بهینهسازی شرایط عملیاتی در یک سیستم اولترافیلتراسیون غشایی با استفاده از روش تاگوچی

108 شماره 79 بهینهسازی شرایط عملیاتی در یک سیستم اولترافیلتراسیون غشایی با استفاده از روش تاگوچی 2 فاطمه رکابدار 1 * علی قشالقی 1 محمود همتی 1 امین ریحانی 2 و فروغ رجایی 1- پژوهشکده علوم و تکنولوژی پلیمر پژوهشگاه صنعت نفت تهران ايران 2- دانشکده مهندسی شیمی و نفت دانشگاه صنعتی شریف تهران ايران سال بيست و چهارم شماره 79 صفحه 108-119 1393 تاريخ دريافت مقاله: 91/8/10 تاريخ پذيرش مقاله: 92/3/12 چكيده در این تحقیق عملکرد یک غشای پلیمری تحت فرآیند اولترافیلتراسیون آب تولید شده همراه نفت با استفاده از یک فرآیند دو مرحلهای مورد بررسی قرار گرفت. در مرحله اول تاثیر پارامترهای عملیاتی مانند اختالف فشار دو طرف غشاء دما و سرعت جریان عرضی خوراک بر روی میزان افت فالکس ناشی از گرفتگی غشا در طول فرآیند مورد مطالعه قرار گرفت. برای طراحی آزمایشات و بهینهسازی نتایج آزمایشگاهی از آرایه L 9 روش تاگوچی استفاده شد. برای تعیین مهمترین متعامد ( 3 )3 پارامترهای موثر بر درصد افت فالکس ناشی از گرفتگی غشاء روش آنالیز واریانس مورد استفاده قرار گرفت. شرایط بهینه در سطح اول فشار bar( 1/5( سطح دوم درجه حرارت )C 40( o و سطح سوم سرعت جریان عرضی m/s( 1( به دست آمد. در مرحله دوم عملکردسیستم اولترافیلتراسیونتوسطغشایپلیمری تحت شرایط بهینه بررسی شد و میزان پسزنی روغن و گریس TSS کدورت و TOC به ترتيب برابر %99 %100 %99 و %68 دست آمد. همچنین اندازه ذرات موجود در خوراک از محدوده 200-800 nm به 1/5-0/3 nm کاهش یافت. * مسؤول مكاتبات rekabdarf@ripi.ir آدرس الكترونيكي واژههاي كليدي: آب تولید شده همراه نفت اولترافیلتراسیون بهینهسازی تاگوچی غشای پلیمری مقدمه فرآیندهای پتروشیميايی پاالیش نفت و تولید گاز طبیعی و روغن همواره مقدار زیادی آب فاضالب محتویات روغن نمک فلزات سنگین و دیگر اجزای آلی تولید میکنند ]1[. اثرات و طبیعت سمی اين تركيبات بر روی محیط زیست ایجاب میکند که قبل از انتشار تصفیه شوند که براي این منظور روشهاي مختلفي از جمله تصفیه بیولوژیکی جذب سطحی و شناورسازی هوای محلول وجود دارد ]2[. روشهای تصفیه قدیمی نیازمند مصرف زیاد انرژی و یا به کارگیری مواد شیمیایی زیادی میباشند که منجر به کاهش بازدهی و افزایش هزینهها میشود. چهار روش فیلتراسیون غشایی برای تصفیه وجود دارد كه عبارتند از: میکرو فیلتراسیون )MF( ] 3 و 4 [ اولترافیلتراسیون )UF( ]4[ نانوفیلتراسیون )NF( و اسمز معکوس )RO( ]5[.

109 عملیاتی... شرایط بهینهسازی باال حذف راندمان دلیل به غشایی فیلتراسیون فرآیندهای تولید آبهای تصفیه در کمتر هزینههای و آسان عملیات این وجود این با ]6[. میشوند استفاده نفت همراه شده دارد غلظتی پالریزاسیون و گرفتگی همچون معایبی روش با را فشار افت میتوان میشود. فالکس افت باعث که سرعت و ph فشار دما همچون عملیاتی شرایط تنظیم قبولی قابل کارهای زمینه این در اگرچه ]7[. نمود کنترل عوامل و شرایط تغییر به محدود ولی است دسترس در تأثیر گرفتن نظر در بدون غشایی فیلتراسیون ميباشند. نتایج به منجر میتواند که هم روی بر مختلف عوامل حل راه یک میآید. نظر به پیچیده فرآیندی شود اشتباهی عوامل مختلف حاالت کل ترکیب مسأله این برای مطمئن وقت روش این از استفاده حال این با ميباشد. یکدیگر با ورودی متغیرهای افزایش با زیرا است. پرهزینه و گیر نتیجه در میرود. باال سرعت به نياز مورد آزمایشات تعداد تعداد با که میباشد آزمایش طراحی از استفاده جایگزین روش 9[. و ]8 میآید دست به مشابه نتایجی آزمایش كمتر بهینه فرآیند ویژگیهای یافتن منظور به تاگوچی روش کار به برساند حداقل به را اختالالت به حساسیت که تعداد با پارامترها تاثیر بررسی منظور به روش این میرود. آزمایشات ]6[. میگیرد قرار استفاده مورد کمتر آزمایشات به سیستماتیک رسیدن نحوه تاگوچی روش به شده طراحی همکاران و پور حسام ]10[. مینمايد فراهم را بهینه شرایط یک اولترافیلتراسیون فرآیند مورد در آزمایش 18 ]11[ تاگوچی روش از استفاده با آب در نفت امولسیون نمونه شرایط تحت غشاء از نفوذی شار بررسی به و دادند انجام جریان سرعت نفت غلظت ph جمله از عملیاتی مختلف پرداختند. CaCl 2 و NaCl نمکهای غلظت و دما خوراک بهینه شرایط بود. سطح سه دارای عوامل از یک هر طح س ینترین ای پ ر د روغن و نمک ی ا غلظته که ی ام نگ ه دما و,%(ا 5.0 ( v/v( و NaCl ا 0 = g/lا CaCl 2 =0 g/l( باالترین در جریان سرعت و غشاء طرف دو فشار اختالف جریان سرعت و 3/5 bar فشار 40 o C )دما بودند سطح ]2[ همکاران و پور رضوان آمد. دست به 3/2( m/s خوراک درون روغن میزان فشار غشاء جنس تاثیرات فیلتراسیون اولترا روی بر را ph و خوراک جریان سرعت دریافتند آنها کردند. مطالعه آب در سفید نفت از امولسیونی به رسیدن منظور به که است عاملی مهمترین غشاء جنس که فیلتراسیون اولترا فرآیند روی بر عبوری فالکس بیشترین روغن غلظت 3 bar فشار بهینه شرایط در میگذارد. تأثیر برابر عبوري فالکس مقدار C30F غشای و حجمي % 3 آمد. دست به 108 L/m 2 hا. فالکس کاهش بر مؤثر پارامترهای بررسی به تحقیق این در فرآیند توسط نفت همراه شده تولید آب تصفیه برای عبوری پرداخته پلیمری غشای یک از استفاده با اولترافیلتراسیون و غشاء طرف دو فشار اختالف دما عامل سه است. شده ترکیبی یافتن هدف شدند. انتخاب عرضی جریان سرعت افت میزان کمترین به منجر که هاست پارامتر این سطوح از به و تاگوچی روش از استفاده با بهینه شرایط شود. فالکس )S/N or signal to noise( کارگیرینسبتسیگنالبهاغتشاش واریانس آنالیز میآید. دست به تجربی نتایج از حاصل استفاده اشاره مورد عوامل اهمیت میزان تعیین جهت شرایط تحت مدت طوالنی آزمایش یک عالوه به شد. کل معلق جامدات گریس و نفت حذف برای بهینه جهت کدورت و )TOC( کل آلی اجزای )TSS( ایران زدایی نمک واحدهای از یکی انتظارات برآوردن گرفته صورت فیلتر اولترا پلیمری غشای از استفاده با تصفیه پساب در ذرات اندازه توزیع نهایت در است. برای 0/1 μ از کمتر اندازهای به رسیدن منظور به شده نمکزدایی واحد برای نیازی عنوان به شوندهها حل شد. اندازهگیری روشها و مواد غشاء شکل مستطیل صفحهای )PAN )350 پلیمری غشای یک متحده ایاالت sepro شرکت از که 66/15 cm 2 مساحت با گرفت. قرار استفاده مورد مطالعه این در شده خریداری ویژگیهای و دارد باالیی دوستی آب میزان غشاء این است. آمده 1 جدول در غشا شرکتی میکروسکوپ توسط را غشاء ساختار تصویر شکل 1 میدهد. نشان الکترونی

79 شماره 110 PAN 350 غشای شرکتی مشخصات جدول 1 - مشخصات توضیحات PAN 350 صنعتی نام دهنده تشکیل ماده (PAN( اکریلونیتریل پلی 20 MWCO * (kda( 1000 )L/m 2.h.bar( مقطر آب فالکس 3-10 ph محدوده 3-10 )شستشو( ph محدوده 100 ) o C( ماکزیمم دمای 44 )درجه( تماس زاویه برش مولکولی جرم * الف ب جانبی سطح ب( و مقطع سطح الف( نو PAN 350 غشای 1 الکترونی تصویرمیکروسکوپ شکل 1 - غشاء این میشود مالحظه )ب( 1 شكل در که همانطور نشان تصویر این است. دوالیهای و مرکب ساختار دارای روی بر انتخابپذیر عنوان به باالیی نازک الیه که میدهد دارد. قرار میکند عمل نگهدارنده عنوان به که زیرین الیه فرآیند خوراک یکی به مربوط آزمایشات در رفته کار به نفتی پساب حاوی که میباشد ایران در زدایی نمک واحدهای از ا 108 ( اTOCا mg/l( TSSا 42( mg/l( گریس و نفت محدوده میباشد. ph= 8/5 و 90 کدورت با 109( mg/l( وجود که است 200-800 nm خوراک ذرات اندازه توزیع ]12[. میکند تأیید را خوراک در محلول روغنهای غشایی سامانه را اولترافیلتراسیون آزمایشگاهی سیستم شماتیک شکل 2 داخل به خوراک مخزن در موجود پساب میدهد. نشان فشار و عرضی جریان سرعت میشود. پمپ غشایی مدول موجود فلومترهای و مدول به ورودی شیرهای با نیاز مورد پارامترهای از یکی نیز دما میگردد. تنظیم جریان مسیر در سیستم یک و سردکننده سیستم یک لذا میباشد کنترلی فالکس وزن است. شده تعبیه خوراک مخزن در گرمکننده و میشود اندازهگیری دیجیتالی ترازوی توسط تراوشی داخل به برگشتی جریان یک توسط نشده تصفیه خوراک برمیگردد. خوراک مخزن تاگوچی روش مبنای بر آزمایش طراحی طراحی جمله از مرحله چندین شامل تاگوچی روش S/N نسبت از استفاده آزمایشات انجام آزمایشات ماتریس تایید و شرایط بهینهسازي واریانس آنالیز نتایج آنالیز برای میباشد. شده انتخاب بهینه نقطه اطمینان میزان 1. SEM Image

111 بهینهسازی شرایط عملیاتی... جریان تراوشی جریان پسماند PI جریان برگشتی همزن H LS مدول غشایی ترازوی دیجیتالی تانگ خوراک گرمکن S TIC LS L PI پمپ شکل 2 - شماتیک سیستم فیلتراسیون غشایی در این تحقیق با توجه به مقاالت سه فاکتور فشار دما و سرعت جریان عرضی به عنوان پارامترهای کنترلی در سه سطح به شرح زير انتخاب شدند ]6 و 11[: فشار: 3 1/5 و.5 bar دما: 40 25 و.55 o C سرعت جریان عرضی: 0/75 0/5 و 1. m/s در روش تاگوچی از یک آرایه متعامد و طراحی آزمایش فاکتوریلی جزئی برای کاهش آزمایشات استفاده میشود. كاربرد این آرایه سبب میشود که تعداد آزمایشات به 9 کاهش یابد در صورتی که تعداد کل آزمایشات 27 L 9 روش تاگوچی شامل میباشد. آرایه متعامد ( 3 3( 9 آزمایش برای سه فاکتور با سه سطح میباشد که در جدول 2 گزارش شده است. این آرایه دارای 8 درجه آزادی بوده و هر یک از فاکتورها 2 درجه آزادی دارند. اگر N و k A به ترتیب تعداد کل آزمایشات و تعداد سطوح فاکتورها باشند درجه آزادی کل برابر است با 1-N و درجه آزادی.k A هر فاکتور برابر است با 1- در روش تاگوچی سیگنال و اغتشاش بیان کننده مقادیر مطلوب و نامطلوب پارامترهای پاسخ میباشد. نسبت S/N مقادیر پاسخ حاصل از نتایج آزمایشگاهی برای یافتن شرایط بهینه به کار برده میشود. از آنجا که کمترین میزان افت فالکس مدنظر میباشد از معیار "در شرایط کوچکتر مطلوبتر" برای یافتن نقطه بهینه استفاده شده است. بنابراین مقادیر S/N از رابطه زیر محاسبه میشود :]13[ )1( Y i مقدار پارامتر پاسخ )در که n تعداد تکرار آزمایشات و اینجا افت فالکس( میباشد. آنالیز واریانس آنالیز واریانس به منظور محاسبه میزان اهمیت پارامترهای کنترلی انجام شد. نتایج تحلیل آنالیز واریانس معموال به صورت جدولی شامل مجموع مربعات درجه آزادی و میانگین مربعات )واریانس( هر عامل و خطا پارامتر آماری معنیدار F-ratio برای هر عامل و درصد سهم هر عامل در پاسخ )P%( ارائه میشود. آنالیز واریانس ابزار قدرتمندی جهت تشخيص معنیدار بودن اثرات است كه به طور گسترده در تحليلهای آماری به كار گرفته میشود ]14 و 15[.

79 شماره 112 بحث و نتایج تاگوچی نتایج را )دقیقه( زمان حسب بر عبوري فالکس افت )3( شکل آزمايشهايي تمام براي اولترافيلتراسيون فرآيند طول در گرفته انجام جدول 2 تاگوچي روش L 9 آرايه اساس بر که ميشود مشاهده شکل 3 در که همانطور ميدهد. نشان )%56( فيلتراسيون طول در فالکس کاهش درصد باالترين آزمايش 2 در )%28( فالکس کاهش کمترين و 9 آزمايش در )J i ( اوليه فالکسهاي مقادير 3 جدول در است. افتاده اتفاق گرفتگي از ناشي فالکس افت شده تراوش J( f ( نهايي و از سري هر براي شده محاسبه S/N نسبتهاي و غشاء است. شده ارائه آزمايشات عبوری فالکس )Lit/m 2.h( 220 200 180 160 140 120 100 80 4 آزمایش 5 آزمایش 6 آزمایش 0 10 20 30 40 50 60 زمان )min( عبوری فالکس )Lit/m 2.h( 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50.]15-13[ تاگوچی روش L 9 متعامد آرایه جدول 2-0 1 آزمایش 1 آزمایش 2 آزمایش 2 آزمایش 3 آزمایش 3 آزمایش 10 20 30 40 50 60 زمان )min( )m/s( عرضی جریان سرعت ) o )C دما )bar( فشار آزمايش شماره 0/5 25 1/5 1 0/75 40 1/5 2 1 55 1/5 3 0/75 25 3 4 1 40 3 5 0/5 55 3 6 1 25 5 7 0/5 40 5 8 0/75 55 5 9 عبوری فالکس )Lit/m 2.h( 7 آزمایش 8 آزمایش 9 آزمایش 0 10 20 30 40 50 60 زمان )min( الف ج ب 5. bar فشار ج( و 3 bar فشار ب( 1/5 bar فشار الف( مختلف جريانهاي سرعت و دماها در زمان حسب بر تراوشي فالکس تغييرات شکل 3 -

113 بهینهسازی شرایط عملیاتی... جدول 3 - فالکسهاي اوليه نهايي و درصد کاهش فالکس در فرآيند اولترا فیلتراسیون و نسبت S/N براي هر آزمايش. فالکس عبوری S/N نسبت (J i -J f )/J i کاهش فالکس )%( 100 )L/m 2. h( شماره آزمایش -33/6248-28/9432-30/3703-33/9794-30/8814-34/3201-34/3201 32/4650-34/9638 48 28 33 50 35 52 52 42 56 J f J i 57 110 1 82 114 2 92 139 3 78 159 4 95 146 5 99 206 6 103 213 7 101 174 8 126 286 9 متوسط نسبت S/N براي هر فاکتور در سه سطح در شکل 4 نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده ميشود شيب خطوط بين سطوح مختلف براي فاکتورهاي دما و فشار يکسان نيست. بنابراين سطوح تاثير متفاوتي بر روي کاهش فالکس و گرفتگي غشاء دارند. در محدوده دمايي 25-40 o C ميزان افت فالکس در طول آزمايش کمتر از زماني است که دما در محدوده 40-55 o C قرار دارد. پس با افزايش دما در محدوده 40-55 o C ميزان گرفتگي غشاء افزايش مييابد که باعث افت فالکس بيشتر شده است. از طرفي تحقيقات نشان داده که افزايش دما سبب افزايش فالکس ميشود ]16 و 17[. اين افزايش فالکس معموال با ويسکوزيته حالل ضريب نفوذ حالل در غشاء و ميزان انبساط حرارتي ماده تشکيل دهنده غشاء توضيح داده ميشود. افزايش دما باعث کاهش ويسکوزيته حالل و در نتيجه سبب افزايش ضريب نفوذ حالل ميشود. همچنين به دليل دماي باال ممکن است ساختار غشاء منبسط شود و حل شوندهها بتوانند به آساني از ميان غشا عبور کنند ]18 و 19[. ب ن ابر اي ن م ي تو ان گفت د ر مح دو ده دم ايي 40-55 o C افزايش میزان افت فالکس را ميتوان به انسداد بين حفرات و سطح غشاء نسبت داد که ناشي از ذرات حل شوندهای است که در دماهاي باالبه آساني از سطح غشا عبور ميکنند. این پدیده در شکل 5 نشان داده شده است. در محدوده دمايي 25-40 o C اين انبساط حرارتي براي غشاء رخ نداده و اتصال حفرهاي اتفاق نيفتاده است بنابراين با افزايش دما ميزان گرفتگي و افت فالکس کاهش مييابد ]6[. با توجه به شکل 4 ميتوان دريافت که کمترين ميزان افت فالکس )باالترين مقدار نسبت )S/N در دماي 40 o C روي داده است. پارامتر کنترلی فشار يکي از مهمترين فاکتورها براي بررسي وجود پديده گرفتگي و نوع گرفتگي سيستم در عمليات فرآيند غشايي ميباشد ]6[. شکل 4 نشان ميدهد که افزايش فشار باعث کاهش نسبت S/N ميشود. بنابراين کمترين ميزان گرفتگي در پايينترين فشار bar( 1/5( اتفاق ميافتد. بر اساس قانون دارسی افزايش اختالف فشار در دو طرف غشا باعث افزايش فالكس ميشود اگر چه اثرات گرفتگي اين افزايش را محدود ميكند ]20 و 21[. با افزايش فشار پديده شناخته شده پالريزاسيون غلظتي بر روي سطح غشاء رخ ميدهد و اختالف غلظت بين دو طرف غشاء افزايش مييابد ]4 و 22[. بنابراين نيروي محرکه نفوذ افزايش مييابد و ذرات بيشتري از درون غشا عبور ميکند. اتصال حفرهها با سطح غشا توسط تودههاي مواد نفتي روي ميدهد ميافتد و با جريان فالکس جريان خروجي مقابله ميکند. بنابراين اتصال حفرات در فشارهاي باالتر بيشتر اتفاق ميافتد که باعث فشرده شدن رسوبات بر روي سطح غشاء و گرفتگي سريع حفرهها ميگردد که نهايتا میزان مقاومت گرفتگي و افت فالکس بيشتر را سبب ميشود شکل 6 ]20 و 21[.

114 شماره 79-30/5-31/5 فشار دما سرعت جریان عرضی )S/N( میانگین نسبت -31/5-32/0-32/5-33/0-33/5-34/0 1 2 3 سطح متغير شکل 4 - تأثيرات اصلي پارامترهای کنترلی بر روي ميانگين نسبت S/N در سطوح مختلف الف ب شکل 5 - تصویر SEM پس از اولترا فیلتراسیون گرفتگیها و انسداد حفرات ایجاد شده بین حفرات و سطح غشاء توسط ذرات موجود در خوراک الف( سطح جانبی غشای PAN 350 و ب( سطج جانبی با بزرگنمایی بیشتر شکل 6 - تصویر SEM سطح مقطع غشاء: کیک و گرفتگی تشکیل شده حاصل از فرآیند خوراک روی سطح غشاء

115 عملیاتی... شرایط بهینهسازی افزايش با كه گفت ميتوان شكل 4 به توجه با همچنين بنابراين مييابد. افزايش S/N نسبت عرضی جریان سرعت 1( m/s( سرعت باالترين در فالکس افت ميزان کمترين دليل به 0/5 m/s عرضي جريان سرعت در ميافتد. اتفاق و ميشود تشكيل سريعتر كيك اليه تالطم بودن پايين با ولي ميگردد. فالكس بيشتر كاهش باعث ثانويه اليه اين و تالطم رفتن باال دليل به عرضي جريان سرعت افزايش وسيله به شده تشکيل اليه از قسمتي مرتبا جريان آشفتگي به و ميشود کنده غشاء سطح از جريان هيدروديناميکي اثرات در شده تشکيل اليه ضخامت بنابراين ميگردد. باز مايع توده گرفتگي از ناشي مقاومت نتيجه در و کمتر باالتر سرعتهاي 24[. و 23 ]20 ميشود کمتر فالکس افت ميزان و گرفتگي از ناشي فالکس افت بهينهسازي براي شرايط براي را S/N نسبت بزرگترين که سطوحي اساس بر در که همانطور شد. انتخاب داشتند کنترلي فاکتورهاي و 40 o C دما 1/5 bar فشار ترکيب ميشود ديده 4 شکل براي عملياتي شرايط بهترين 1 m/s عرضی جریان سرعت افت ميزان کردن مينيمم منظور به اولترافيلتراسيون فرآيند با 2 جدول اگر ميباشد. غشاء گرفتگي از ناشي فالکس انتخاب بهينه شرايط که ميشود مشاهده شود بررسي دقت نداشته وجود L 9 آرايه در مينيمم فالکس افت براي شده است. نشده انجام آن به مربوط آزمايش و واريانس آناليز نتايج است. شده گزارش جدول 4 در واريانس آناليز نتايج پارامترهاي از شدهاند گزارش خطا براي که مقاديري در ميشوند. ناشي اغتشاش( یا )نويز کنترل غيرقابل ]6[. باشد %50 از کمتر بايد خطا مقدار اين کلي حالت خطاي مقدار ميشود ديده جدول 4 در که همان طور %7 حدود در تحقیق این آزمایشات در شده محاسبه فاصله شده ذکر محدوديت از کافي اندازه به که ميباشد تاثير آزمايشات نتايج در خطا که معناست بدان اين دارد. آناليز در کمي محاسبات به دستيابي براي دارد. ناچیزی )%( فاکتور هر سهم درصد نام به پارامتری از واريانس جدول در فاکتورها تمام سهم درصد ]6[. ميکنيم استفاده بيشترين داراي دما که ميشود ديده است. شده آورده 4 و فشار ترتيب به آن از بعد و ميباشد آزمايشات در تاثير دارند. قرار عرضي جريان سرعت مدت طوالنی آزمایش تحت PAN 350 غشای عملکرد بررسي دوم مرحله ميباشد. پساب اولترافيلتراسيون فرآيند در بهينه شرايط ساعت 8 مدت به اولترافيلتراسيون فرآيند منظور اين براي پساب فالکس تغييرات گرفت. صورت خوراک روي بر است. شده رسم شکل 7 در زمان با غشاء از شده تصفیه نتيجه در فالكس كاهش ميشود مشاهده همانگونهكه نخست دقایق در داخلی گرفتگی همان یا حفرات گرفتگی تشکيل و غلظتي پالريزاسيون ادامه در و ميدهد رخ فرآيند 26[. و ]25 است شده علت بر مزید نیز کيک اليه افت آرامي به زمان با غشاء از تراوشي فالکس آن از پس سيستم در پايداري نوعي ميرسد نظر به كه جايي تا ميکند تقريبا فالكس مقدار پاياني ساعات در است. شده حاكم افت % 11 فقط پایانی ساعت 6 در که طوري به است. ثابت اول ساعت یک در فالکس افت درصد ميافتد. اتفاق فالکس 54 L/m 2. h ساعت 8 طول در نهايي فالکس ميزان و % 30 ميباشد. گرفتگي از ناشي فالکس افت ميزان براي واريانس آناليز نتايج جدول 4 - واریانس مربعات مجموع آزادی درجه پارامتر 146/33 292/67 2 فشار 189/00 378/00 2 دما 41/33 82/67 2 عرضي جريان سرعت )%( سهم درصد 34 44 15 7 16/33 32/67 2 خطا 100 --- 786/00 8 کل

116 شماره 79.h( )L/m 2 فالکس عبوری 140 130 120 110 100 90 80 70 60 کاهش فالکس= % 30 کاهش فالکس= % 47 کاهش فالکس= % 58 50 0 60 120 180 240 300 360 420 480 زمان )min( شکل 7 - تغييرات فالکس تراوشي از غشای پليمري PAN 350 با زمان در شرايط بهينه عملياتي )فشار 1/5 bar دما 40 o C و سرعت جریان عرضی 1( m/s كاهش فالكس مربوط به جرم گرفتگي غشا است كه شامل اثرات تلفيقي جذب و تجمع ذرات معلق و كلوئيدي بر روي سطح غشاء و ديواره حفرهها به طور برگشتناپذير ميباشد. تقريبا تمامي اجزاي خوراك تا حد مشخصي باعث رسوب گرفتن غشا ميشود. ماهيت و ميزان رسوبات غشا بستگي به نوع و چگونگي توزيع اندازه منافذ و ذرات غلظت مواد محلول هيدروديناميك جريان خواص سطح غشا و اثرات متقابل غشا مواد محلول دارد ]27[. کیک تشکیل شده روی سطح غشا و ذرات گیر کرده در حفرات غشاء پس از فرآیند اولترافیلتراسیون در شکل 8 به خوبی نشان داده شده است. عمکلرد غشاي PAN 350 تحت فرآيند اولترافيلتراسيون در شرايط بهينه كه توسط روش تاگوچي تعيين گرديده در جدول 5 نشان داده شده است. مقادير پسدهي بر مبناي غلظتهاي خوراک و ترکيب غلظتهاي پساب تصفیه شده در پايان آزمايش محاسبه شده است. مشاهده ميشود که در پساب تصفیه شده نهايي نفت و گريس و TSS کامال حذف شده ولي TOC به طور کامل حذف نشده است. همچنين براي نشان دادن کارآيي غشاي ذکر شده توزيع اندازه ذرات پساب تصفیه شده در شکل 9 آورده شده است. همانطور که مشاهده ميشود اندازه ذرات از محدوده 200-800 nm در خوراک به محدوده 0/3-1/5 nm کاهش يافته است. الف ب ج شکل 8 - تصویر SEM از گرفتگیهای مختلف ایجاد شده در غشا توسط خوراک الف( از سطح غشاء و کیک تشکیل شده ب( از سطح جانبی و ج( از سطح جانبی با بزرگ نمایی بیشتر و ذرات گیر کرده در حفرات غشاء

117 بهینهسازی شرایط عملیاتی... پارامتر نفت و گريس TSS کدورت TOC جدول 5 - کارآيي فرآيند اولترافيلتراسيون براي غشاي PAN 350 در شرايط بهينه. درصد حذف )%( کيفيت پساب تصفیه شده کيفيت خوراک واحد % 99 >1/5 ppm 42 mg/l % 100 Trace 108 mg/l % 99/99 0/5 90 NTU % 68 35 109 mg/l درصد حجمي 35 30 25 20 15 10 5 0 توزیع اندازه ذرات خوراک توزیع اندازه ذرات پساب تصفیه شده 40 35 30 25 20 15 10 5 0/0 0 0/2 0/4 0/6 0/8 1/2 1/4 1/6 )nm( اندازه ذرات درصدحجمي 0 200 400 600 800 1000 )nm( اندازه ذرات شکل 9 - توزيع اندازه ذرات خوراک و پساب تصفیه شده نتیجهگیری در این تحقیق یک بررسی دو مرحلهای به منظور رسیدن به خواستههای یک واحد نمک زدایی در ایران صورت گرفت. در مرحله اول برای بهینهسازي شرایط عملیاتی به منظور مینیمم کردن میزان افت فالکس از روش طراحی آزمایش تاگوچی استفاده شد. به منظور آنالیز نتایج آزمایشات نسبت S/N )در شرایط کوچکتر مطلوبتر( به کار گرفته شد. در مرحله دوم عملکرد غشای پلیمری PAN 350 تحت شرایط بهینه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از این دو مرحله عبارتند از: )1( بر اساس باالترین میزان نسبت S/N شرایط بهینه در سطح اول فشار bar( 1/5( سطح دوم دما )C 40( o و سطح سوم جريان عرضي m/s( 1( به دست آمد. نتايج حاصل از آنالیز واریانس نشان ميدهد که دما دارای بیشترین تاثیر بر روی پارامتر پاسخ و سرعت جریان عرضی دارای کمترین تاثیر میباشد. )2( تحت شرایط بهینه در یک آزمایش طوالنی مدت میزان حذف %99 نفت و گریس %100 TSS %99 کدورت و TOC %68 به دست آمد. )3( اندازه ذرات از محدوده 200-800 nm نانومتر در خوراک به محدوده 1/5-0/3 nm در پساب تصفیه شده کاهش یافت. بر اساس نتایج به دست آمده غشای پلیمری PAN 350 توانست به صورت موفقیتآمیز نیازهای واحد نمک زدایی )میزان نفت و گریس> ppm 5 ناچیز= TSS کدورت> 5 پسزنی >TOC %65 و اندازه ذرات> nm 100( را برآورده کند.

118 شماره 79 مراجع [1]. Asatekin A. and Mayes A. M., Oil industry waste water treatment with fouling resistance membranes containing amphiphilic comb opolymers, Environ. Sci. Technol., 43, 4487-4492, 2009. [2]. Rezvanpour A., Roostaazad R., Hesampour M., Nystrom M., and Ghotbi C., Effective factors in the treatment of kerosene-water emulsion by using UF membranes, J. Hazard. Mater., 161, 1216-1224, 2009. [3]. Seo J. and Vogelpohl A., Membrane choice for waste water treatment using external cross flow tubular membrane filtration, Desalination, 249, pp. 197-204, 2009. [4]. Madaeni S. S., Gheshlaghi A. and Rekabdar F., Membrane treatment of oily wastewater from refinery processes, Asia-Pac. J. Chem. Eng., DOI: 10.1002/apj. pp. 1619, 2012. [5]. Nouzaki K., Nagata J. and et al., Preparation of polyacrynitrile ultrafiltration membranes for waste water treatment, Desalination, 144, 53-59, 2002. [6]. Gonder Z. B., Kaya Y., Vergili I. and Barlas H., Optimization of filtration conditions for CIP wastewater treatment by nanofiltration process using Taguchi approach, Sep. Purif. Technol., 70, 265-273, 2010. [7] Schafer A. I., Fane A. G. and Waite T. D., Nanofiltration principles and applications, Elsevier Ltd., UK, 1-85617- 405-0, 2005. [8]. Falamaki C., Veysizadeh J., Taguchi design of experiments approach to the manufacture of one-step alumina microfilter/membrane supports by the centrifugal casting technique, Ceram. Int., 34, 1653 1659, 2008. [9]. Peng W., I. Escobar C., White D. B., Effects of water chemistries and properties of membrane on the performance and fouling-a model development study, J. Membr. Sci., 238, 33 46, 2004. [10]. Mousavi S. M., Yaghmaei S., Jafari A., Vossoughi M. and Ghobadi Z., Optimization of ferrous biooxidation rate in a packed bed bioreactor using Taguchi approach, Chem. Eng. Process., 46, 935 940, 2007. [11]. Hesampour M., Kryzaniak A., Nystrom M., The influence of different factors on the stability and ultrafiltration of emulsified oil in water, J. Membr. Sci., 325, 199-208, 2008. [12]. King S., Oily wastewater management study, Final Report, Cited at This Link:www.govlink.org/hazwaste, 1999. [13]. Ross P. J., Taguchi techniques for quality engineering, 2 nd ed., McGraw-Hill, New York, 1996. [14]. Montgomery D. C., Design and analysis of experiments, (6 th ed.), John Wiley & Sons, N.Y., 2005. [15]. Masters I., Khoei A. R. and Gethin D. T., The application of taguchi methods to the aluminum recycling process, Proc. 4th ASM International Conference on the Recycling of Metals, Vienna, 115 124, 1991. [16]. Janknecht P., Lopes D. and Mendes A. M., Removal of industrial cutting oil from oil emulsions by polymeric ultra- and microfiltration membranes, Environ. Sci. Technol., 38, 4878-4883, 2004. [17]. Hesampour M., Kryzaniak A. and Nystorm M., Treatment of waste water from metal working by ultrafiltration, considering the effects of operating conditions, Desalination, 222, 212-221, 2008. [18]. Sharma R. R., Agrawal R. and Chellam S., Temperature effect on sieving characteristics of thin-film composite nanofiltration membranes: pore size distributions and transport parameters, J. Membr. Sci., 223, 69 87, 2003.

119 بهینهسازی شرایط عملیاتی... [19]. Kowalska I., K. Majewska-Nowak, M. Kabsch-Korbutowicz, Influence of temperature on anionic surface active agent removal from a water solution by ultrafiltration, Desalination, 198, 124 131, 2006. [20]. Mohammadi T. and Esmaeelifar A., Wastewater treatment of a vegetable oil factory by a hybrid ultrafiltrationactivated carbon process, J. Membr. Sci., 54, 129-137, 2005. [21]. Fernandez G., Carlos O., Carolina A., Garcia Y. and Mara S. L., The Study of Oil/Water Separation in Emulsion by Membrane Technology, SPE, Inc., 2001. [22]. Banerjee P., DasGupta S., De S., Removal of dye from aqueous solution using combination of advanced oxidation process and nanofiltration, J. Hazard. Mater., 140, 95 103, 2007. [23]. Abadi S. R. H., Sebzari M. R., Hemmati M., Rekabdar F. and Mohammadi T., Ceramic membrane performance in microfiltration of oily wastewater, Desalination, 265, 222 228, 2011. [24]. Salahi A., Abbasi M. and Mohammadi T., Permeate flux decline during UF of oily wastewater: Experimental and modeling, Desalination, 251, 153 160, 2010. [25]. Rahimpour A., Rajaeian B., Hosienzadeh A., Madaeni S. S. and Ghoreishi F., Treatment of oily wastewater produced by washing of gasoline reserving tanks using self-made and commercial nanofiltration membranes, Desalination, 265, 190 198, 2011. [26]. Abbasi M., Sebzari M. R. and Mohammadi T., Enhancement of Oily Wastewater Treatment by Ceramic Microfiltration Membranes using Powder Activated Carbon, Chern. Eng. Technol., 34 (8), pp. 1252 1258, 2011. [27]. Akdemir E. O., Ozer A., Investigation of two ultrafiltration membranes for treatment of oily wastewater, Desalination 249, pp. 660 666, 2009.