جالب آنها می باشد. علت این امر افزایش تعداد اتمهای سطح که امکان تحرک بیشتری دارند می باشد (Klabunde, 2001). روند کاهش دمای ذوب فلز طلا با اندازه ذرات در شکل 1-3 نشان داده شده است (Castro et al., 1990).

بررسی آزمایشگاهی و مدلسازی تولید کربنات کلسیم از محلول کلرید کلسیم به وسیله جذب دی اکسید کربن گازهای خروجی از صنایع

کلمات کلیدی: کربنات کلسیم، دورریز واحد تقطیر، دی اکسیدکربن، مورفولوژی، مدلسازی ریاضی، پارامترهای سینتیکی.

 فهرست مطالب

 عنوان صفحه

 فصل اول:مقدمه

1-1- اهمیت تحقیق............................. 2

1-2- تکنولوژی CCS............................ 3

1-2-1- سیستم­های به دام انداختن دی­اکسیدکربن4

1-2-2- تکنیک­های جداسازی دی­اکسیدکربن........ 5

1-2-2-1- جذبگاز.......................... 6

1-2-2-2- جذب سطحی......................... 6

1-2-2-3- جداسازی توسط غشا................ 7

1-2-2-4- تقطیر برودتی..................... 7

1-2-2- انتقال دی­اکسیدکربن................... 7

1-2-3- ذخیره­سازی دی­اکسیدکربن................ 8

1-3- جریان دورریز کلسیم کلرید واحد صنعتی سودا اش 9

1-4- کربنات کلسیم............................ 9

1-5- هسته­سازی................................ 10

1-5-1- هسته­سازی اولیه ..................... 11

1-5-2- هسته­سازی ثانویه..................... 12

1-6- رشد کریستال............................. 12

1-7- چسبندگی................................. 14

 فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته

2-1- فرایند تولید سودااش.................... 16

2-2- اصلاحات انجام شده بر روی واحد سودا اش و استفاده از جریان­های دورریز...................................... 18

2-2-1- تولید منیزیم کلرید به جای کلسیم کلرید18

 عنوان صفحه

 2-2-2- استفاده از آمین به جای آمونیاک...... 19

2-2-3- تولید هیدروکلریک اسید............... 20

2-2-4- تولید کلرید آمونیوم به عنوان کود شلتوک برنج 20

2-2-5- تولید فسفات کلسیم و فسفات منیزیم.... 20

2-2-6- گچ آرایشی........................... 22

2-2-7-استفاده از لجن ...................... 22

2-2-8- خنثی­سازی گازهای احتراق.............. 23

2-2-9- استفاده از دورریز واحد تقطیر........ 24

2-2-10- تولید کود از گل آب نمک تصفیه شده... 25

2-2-11 تولید کربنات کلسیم.................. 26

2- 2-12- استفاده از پسماند جامد به عنوان جاذب... 26

2-3- به دام انداختن دی اکسید کربن به روش کربناسیون27

2-4- مطالعات آزمایشگاهی انجام شده در زمینه ترسیب کربنات کلسیم............................................ 28

2-5- مطالعات سینتیکی انجام شده در زمینه ترسیب کربنات کلسیم29

 فصل سوم: روش کار

3-1- فرایند.................................. 35

3-2- شرح راکتور آزمایشگاه ................... 37

3-3- آزمایشات ............................... 40

3-4- نمونه برداری از راکتور.................. 41

3-5- آنالیز فاز جامد......................... 41

3-5-1-آنالیز شکل........................... 42

3-5-1-1- میکروسکوپ الکترونی SEM .......... 42

3-5-2-آنالیز گونه­های رسوب.................. 43

3-5-2-1- دستگاه پراش پرتوهای ایکس........ 43

3-5-3- آزمایش هیدرومتری.................... 44

3-5-3-1- آزمایش.......................... 46

3-5-3-2- تعیین طول فرورفتگی هیدرومتر..... 47

3-5-3-3- تعیین درصد عبوری ذرات معلق نمونه48

3-5-3-4- خطای منیسک...................... 48

عنوان صفحه

 3-6- تعیین وزن مخصوص رسوب................... 50

3-7- آنالیز فاز مایع........................ 51

3-7-1- اندازه­گیری غلظت یون کلسیم در محلول . 51

3-7-2- اندازه­گیری غلظت یون کربنات.......... 52

3-7-3- اندازه­گیری غلظت یون کلرید........... 52

3-7-4- اندازه­گیری غلظت یون سولفات.......... 52

3-7-5- اندازه گیری غلظت یون سدیم........... 53

3-7-6- اندازه گیری غلظت یون آهن............ 53

3-7-7- اندازه­گیری غلظت یون منیزیم.......... 53

3-8- محاسبه­ی فوق اشباعیت..................... 54

3-9- آنالیز فاز گاز.......................... 55

3-9-1- اندازه­گیری میزان دی­اکسید کربن در مخلوط گاز سنتزی 55

 فصل چهارم: مدل سازی

4-1- معادله­ی موازنه­ی جمعیت فرایند ترسیب...... 58

4-2- معادلات سینتیکی برای ترسیب............... 60

4-2-1- هسته­سازی............................ 60

4-2-2- رشد ذرات............................ 62

4-2-3- توابع تولد و مرگ.................... 63

4-3- محاسبه­ی جرم کل کریستال­ها و معادله­ی موازنه ی جرم 64

4-4- محاسبه­ی توزیع تجمعی، حجم متوسط ذرات و دانسیته­ی جمعیت 65

4-5- حل معادلات مدل­سازی...................... 66

4-6- داده­های آزمایشگاهی...................... 68

4-7- محاسبات اولیه........................... 68

4-8- حل معادله­ی موازنه­ی جمعیت در برنامه ..... 68

4-9- بهینه­سازی پارامترهای سینتیکی............ 69

4-9-1- تابع هدف............................ 69

 عنوان صفحه

 4-10- روش بهینه­سازی الگوریتم ژنتیک........... 70

4-11- الگوریتم برنامه........................ 71

 فصل پنجم: نتایج و بحث

5-1- تغییرات pH آزمایش­ها..................... 75

5-2- عکس­های SEM (تاثیر غلظت دی­اکسیدکربن بر روی شکل­های کریستالی کربنات کلسیم)............................... 79

5-3- تاثیر دی اکسیدکربن بر روی میزان رسوب و اندازه­ی ذرات 84

5-4- نمودارهای XRD (تاثیر غلظت دی اکسید کربن بر میزان گونه­های رسوب)....................................... 91

5-5- تعیین پارامترهای سینتیکی............... 98

5-6- صحت مدل................................ 100

5-7- حساسیت مدل............................. 105

 فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات

6-1- نتیجه­گیری.............................. 109

6-2-پیشنهادات............................... 110

 فهرست منابع................................... 111

پیوست......................................... 115

پیوست 1- سرعت رشد........................... 115

پیوست 2 – برنامه کامپیوتری.................. 116

 فهرست جدول­ها

 عنوان و شماره صفحه

جدول 1: ثوابت سرعت رشد برای کلسیت و واتریت.... 33

جدول 2: شرایط عملیاتی راکتور.................. 36

جدول 3: آنالیز جریان دورریز واحد صنعتی سودا اش40

جدول 4: مقادیر K مورد استفاده در معادله­ی(3-6) برای محاسبه­ی قطر ذرات در آنالیز هیدرومتری...................... 45

جدول 5: مقادیر L (عمق موثر) مورد استفاده در رابطه­ی استوکس 49

جدول 6: ضرائب تصحیح صفر....................... 50

جدول 7: مهم­ترین توابع بیان ضریب چسبندگی....... 64

جدول 8: جزء مولی هر یک از گونه‌های کربنات کلسیم در رسوب نمونه­ی خالص.......................................... 97

جدول 9: جزء مولی هر یک از گونه‌های کربنات کلسیم در رسوب نمونه­ی صنعتی......................................... 98

جدول 10: مقادیر پارامتر‌های موجود در معادلات سرعت رشد، هسته‌سازی و چسبندگی برای کربنات کلسیم در نمونه­ی خالص ..... 99

جدول 11: مقادیر پارامتر‌های موجود در معادلات سرعت رشد، هسته‌سازی و چسبندگی برای کربنات کلسیم در نمونه­ی صنعتی .... 99

جدول 12: خطای AARD بین پیش بینی‌های مدل و نتایج آزمایشگاهی در پایان فرآیند ترسیب کربنات کلسیم نمونه­ی خالص به منظور تخمین میزان اعتبار مدل.................................... 103

جدول 13:خطای AARD بین پیش بینی‌های مدل و نتایج آزمایشگاهی در پایان فرآیند رشد کربنات کلسیم نمونه ی صنعتی به منظور تخمین میزان اعتبار مدل.................................... 105

 فهرست شکل­ها

 عنوان صفحه

شکل 1- به دام انداختن دی­اکسید کربن در سه سیستم. 4

شکل 2- مراحل رشد کریستال...................... 13

شکل 3-فرایند تولید سودااش به روش Solvay......... 18

شکل­ 4- تولید فسفات کلسیم- فسفات منیزیم....... 21

شکل 5- تولید گچ آرایشی، دارویی و بهداشتی.... 22

شکل 6-تولید گچ............................... 23

شکل 7- استفاده از دورریز واحد تقطیر.......... 25

شکل 8 - شماتیک کلی راکتور ترسیب............... 37

شکل 9- نمودار توزیع اندازه­ی ذرات اولیه برای فرآیند رشد 38

شکل 10- شماتیک دستگاه آزمایشگاهی.............. 39

شکل 11-ابعاد و قسمت‌های مختلف یک هیدرومتر..... 47

شکل 12-شماتیک کلی از دستگاه ارست............. 56

شکل­ 13- فلوچارت بهینه­سازی مدل ترسیب کربنات کلسیم72

شکل­ 14- فلوچارت محاسبه تابع هدف.............. 73

شکل 15- تغییرات pH نمونه­ی خالص 20 درصد حجمی CO₂با زمان 75

شکل ­ 16 - تغییرات pH نمونه­ی خالص 15 درصد حجمی CO₂با زمان76

شکل 17 - تغییرات pH نمونه­ی خالص 10 درصد حجمی CO₂با زمان 76

شکل­ 18 - تغییرات pH نمونه­ی خالص 5 درصد حجمی CO₂با زمان 76

شکل 19 - تغییرات pH نمونه­ی صنعتی 20 درصد حجمی CO₂ با زمان 76

شکل20 - تغییرات pH نمونه­ی صنعتی 15 درصد حجمی CO₂ با زمان 78

شکل21 - تغییرات pH نمونه­ی صنعتی 10 درصد حجمی CO₂ با زمان 78

شکل22 - تغییرات pH نمونه­ی صنعتی 5 درصد حجمی CO₂ با زمان 79

شکل 23-کربنات کلسیم استفاده شده به عنوان دانه­های اولیه 79

شکل24- رسوب کربنات کلسیم به­دست آمده از نمونه­ی صنعتی در 5 درصد حجمی دی­اکسیدکربن ............................. 80

شکل 25- رسوب کربنات کلسیم به­دست آمده از نمونه­ی صنعتی در 10 درصد حجمی دی­اکسیدکربن ............................. 80

شکل 26- رسوب کربنات کلسیم به­دست آمده از نمونه­ی صنعتی در15 درصد حجمی دی­اکسیدکربن ............................. 81

شکل­ 27- رسوب کربنات کلسیم به­دست آمده از نمونه­ی صنعتی در 20 درصد حجمیدی­اکسیدکربن .............................. 81

شکل 28- رسوب کربنات کلسیم به­دست آمده از نمونه­ی خالص در 5 درصد حجمی دی­اکسیدکربن ............................. 81

شکل 29- رسوب کربنات کلسیم به­دست آمده از نمونه­ی خالص در 10 درصد حجمی دی اکسیدکربن ............................ 82

شکل 30- رسوب کربنات کلسیم به­دست آمده از نمونه­ی خالص در15 درصد حجمی دی-اکسیدکربن ............................ 82

شکل 31- رسوب کربنات کلسیم به­دست آمده از نمونه­ی خالص در 20 درصد حجمی دی­اکسیدکربن ............................. 82

شکل32 - ذرات نانو تولید شده در غلظت 20 درصد حجمی دی اکسید کربن در حالت نمونه­ی خالص........................... 83

شکل 33 - جرم تولیدی برای نمونه­ی خالص.......... 84

شکل 34 - جرم تولیدی برای نمونه­ی صنعتی......... 84

شکل 35- توزیع تجمعی اندازه‌ی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در حالت خالص در میانه و انتهای فراینددر حالت 5درصد حجمی دی­اکسید کربن 86

شکل 36- توزیع تجمعی اندازه‌ی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در حالت خالص در میانه و انتهای فرایند در حالت 10درصد حجمی دی­اکسید کربن .............................................. 86

شکل 37-توزیع تجمعی اندازه‌ی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در حالت خالص در میانه و انتهای فرایند در حالت 15 درصد حجمی دی­اکسید کربن .............................................. 87

شکل 38- توزیع تجمعی اندازه‌ی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در حالت خالص در میانه و انتهای فرایند در حالت 20 درصد حجمی دی­اکسید کربن .............................................. 87

شکل 39- توزیع تجمعی اندازه‌ی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در حالت نمونه ی صنعتی در میانه و انتهای فرایند در حالت 5 درصد حجمی دی اکسید کربن.................................... 88

شکل40- توزیع تجمعی اندازه‌ی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در میانه و انتهای فراینددر حالت 10 درصد حجمی دی­اکسید کربن نمونه­ی صنعتی 88

شکل 41- توزیع تجمعی اندازه‌ی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در میانه و انتهای فراینددر حالت 15 درصد حجمی دی اکسید کربن نمونه­ی صنعتی89

شکل 42- توزیع تجمعی اندازه‌ی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در میانه و انتهای فراینددر حالت 20 درصد حجمی دی اکسید کربن نمونه­ی صنعتی89

شکل 43- قطر متوسط ذرات محصول کربنات کلسیم در برابر غلظت­های مختلف دی اکسید کربن در جریان هوا برای نمونه خالص (a) و دورریز واحد صنعتی(b)................................. 91

شکل 44- منحنی دستگاه XRD برای رسوب نمونه­ی خالص در غلظت 5 درصد حجمی دی­اکسیدکربن.............................. 93

شکل ­ 45- منحنی دستگاه XRD برای رسوب نمونه­ی خالص در غلظت 10 درصد حجمی دی­اکسیدکربن ............................. 93

شکل 46- منحنی دستگاه XRD برای رسوب نمونه­ی خالص در غلظت 15 درصد حجمی دی­اکسید کربن............................. 94

شکل­ 47- منحنی دستگاه XRD برای رسوب نمونه­ی خالص در غلظت 20 درصد حجمی دی­اکسیدکربن ............................. 94

شکل 48- منحنی دستگاه XRD برای رسوب نمونه­ی صنعتی در غلظت 5 درصد حجمی دی­اکسیدکربن ............................. 95

شکل 49- منحنی دستگاه XRD برای رسوب نمونه­ی صنعتی در غلظت 10 درصد حجمی دی­اکسیدکربن......................... 95

شکل 50- منحنی دستگاه XRD برای رسوب نمونه­ی صنعتی در غلظت 15 درصد حجمی دی­اکسیدکربن ............................. 96

شکل51- منحنی دستگاه XRD برای رسوب نمونه­ی صنعتی در غلظت 20 درصد حجمی دی­اکسیدکربن.............................. 96

شکل52- منحنی‌های کالیبراسیون برای آنالیز پیک‌های XRD برای کربنات کلسیم......................................... 97

شکل53 - نتایج پیش بینی مدل و توزیع اندازه‌ی آزمایشگاهی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در نمونه­ی خالص در پایان فرآیند با غلظت دی­اکسید کربن 5 درصد حجمی...................... 100

شکل ­ 54- نتایج پیش بینی مدل و توزیع اندازه‌ی آزمایشگاهی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در نمونه­ی خالص در پایان فرآیند با غلظت دی­اکسید کربن 10 درصد حجمی..................... 101

شکل 55- نتایج پیش بینی مدل و توزیع اندازه‌ی آزمایشگاهی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در نمونه­ی خالص در پایان فرآیند با غلظت دی­اکسید کربن 15 درصد حجمی..................101

شکل 56- نتایج پیش بینی مدل و توزیع اندازه‌ی آزمایشگاهی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در نمونه­ی خالص در پایان فرآیند با غلظت دی­اکسید کربن 20 درصد حجمی..................... 102

شکل 57- نتایج پیش بینی مدل و توزیع اندازه‌ی آزمایشگاهی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در نمونه­ی صنعتی در پایان فرآیند با غلظت دی اکسید کربن 5 درصد حجمی ، نشان دهنده اعتبار مدل103

شکل 58- نتایج پیش بینی مدل و توزیع اندازه‌ی آزمایشگاهی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در نمونه­ی صنعتی در پایان فرآیند با غلظت دی­اکسید کربن 10 درصد حجمی، نشان دهنده اعتبار مدل 104

شکل 59- نتایج پیش بینی مدل و توزیع اندازه‌ی آزمایشگاهی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در نمونه­ی صنعتی در پایان فرآیند با غلظت دی­اکسید کربن 15 درصد حجمی ، نشان دهنده اعتبار مدل 104

شکل 60-نتایج پیش بینی مدل و توزیع اندازه‌ی آزمایشگاهی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در نمونه­ی صنعتی در پایان فرآیند با غلظت دی­اکسید کربن 20 درصد حجمی ، نشان دهنده اعتبار مدل..... 105

شکل 61- حساسیت تابع هدف به تغییرات ضریب چسبندگی در اطراف نقطه بهینه و ثابت بودن بقیه پارامتر­ها مطابق جدول 11برای حالت نمونه­ی خالص و غلظت 5 درصد حجمی دی اکسیدکربن ......... 106

شکل 62- حساسیت تابع هدف به تغییرات ضریب رشد در اطراف نقطه بهینه و ثابت بودن بقیه پارامتر­ها مطابق جدول 11 برای حالت نمونه­ی خالص و غلظت 5 درصد حجمی دی اکسیدکربن.......... 106

شکل 63- حساسیت تابع هدف به تغییرات ضریب هسته سازی در اطراف نقطه بهینه و ثابت بودن بقیه پارامتر­ها مطابق جدول 11 برای حالت نمونه­ی خالص و غلظت 5 درصد حجمی دی اکسیدکربن... 107

شکل 64- حساسیت تابع هدف به تغییرات توان فوق اشباعیت در هسته­سازی در اطراف نقطه بهینه و ثابت بودن بقیه پارامتر­ه مطابق ......................................................................................108

 فهرست نشانه­های اختصاری

فاکتور برخورد	cm3s	A
ثابت دبای هوکل	(-)	ADH
درجه تابعیت سرعت رشد خطی نسبت به فوق اشباعیت	(-)	a
اکتیویته‌ی واحد رشد i ام در محلول اشباع	(mole ( kg H2O)-1)	ai,eq
سرعت هسته‌سازی در واحد جرم محلول	(s-1 (g solution)-1)	B°
سرعت هسته سازی همگن سرعت هسته سازی ناهمگن	(s-1 (g solution)-1) (s-1 (g solution)-1)	B0hom B0het
افزایش تعداد ذرات در اثر چسبیدن ذرات کوچکتر به همکوچکتر بهم	((g solution)-1 s-1 µm-1)	B(L,t)
درجه سرعت هسته‌سازی نسبت به فوق اشباعیت	(-)	b
فوق اشباعیت	(g l-1)	ΔC
تصحیح حرارتی هیدرومتر	(cm)	Ct
تصحیح صفر هیدرومتر	(cm)	Cd
غلظت گونه	(g l-1)	Ci
تابع کرنل	(g solution -1μm-3 s-1)	C
کاهش تعداد ذرات در اثر برخورد	((g solution)-1 s-1 µm-1)	D(L,t)
اندازه متوسط ذرات	(µm)	d
اندازه ذره i ام	(µm)	di
قطر ذره در آزمایش هیدرومتری	(mm)	D
انرژی فعالیت رشد	(J mol-1)	ΔEg
انرژی فعالیت هسته‌سازی	(J mol-1)	ΔEN
سرعت خطی رشد کریستالها	(µm s-1)	G
سرعت رشد هسته‌ها	(µm s-1)	G°
وزن مخصوص ویژه	(-)	Gs
مقاومت یونی	(mol m-3)	I
ثابت سرعت هسته‌سازی	(µm s-1 (g l-1)-2)	K
ثابت نرخ تجمع	(g solution -1μm-3 s-1)	kc
ثابت سرعت رشد خطی	(μm s-1)	kG
ثابت سرعت	(μm s-1(g l-1)-2 )	Kg
ثابت آرنیوس در معادله سرعت رشد	(μm s-1)	KG0
ثابت سرعت هسته‌سازی	(g crystal s-1)	kN
ثابت آرنیوس در معادله سرعت هسته‌سازی	(g crystal s-1)	kN0
ثابت ضریب حجمی‌	(-)	kv
اندازه کریستال	(µm)	L
تغییر اندازه کریستال	(µm)	dL
فاصله از بالای هیدرومتر تا سطح سیال	(cm)	L1
طول حباب هیدرومتر	(cm)	L2
طول فرورفتگی هیدرومتر	(cm)	L
دانسیته ماگمای درون کریستالیزر	(g crystal (g solution)-1)	MT
جرم کریستال	(g crystal (g solution)-1)	M
جرم کریستال	(g crystal (g solution)-1)	Mexp
درجه سرعت هسته‌سازی نسبت به دانسیته ماگما	(-)	m
تعداد کل کریستال‌ها	(g solution-1)	N
دانسیته جمعیت ذرات با اندازه L	((g solution)-1 µm-1)	n(L,t)
دانسیته‌ی تعدادی ذرات	cm-3 µm-3	nk
تعداد دفعات اندازه­گیری فوق اشباعیت	(-)	Ns
تعداد بازه­های در نظر گرفته شده برای توزیع ذرات	(-)	Ne
علامت‌ لگاریتم‌ منفی‌ برای‌ غلظت‌ یون‌ هیدروژن‌برحسب‌ گرم‌ اتم‌ درهر لیتر	(-)	pH
دبی جریان ورودی یا خروجی	( m3 s-1)	Qk
ثابت عمومی‌گازها	(J mol-1 K-1)	R
فوق اشباعیت	(-)	S
فوق اشباعیت آزمایشگاهی	(-)	Sexp
مساحت سطح کریستال‌ها در سوسپانسیون	(μm3)	s
قرائت نهایی هیدرومتر	(cm)	Rc2
قرائت منیسک	(cm)	Rc1
قرائت استوانه نمونه	(cm)	R
قرائت چگالی سنج	(cm)	Ra
قرائت اصلاح شده	(cm)	Rc
زمان	(s)	t
دما	(K)	T
حجم یک ذره کریستال	(μm3)	u
حجم ذره	(μm3)	up
حجم کریستالیزور	(m3)	V
حجم حباب هیدرومتر	cm3	Vb
حجم یک ذره کریستال	(μm3)	v
حجم یک ذره با اندازه‌ی	(μm3)	vi
حجم یک ذره	(μm3)	vp
حد نهایی حجم بزرگترین ذره کریستال	(μm3)	vmax
کوچکترین حجم قابل اندازه گیری کریستال‌ها	(μm3)	vmin
وزن پیکنومتر	(N)	WF
وزن پیکنومتر و آب درون آن	(N)	Wa
وزن مخلوط درون هیدرومتر بعد از رسیدن به دمای اولیه	(N)	Wb
کسر جرمی ذرات	(-)	wi
کشش بین سطحی	(N m-1)	γ
ضریب اکتیویته‌ی یون دو ظرفیتی	(-)	γ2
ضریب اکتیویته­ی گونه	(-)	γi
غلظت مولال	(mole ( kg H2O)-1)	[ ]
حروف یونانی
درجه­های سینتیکی کاتیون در واکنش یونی	(-)	α
درجه­ی سینتیکی آنیون در واکنش یونی	(-)	β
عملگر دیفرانسیل	(-)	Δ
دانسیته ذرات	((g cm-3	ρ
فوق اشباع نسبی	(-)	σ
فوق اشباع نسبی سطحی	(-)	iσ
نسبت فوق اشباع	(-)

فصل اول

مقدمه

  1-1- اهمیت تحقیق

 تغییرات آب و هوایی به علت گازهای گلخانه­ای منتشر شده به اتمسفر افزایش یافته است. دی­اکسید ­کربن معروف­ترین گاز گلخانه­ای است که با توجه به وابستگی اقتصاد جهانی به سوخت­های فسیلی به عنوان منبع انرژی، باعث افزایش انتشار این گاز به اتمسفر شده است.تکنولوژی CCS ^[1]، تکنولوژی است که غلظت دی­اکسید ­کربن را در اتمسفر تثبیت می­کند و شامل سه مرحله­ی به دام انداختن دی­اکسید ­کربن در نقطه تولید، تحت فشار قرار دادن آن به صورت SCF ^[2]و ذخیره­سازی است )et al., 2011.( Pires دی­اکسید ­کربن در منبع تولید مثل نیروگاه، کارخانه سیمان و غیره توسط روش­هایی مثل جذب گاز،جذب سطحی،جداسازی توسط غشا و تقطیر برودتی جداسازی می­گردد.

فرایند تولید سودا اش شامل واحدهایی از قبیل واحد سودای سبک، سودای سنگین، جوش ­شیرین، کلسیناسیون، کمپرسور­ها، فیلتراسیون، کوره­های آهک، شیر آهک، کربناسیون، بازیابی آمونیاک، تصفیه نمک و جذب آمونیاک می­باشد. در واحد بازیابی آمونیاک، برجی به صورت پوسته و لوله وجود دارد که در آن واکنش (1-1) در دمای بالا جهت جداسازی گاز آمونیاک از کلرید ­آمونیوم محلول در حضور شیر آهک انجام می گیرد:

 (1-1) NH₄Cl+Ca(OH)₂→CaCl₂+NH₃+H₂O

 خروجی این برج، بخار با دمای پایین، گاز آمونیاک و کلرید کلسیم محلول با آب است. بخار به واحد نیروگاه انتقال داده می­شود و کلرید کلسیم محلول به منظور جداسازی گاز آمونیاک به برج تقطیرانتقال داده می­شود. گاز آمونیاک به بالای برج راهی شده و کلرید کلسیم عاری از گاز آمونیاک از برج خارج شده و به وسیله­ی یک پمپ به یک مخزن انتقال داده می­شود و در نهایت به سمت پساب­های خارج از کارخانه انتقال می­یابد. در این مطالعه سعی می­شود از دو جریان دورریز (دی اکسید کربن خروجی از کارخانجات و جریان دورریز واحد تولید سودااش) محصول کربنات کلسیم تولید شود. محصول با ارزش کربنات­ کلسیم در صنایع کاغذ­سازی، دارویی، پزشکی و غیره کاربرد دارد. در این پژوهش مطالعات آزمایشگاهی تاثیر غلظت دی­اکسید­کربن خروجی از کارخانجات بر روی ترسیب کربنات کلسیم و مطالعات سینتیکی ترسیب کربنات­ کلسیم و سرعت هسته سازی، رشد و چسبندگی ذرات کربنات کلسیم تولیدی در غلظت­های مختلف دی­اکسید کربن در گازهای خروجی از واحد^[3] بررسی می­شود.

  1-2- تکنولوژی CCS

 تکنولوژی CCS غلظت دی­اکسید کربن را در اتمسفر تثبیت می­کند و شامل سه مرحله­ی به دام انداختندی­اکسید کربن در نقطه تولید، تحت فشار قرار دادن آن به صورت SCF و ذخیره سازی است. CCS فرایندهای بیوتکنولوژی مثل استفاده از درختان یا ریز جلبک­ها^[4] برای حبس دی­اکسید کربن را نیز دربر می­گیرد.

دی­اکسید کربن در منبع تولید (مثل نیروگاه، کارخانه سیمان و غیره) توسط روش­های جذب گاز، جذب سطحی، جداسازی توسط غشا و تقطیر برودتی جداسازی می­گردد، سپس مخلوط گاز حبس شده به صورت مایع فشرده می­شود و سیال فوق بحرانی توسط خطوط لوله یا کشتی به مکانی که باید ذخیره شود، منتقل می­شود و به صورت زمینی، ذخیره سازی در اقیانوس و تبدیل به ماده معدنی ذخیره می­شود .( Pires et al., 2011)

 1-2-1- سیستم­های به دام انداختن دی­اکسیدکربن

 به دام انداختندی­اکسید کربن بر روی سه سیستم متفاوت انجام می­شود:

1) سیستم­های پیش احتراق^[5]

2) سیستم­های پس احتراق^[6]

3) سیستم­های سوخت اکسیژنی^[7]

شکل شماره 1 این سه سیستم را به صورت شماتیک نشان می­دهد.