توصيفگر ها :
غشاي پليمري , تقطير غشايي شكاف هوا , تصفيه آب , حذف نيترات
چكيده فارسي :
در بسياري از نقاط جهان، آب هاي زيرزميني به عنوان تنها منبع آب آشاميدني در جوامع روستايي و مناطق شهري عمل مي‌كنند. نيترات يكي از يون‌هاي پايداري است كه باعث آلودگي در منابع آبي مي‌شود. از عمده‌ترين مشكلات حضور بيش از حد استاندارد نيترات در منابع آبي مي‌توان به مشكلاتي از قبيل نقص مادرزادي، سقط خودبخودي، متهمگلوبيني و تغييرات سيستم ايمني بدن اشاره كرد. تقطيرغشايي يك فناوري مناسب و نوين براي فرايندهاي جداسازي است كه در آن آب، جزء اصلي محلول خوراك است. در تقطيرغشايي حداقل يك طرف از غشاي آبگريز ريز متخلخل، در تماس مستقيم با محلول آبي است. اختلاف فشار جزئي ناشي از گراديان دما بين دو طرف غشا باعث انتقال جرم از طريق منافذ غشا مي‌شود. در طي فرآيند تقطيرغشايي، مولكول هاي مايع به دليل آبگريز بودن غشاء اجازه نفوذ ندارند و فقط مولكول هاي بخار آب قادر به عبور از ديواره‌هاي غشاء هستند. اين پژوهش با هدف بررسي عملكرد يكي از روش‌هاي تقطير غشايي به نام تقطير غشايي شكاف هوا، در حذف يون نيترات از آب انجام شد. به همين جهت غشاهايي آبگريز از جنس پلي وينيليدين فلورايد با استفاده از حلال نرمال متيل پروليدون به روش جدايش فازي تهيه شده است. در اولين گام براي مشخص كردن ضخامت بهينه غشاء، غشاهايي با ضخامت 200، 350، 400 و 500 ميكرومتر در شرايط يكسان دماي 65 سانتي‌گراد، جريان ورودي 60 ليتر بر ساعت و غلظت نيترات 500 ميلي‌گرم نيترات بر ليتر مورد بررسي قرار گرفت كه غشاء، با ضخامت 500 ميكرومتر بهترين عملكرد را با شار خروجي 59/4 كيلوگرم بر متر مربع ساعت و درصد حذف 8/98 براي نيترات از خود نشان داد. در ادامه خصوصيات غشاي ساخته شده مورد بررسي قرار گرفت و با توجه به نتايج آزمايش‌ها، زاويه تماس آب بر روي غشاي منتخب در بهترين حالت برابر 5/72 درجه بود كه تاييد كننده آب‌گريزي غشاي ساخته شده است. از طرفي طيف ATR تهيه شده از غشا، تاييد كننده ساختار پلي‌وينيليدين فلورايد است. ميزان تخلخل غشاي ساخته شده به صورت ميانگين برابر 04/85 درصد و LEPw برابر 1 بار اندازه‌گيري شد. در ادامه براي بررسي عملكرد روش تقطير غشايي شكاف هوا در حذف نيترات از آب، اقدام به طراحي آزمايش براي بررسي تاثير پارامتر‌هاي دما، جريان ورودي و غلظت اوليه نيترات بر شار خروجي و درصد حذف نيترات و درصد كاهش هدايت الكتريكي شد. دما در سه سطح 25، 45 و 65 سانتي‌گراد، جريان ورودي در سه سطح 20، 40 و 60 ليتر بر ساعت و غلظت نيترات در سه سطح 150، 300 و 500 ميلي‌گرم نيترات بر ليتر انتخاب گرديد كه علت انتخاب اين محدوده‌ها مطالعات موردي درباره غلظت نيترات در آب‌هاي زيرزميني كشور ايران و همچنين محدوديت‌هاي دستگاه مورد استفاده است. از نرم افزار Design Expert و روش طرح بهينه سطح پاسخ براي طراحي آزمايش استفاده شد. باتوجه به آزمايش‌هاي انجام شده نتيجه گيري شد كه روش تقطير غشايي شكاف هوا عملكرد قابل قبولي را براي حذف نيترات از آب دارا است، زيرا غلظت هاي 150، 300 و 500 ميلي‌گرم نيترات بر ليتر را به صورت ميانگين به 7 ميلي‌گرم نيترات بر ليتر كاهش پيدا كرده است؛ از آن جايي كه استاندارد غلظت نيترات در آب آشاميدني برابر 50 ميلي‌گرم نيترات بر ليتر است مي‌توان عملكرد مناسب اين روش در حذف نيترات از آب را نتيجه گرفت. با توجه به آزمايش‌هاي انجام شده مشخص شد كه شار آب خروجي در اين سيستم وابستگي زيادي به دما دارد كه دليل اين عملكرد افزايش تواني فشار بخار با افزايش دما است. از طرف ديگر درصد حذف نيترات و درصد كاهش هدايت الكتريكي فقط به عامل غلظت اوليه نيترات برمي‌گردد. در شرايطي كه دماي 65 سانتي‌گراد، جريان وردي برابر 40 ليتر بر ساعت و غلطت نيترات برابر 500 ميلي‌گرم نيترات بر ليتر عملكرد بهينه سيستم مشاهده شد كه نشان‌دهنده حذف 98 درصدي نيترات به همراه شار آب خروجي 45/4 كيلوگرم بر مترمربع ساعت را بود.
چكيده انگليسي :
In many parts of the world, groundwater serves as the only source of drinking water in rural communities and urban areas. Nitrate is one of the stable ions that causes pollution in water sources. One of the main problems of exceeding the nitrate standard in water sources is problems such as birth defects, spontaneous abortions, hypoglycemia and changes in the body's immune system. Membrane distillation is a suitable and new technology for separation processes where water is the main component of the feed solution. In membrane distillation, at least one side of the microporous hydrophobic membrane is in direct contact with the aqueous solution. The partial pressure difference caused by the temperature gradient between the two sides of the membrane causes mass transfer through the membrane pores. During the membrane distillation process, liquid molecules are not allowed to penetrate due to the hydrophobic nature of the membrane, and only water vapor molecules are able to pass through the membrane walls. This research was conducted with the aim of investigating the performance of one of the membrane distillation methods, called air gap membrane distillation, in removing nitrate ions from water. For this reason, hydrophobic membranes made of polyvinylidene fluoride have been prepared using normal solvent methylprolidone by phase separation method. In the first step to determine the optimal thickness of the membrane, membranes with a thickness of 200, 350, 400 and 500 micrometers were examined under the same conditions of temperature of 65 degrees Celsius, inlet flow of 60 liters per hour and nitrate concentration of 500 mg nitrate per liter. The thickness of 500 micrometers showed the best performance with an output flux of 4.59 kg/m2h and a removal percentage of 98.8 for nitrate. Next, the properties of the constructed membrane were investigated and according to the results of the tests, the water contact angle on the selected membrane was equal to 72.5 degrees in the best case, which confirms the hydrophobicity of the constructed membrane. On the other hand, the ATR spectrum prepared from the membrane confirms the structure of polyvinylidene fluoride. The porosity of the constructed membrane was measured as 85.04% and LEPw as 1 bar. Next, to check the performance of the air gap membrane distillation method in removing nitrate from water, an experiment was designed to check the effect of parameters of temperature, inlet flow and initial concentration of nitrate on the output flux and the percentage of nitrate removal and the percentage of electrical conductivity reduction. The temperature was selected at three levels of 25, 45 and 65 centigrade, the inlet flow at three levels of 20, 40 and 60 liters per hour and the nitrate concentration at three levels of 150, 300 and 500 mg of nitrate per liter. Nitrate is used in the underground water of Iran, as well as the limits of the device. Design Expert software and optimal response surface design method were used to design the experiment. According to the experiments, it was concluded that the air gap membrane distillation method has an acceptable performance for removing nitrate from water, because the concentrations of 150, 300 and 500 mg of nitrate per liter can be reduced to 7 mg of nitrate per liter on average. has done; Since the standard of nitrate concentration in drinking water is equal to 50 mg nitrate/liter, it can be concluded that this method works well in removing nitrate from water. According to the tests, it was found that the output water flux in this system has a great dependence on temperature, which is the reason for this function of increasing steam pressure power with increasing temperature.
