—d1938

دانشگاه کاشان
پژوهشکده علوم و فناوری نانو
پایان نامه
جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
در رشته نانو مهندسی شیمی
عنوان:
بهینه سازی فرایند واجذب WF6 بر روی نانوجاذب NaF
استاد راهنما:
دکتر مرتضی اصغری
استاد مشاور:
مهندس محمد میری مزرعه شاهی
مهندس مرتضی افسری
به وسیله :
رحیم آقا ابراهیمیان
زمستان 1393

تقدیم به
پدر و مادر گرامی ام که در تمامی مراحل زندگی ام همراه و یاورم بودند.

با سپاس فراوان از استاد گرانقدر جناب آقای دکتر مرتضی اصغری که در تمامی مراحل پروژه عالمانه و صمیمانه راهنمای بنده و همچنین جناب آقای مهندس محمد میری مزرعه شاهی و جناب آقای مهندس مرتضی افسری که با مشورت های بی دریغشان چراغ راهم بودند و نیز آقای دکتر احمد اکبری که از نظراتشان کمال استفاده نمودم.
چکیدهدر واحد غنی سازی اورانیوم بوسیله سانتریفیوژ، گاز UF6 پس از عبور از سانتریفیوژ و انجام فرایند غنی سازی، وارد تله سرد شده و در دمای پایین جامد و جمع آوری می گردد.
یکی از جاذب های مورد استفاده برای جذب هگزا فلورید اورانیوم، سدیم فلوراید می باشد. منحنی تعادلی جذب UF6 توسط جاذب سدیم فلوراید یکی از اطلاعات مهم برای طراحی برج های جذب می باشد. مزیت سدیم فلوراید نسبت به جاذب های دیگر UF6 امکان واجذب، احیاء دوباره جاذب و استفاده دوباره UF6 می باشد. در این پایان نامه ابتدا جذب سطحی UF6 بر روی سدیم فلوراید در فشار های 10،20،30و40 میلی بار انجام و بر اساس نمودار ایزوترم لانگمویر، میزان جذب اشباع در دمای محیط بدست می آید، سپس واجذب UF6 در دماها و فشار های مختلف بر اساس نیاز صنعت انجام گرفته همچنین عوامل موثر در واجذب بررسی و بهترین شرایط فرایندی ارائه شده است. در ادامه میزان از دست دادن ظرفیت جذب بعد از جذب و واجذب های متوالی در شرایط فرایندی یکسان بررسی و گزارش شده است. آنالیز کیفی UF6 در قبل و بعد از واجذب انجام و گزارش شده است. بر روی نحوه بدست آمدن سدیم فلوراید و ساختار حفرات آن مطالعاتی انجام و آنالیز های کیفی از آن گزارش شده است.
کلمات کلیدی: جذب سطحی، دفع سطحی، ایزوترم، سدیم فلوراید، هگزا فلورید اورانیوم
فهرست مطالب
TOC \o “1-3” \h \z \u 1-فصل نخست: PAGEREF _Toc412404588 \h 71-1-بخش اول : مقدمه PAGEREF _Toc412404589 \h 81-1-1-جذب سطحي PAGEREF _Toc412404590 \h 81-1-2-مقایسه کلی انواع جذب سطحی PAGEREF _Toc412404591 \h 121-1-3-معيار انتخاب فرآيندهاي جذب سطحي PAGEREF _Toc412404592 \h 121-1-4-پارامترهاي مؤثر بر جذب PAGEREF _Toc412404593 \h 131-1-5-جاذب ها PAGEREF _Toc412404594 \h 161-1-6-روشهاي احیاي جاذب PAGEREF _Toc412404595 \h 181-1-7-تعادل : منحنی هم دماي جذب PAGEREF _Toc412404596 \h 181-1-8-ایزوترم هاي جذب سطحی PAGEREF _Toc412404597 \h 211-2-بخش دوم: بررسی ویژگی اورانیوم PAGEREF _Toc412404598 \h 271-2-1-اورانیوم PAGEREF _Toc412404599 \h 271-2-2-کاربردهای فلز اورانیوم PAGEREF _Toc412404600 \h 281-2-3-تولید و توزیع PAGEREF _Toc412404601 \h 291-2-4-هشدارها PAGEREF _Toc412404602 \h 291-2-5-هگزافلوراید اورانیوم PAGEREF _Toc412404603 \h 301-2-6-روش های تولید انرژی هسته ای PAGEREF _Toc412404604 \h 311-2-7-غني سازي PAGEREF _Toc412404605 \h 311-2-8- غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژ PAGEREF _Toc412404606 \h 331-2-9- غنی سازی اورانیوم از طریق میدان مغناطیسی بسیار قوی PAGEREF _Toc412404607 \h 331-2-10-تله شیمیایی PAGEREF _Toc412404608 \h 341-2-11- بررسی انواع جاذب مورد استفاده در سیستم غنی سازی اورانیوم PAGEREF _Toc412404609 \h 351-2-12-کربن فعال PAGEREF _Toc412404610 \h 361-2-13-فلورید سدیم PAGEREF _Toc412404611 \h 411-3-بخش سوم: بررسی جاذب هاي مورد استفاده در صنایع غنی سازي PAGEREF _Toc412404612 \h 421-3-1-جذب UF6 روی آلومینا و فلورید سدیم PAGEREF _Toc412404613 \h 431-3-2-سرعت واکنش PAGEREF _Toc412404614 \h 441-3-3-احیا و قابلیت هاي بازیافت PAGEREF _Toc412404615 \h 461-3-4-تاثیر دیگر اجزاي خوراك گازي PAGEREF _Toc412404616 \h 461-3-5-مطالعه افت فشار PAGEREF _Toc412404617 \h 471-3-6- نمودار شکست و مدل سازی آن PAGEREF _Toc412404618 \h 472-فصل دوم: PAGEREF _Toc412404619 \h 492-1-بخش اول: مقدمه PAGEREF _Toc412404620 \h 502-1-1-اثر ناپذيرسازى PAGEREF _Toc412404621 \h 512-1-2-آزمایش جذب استاتيك PAGEREF _Toc412404622 \h 522-1-3-نتايج تجربی PAGEREF _Toc412404623 \h 552-2-بخش دوم: تغییرات فشار گاز UF6 نسبت به زمان در هنگام جذب سطحی PAGEREF _Toc412404624 \h 562-3-بخش سوم:ایزوترم جذب UF6 توسط سدیم فلوراید PAGEREF _Toc412404625 \h 622-4-بخش چهارم:آزمایش های واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلوراید PAGEREF _Toc412404626 \h 642-4-1-واجذب: PAGEREF _Toc412404627 \h 652-4-2-جذب: PAGEREF _Toc412404628 \h 662-4-3-مراحل آزمایش: PAGEREF _Toc412404629 \h 672-5-بخش پنجم: آزمایش های جذب و واجذب متوالی UF6 بر روی نانو جاذب سدیم فلوراید PAGEREF _Toc412404630 \h 732-5-1-آزمایش اول جذب و واجذب PAGEREF _Toc412404631 \h 732-5-2-آزمایش دوم جذب و واجذب PAGEREF _Toc412404632 \h 752-5-3-آزمایش سوم جذب و واجذب PAGEREF _Toc412404633 \h 772-5-4-آزمایش چهارم جذب و واجذب PAGEREF _Toc412404634 \h 792-5-5-آزمایش پنجم جذب و واجذب PAGEREF _Toc412404635 \h 812-5-6-نتایج آزمایشات جذب و واجذب متوالی PAGEREF _Toc412404636 \h 822-5-7-جذب در دمای بالا: PAGEREF _Toc412404637 \h 833-فصل سوم: PAGEREF _Toc412404638 \h 853-1-نتایج جذب سطحی PAGEREF _Toc412404639 \h 863-2-نتایج واجذب PAGEREF _Toc412404640 \h 874-فصل چهارم: PAGEREF _Toc412404641 \h 894-1-نتیجه گیری PAGEREF _Toc412404642 \h 904-2-پیشنهادات PAGEREF _Toc412404643 \h 91منابع و مآخذ: PAGEREF _Toc412404644 \h 92پیوست الف : اورانیوم PAGEREF _Toc412404646 \h 94پیوست (ب) سدیم فلورید PAGEREF _Toc412404647 \h 101

فهرست جدول ها
TOC \h \z \c “جدول” جدول ‏11میزان جذب UF6 روی چهار جاذب در آزمایش شولتز PAGEREF _Toc412407076 \h 44جدول ‏21داده های جذب در فشار های اولیه مختلف PAGEREF _Toc412407077 \h 56جدول ‏22تغییرات گرم جذب شده به گرم جاذب با فشار تعادلی برای جذب UF6 بر روی نانوجاذب سدیم فلورید PAGEREF _Toc412407078 \h 62جدول ‏23داده های جذب برای شروع فرایند واجذب PAGEREF _Toc412407079 \h 66جدول ‏24در صد واجذب در دماهای مختلف PAGEREF _Toc412407080 \h 72جدول ‏25 در صد واجذب در دماهای مختلف PAGEREF _Toc412407081 \h 73جدول ‏26نتایج واجذب UF6 بر روی نانوجاذب سدیم فلورید PAGEREF _Toc412407082 \h Error! Bookmark not defined.جدول ‏27داده های جذب برای سدیم فلورید PAGEREF _Toc412407083 \h 74جدول ‏28داده های جذب برای سدیم فلوریدی که یکبار واجذب شده PAGEREF _Toc412407084 \h 76جدول ‏29داده های جذب برای سدیم فلوریدی که دوبار واجذب شده PAGEREF _Toc412407085 \h 78جدول ‏210 جذب برای سدیم فلوریدی که سه مرتبه واجذب شده PAGEREF _Toc412407086 \h 80جدول ‏211داده های جذب برای سدیم فلوریدی که چهار مرتبه واجذب شده PAGEREF _Toc412407087 \h 82جدول ‏212نتایج جذب و واجذب متوالی گاز UF6 بر روی نانوجاذب سدیم فلورید PAGEREF _Toc412407088 \h 83

فهرست نمودارها
TOC \h \z \c “شکل” نمودار ‏11 )مقایسه تغییرات جذب هگزافلورید اورانیوم براي NaF و آلومینا H –151 PAGEREF _Toc412407212 \h 45 نمودار ‏21)سامانه مورد استفاده جهت انجام آزمایشات جذب و دفع استاتیکی PAGEREF _Toc412407213 \h 53نمودار ‏22) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 14.03 PAGEREF _Toc412407214 \h 57نمودار ‏23) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 21.62 PAGEREF _Toc412407215 \h 57نمودار ‏24) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 28.70 PAGEREF _Toc412407216 \h 58نمودار ‏25) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 40.96 PAGEREF _Toc412407217 \h 58نمودار ‏26) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه 53.68 PAGEREF _Toc412407218 \h 59نمودار ‏27) تغییرات فشار بر حسب زمان در فشارهای اولیه مختلف PAGEREF _Toc412407219 \h 59نمودار ‏28) تغییرات درصد جذب بر حسب فشار اولیه PAGEREF _Toc412407220 \h 60نمودار ‏29) تغییرات گرم جذب شده به گرم جاذب بر حسب فشار اولیه PAGEREF _Toc412407221 \h 60نمودار ‏210) تیءوری لانگمویر و فرندلیچ PAGEREF _Toc412407222 \h 63نمودار ‏211) نمودار تجربی ایزوترم جذب سطحی UF6 بر روی سدیم فلوراید PAGEREF _Toc412407223 \h 63نمودار ‏212) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای 100 درجه سانتی گراد PAGEREF _Toc412407224 \h 68نمودار ‏213) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای 180 درجه سانتی گراد PAGEREF _Toc412407225 \h 69نمودار ‏214) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای200 درجه سانتی گراد PAGEREF _Toc412407226 \h 70نمودار ‏215) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای250 درجه سانتی گراد PAGEREF _Toc412407227 \h 71نمودار ‏216) تغییرات فشار UF6 با زمان در دماهای مختلف PAGEREF _Toc412407228 \h 72نمودار ‏217) تغییرات فشار UF6 بر حسب زمان PAGEREF _Toc412407229 \h 74نمودار ‏218) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید PAGEREF _Toc412407230 \h 75نمودار ‏219) تغییرات فشارUF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلورایدی که یک مرتبه واجذب شده PAGEREF _Toc412407231 \h 76نمودار ‏220) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید در دمای 200 درجه سانتی گراد PAGEREF _Toc412407232 \h 77نمودار ‏221) تغییرات فشار UF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلوریدی که دوبار واجذب شده. PAGEREF _Toc412407233 \h 78نمودار ‏222) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید در دمای 200 درجه سانتی گراد PAGEREF _Toc412407234 \h 79نمودار ‏223 ) تغییرات فشار UF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلوریدی که سه مرتبه واجذب شده است. PAGEREF _Toc412407235 \h 80نمودار ‏224) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید در دمای 200 درجه سانتی گراد PAGEREF _Toc412407236 \h 81نمودار ‏225) تغییرات فشار UF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلوریدی که چهارمرتبه واجذب شده است. PAGEREF _Toc412407237 \h 82
فصل نخست:مطالعات کتابخانه ای
بخش اول : مقدمهگاهی در صنعت لازم است که یک جزء و یا اجزاء مختلف را از یک مخلوط به وسیله روش های مناسب جدا کرد. نوع روش انتخاب شده برای جداسازی به عوامل مختلفی مانند ماهیت ماده و مخلوط، اندازه، غلظت، فاز ماده و … بستگی دارد. به طور كلي جداسازي بر اساس نيروي محركه شيميايي به پنج دسته كلي تقسيم ميشود كه هر مخلوط را مي توان با استفاده از يكي از اين روش ها و يا تركيبي از آنها جداسازي كرد.روش هاي عمومي جداسازي عبارتند از :
1- جداسازي از طريق ايجاد يك فاز جديد ( تقطیر)
2- جداسازي از طريق افزودن يك فاز جديد (استفاده از حلال)
3- جداسازي از طريق ايجاد مانع ( استفاده از غشاء)
4- جداسازي با استفاده از ذرات جامد ( جذب سطحی)
5- جداسازي به وسيله ميدان مغناطيسي يا الكتريكي
جذب سطحي
جذب سطحي نوعي فرآيند جداسازي است كه در آن برخی از اجزاي يك فاز سيال به سطح جاذب منتقل مي شود. به طور كلي در مواد جامد، ساختار سطح با ساختمان توده جامد متفاوت است، به طوريكه سطح از لحاظ انرژي كاملاً اشباع نبوده و زمانيكه جامد در معرض يك گاز قرار مي گيرد، مولكولهاي گاز به مراكز موجود در سطوح متصل شده و جذب مي گردند، اين پديده جذب گاز توسط جامد ناميده مي شود.
يك دستگاه ساده جذب سطحي متشكل از يك سيلندر است كه جاذب در آن قرار گرفته، و جريان گاز و مايع بر روي آنها برقرار است. در حالت معمول، ذرات كوچك جامد در یک بستر، ثابت نگه داشته مي شوند و گاز به طور پيوسته از آن بستر عبور مي كند. در نهایت جامد تقريباً اشباع شده و جداسازي ديگر قابل انجام نیست. در اين هنگام، جريان به بستر دوم انتقال مي يابد تا اينكه جاذب اشباع شده، تعويض يا احيا شود.
جذب سطحي به عنوان مهمترين فرآيند در جداسازي براي غلظت هاي پايين مطرح ميشود. در جذب سطحي بر خلاف فرآيند جذب كه در آن جداسازي در توده ي سيال اتفاق ميافتد جداسازي در سطح جامد صورت مي پذيرد،.
نكته مهمي كه در جذب سطحي بايد مورد توجه قرار گيرد اين است كه اين شيوه جداسازي زماني به عنوان یک روش کارامد مورد استفاده قرار مي گيرد، كه جداسازي در غلظت هاي پايين مدنظر باشد. از آنجا كه ذراتي كه در جذب سطحي مورد استفاده قرار مي گيرند پس از مدتي اشباع شده و توانايي جذب اوليه را از دست مي دهند، بنابراين اين روش در غلظت هاي بالا كاربرد چنداني ندارد زيرا جاذب ها به سرعت اشباع شده و قابليت خود را از دست مي دهند. اکثر جاذب ها موادي بسیار متخلخل هستند و جذب سطحی عمدتاً روي دیواره حفره ها یا مکان هاي مشخص در داخل ذره صورت می گیرد. از آنجایی که حفره ها عموما بسیار کوچکند، مساحت سطح داخلی چندین مرتبه بزرگتر از مساحت سطح خارجی بوده و تقریبا بین 500 تا 1000 متر مربع بر گرم می رسد. اختلاف در جرم مولکولی، شکل و یا قطبیت، باعث می شود برخی مولکول ها محکمتر روي سطح حفظ شوند. همچنین ممکن است حفره ها کوچکتر از آن باشند که مولکول هاي درشت تر را بپذیرند، در نتیجه مواد از هم جدا می شوند. در بسیاري از موارد، جزء جذب شونده به اندازه کافی محکم نگه داشته شده و جدا سازي کامل آن جز از سیال همراه با جذب بسیار کم سایر اجزا ممکن می باشد. در این صورت می توان با احیا جاذب، ماده جذب شده را به صورت غلیظ یا تقریبا خالص فراوری کرد.
كاربردهاي جذب سطحي در فاز بخار شامل بازيافت حلال هاي آلي به كار رفته در رنگها، مركب چاپ و محلولهاي مورد مصرف براي چدن ريزي است.
از جذب سطحي روي كربن براي جدا كردن مواد آلوده كننده اي مانند CO2،N2O و ديگر تركيبات بدبو از هوا استفاده ميشود به طوریکه در اكثر اتومبيل هاي جديد از قوطي هاي زغالي استفاده مي شود تا مانع ورود بنزين به هواي داخل ماشين شود. خشك كردن گازها اغلب با جذب سطحي آب روي سيليكاژل، آلومينا يا ديگر جامدات متخلخل معدني صورت ميگيرد. زئوليت ها يا غربالهاي مولكولي، آلومينا و سيليكاتهاي طبيعي يا مصنوعي هستند كه در تهيه گازهاي با نقطه شبنم پايين مؤثرند. از جذب سطحي روي غربالهاي مولكولي براي تفكيك اكسيژن و نيتروژن، تهيه هيدروژن خالص به منظور تفكيك پارافين هاي معمولي از پارافين هاي شاخه دار و تركيبات آروماتيك نیز استفاده مي شود.
جهت انتقال جرم در اين فرآيند، از فاز سيال به فاز جامد است و عكس آن، به فرآيند دفع سطحي مشهور است. به منظور بازيابي برخي مواد ارزشمند (نظیر فلزات گرانقيمت) از سطوح جاذب، فرآيند دفع با راندمان مناسب كاربرد فراوان دارد.
سرعت جریان گاز و زمان مورد نیاز برای چرخه مطلوب، اندازه بستر جاذب را تعیین می کند. با استفاده از بسترهاي طویل تر، چرخه جذب را می توان به چند روز افزایش داد ولی افزایش افت فشار و سرمایه گذاري اولیه بالاتر ستون جذب، آن را غیر اقتصادي خواهند کرد.
فرایندهای جداسازي از طريق جذب سطحي تقريباً مشابه هستند، به اين ترتيب كه مخلوطي كه بايد جدا شود در تماس با يك فاز غيرقابل حل (جاذب) قرار گرفته و توزيع ناهماهنگي از اجزاء اصلي بين فاز جذب شده روي سطح جامد و تودة سيال اتفاق افتاده و جداسازي انجام مي شود. دو نوع جداسازي در جذب سطحي مطرح است:
-1 جذب سطحي فيزيكي يا واندروالس
-2 جذب سطحي شيميايي
جذب سطحي فيزيكي يا واندروالساین نوع جذب مربوط به فرایند برگشت پذیری است که نتيجة جذب از طريق نيروهاي بين مولكولي بين جامد و مواد جذب سطحي شده حاصل می شود. به عنوان مثال، زمانيكه نيروهاي بين مولكولي بين يك جامد و يك گاز بزرگتر از نيروهاي بين مولكولي گاز به تنهايي باشد، حتي اگر فشار گاز پايين تر از فشار بخار در دماي جامد باشد، مولکول های گاز روي سطح جامد جذب مي شوند. اين جذب شدن معمولاً با گرما همراه بوده و کمی بزرگتر از گرماي نهان تبخير است. مادة جذب شده در ساختمان كريستالي جامد جايگزين نشده و در آن حل نمي شود بلکه به طور كامل روي سطح جامد باقي مي ماند.
در بيشتر مواقع در حالت تعادل، فشار جزئي ماده جذب شده مساوي با فشار فاز گاز در حال تماس بوده و با پايين آوردن فشار گاز يا با افزايش دما، گاز جذب شده به راحتي دفع ميشود. جذب فیزیکی اختصاصی نمیباشد و مانند چگالش بطور کلی با هر سامانه گاز جامد اتفاق می افتد و به نوع جاذب یا جذب شونده بستگی ندارد به شرطی که ترکیب دما و فشار مناسب باشد. جذب سطحی برگشت پذیر (فیزیکی)، به گازها محدود نمی شود بلکه در مایعات نیز مشاهده شده است.
جذب شيمياييجذب سطحي شيميايي يا جذب سطحي فعال شده، نتيجه پيوند شيميايي بين جامد و مادة جذب شده است. قدرت پيوندهای شيميايي متفاوت بوده و ممکن است تركيبات شيميايي تشكيل نشوند، اما در هر صورت نيروي چسبندگي در اين نوع جذب از جذب فيزيكي بيشتر است. به دليل واكنش شيميايي، گرماي آزاد شده در طي جذب شيميايي معمولاً بزرگتر از جذب فيزيكي است. اين فرآيند غالباً برگشت ناپذير بوده و در مرحله دفع، مواد اصلي اغلب دچار تغيير شيميايي مي شوند. جذب شيميايي بيشتر در كاتاليزورها مشاهده مي شود.
مقدار گرماي جذب فیزیکی با مقدار گرما براي مایع شدن گاز جذب شده برابر است در حالی که گرماي جذب شیمیایی تقریبا با گرماي واکنش شیمیایی برابر است. از سوي دیگر فرایند جذب شیمیایی معمولا توسط مقاومت واکنش سطحی کنترل می شود و سرعت جذب با افزایش درجه حرارت افزایش می یابد.
در جداسازي و خالص سازي مواد، جزء مورد نظر توسط جاذب، جذب می گردد و در نزدیکی نقطه اشباع بستر دیگر کارایی لازم را جهت جداسازي مطلوب نخواهد داشت در این مرحله بستر بایستی توسط روشهاي دفع سطحی احیاء گردیده و سپس جاذب مورد استفاده قرار گیرد.
مقایسه کلی انواع جذب سطحی
مقایسه خصوصیات جذب فیزیکی و شیمیایی ما را به تفاوت های زیر بین این دو نوع سازوکار رهنمون می سازد.
جذب فیزیکی پدیده اي برگشت پذیر است در صورتی که جذب شیمیایی برگشت پذیر نمیباشد.
در جذب فیزیکی تمام سطوح جامد در عمل جذب دخالت می کنند.
گرماي جذب فیزیکی کمتر از گرماي جذب شیمیایی است.
جذب فیزیکی می تواند در دماهاي پایین صورت گیرد زیرا انرژي فعالسازي جذب فیزیکی کم می باشد.
جذب فیزیکی به نوع جاذب و نوع جذب شونده بستگی ندارد و در هر حالتی ممکن است انفاق بیافتد ولی جذب شیمیایی هم به نوع ماده و هم به نوع جاذب بستگی دارد. در جذب فیزیکی همیشه می توان جاذب را بازیابی کرده و دوباره استفاده کرد.
معيار انتخاب فرآيندهاي جذب سطحيمقايسه بين فرآيندهاي مختلف جداسازي در جهت انتخاب مناسب ترين فرآيند، از اهميت خاصي برخوردار است. سهولت جداسازي توسط تقطير بوسيله ضريب فراريت α مشخص مي شود كه براي يك مخلوط دوتايي ايده آل نسبت بين فشار بخارهاي دو جزء مي باشد. علي رغم فوايد تقطير، اساساً اين فرآيند انرژي زيادي مصرف مي كند.
مواردی که فرآيند جذب نسبت به تقطير دارای ارجحیت است مشتمل بر موارد زیر می باشد:
1- جداسازی ترکیباتی که ضريب فراريت اجزاي كليدي آنها در حدود 5/1 يا كمتر باشد. مانند جداسازي ايزومرهاي مختلف يك تركيب.
2- در صورتی که جريان خوراك ارزش كمي داشته باشد. در اين موارد مقدار جزء غيرفرار بالا بوده و غلظت محصول موردنظر نسبتاً كم است، بنابراین جريان برگشتي از نسبت بالايي برخوردار است و در نتيجه نياز به انرژي زياد خواهد بود.
3- براي جداسازي دو گروه از اجزاء كه محدودة جوش آنها داراي محدودة هم پوشاني باشد. در اين موقع حتي اگر ضريب فراريت نيز بزرگ باشد به چندين ستون تقطير نياز داريم.
4- جداسازي در دماي پايين و فشار بالا كه در عمليات تبديل گاز به مايع مورد نياز است.
5- موارد خاص جداسازي كه در آنها هزينه فرآيند جذب به مراتب كمتر از هزينه فرآيند تقطير خواهد بود.
پارامترهاي مؤثر بر جذببر طبق تئوريهاي موجود، ظرفيت جذب تعادلي به عوامل زير بستگي دارد:
نوع جاذب
نوع جذب شونده
شرايط فرآيند
تأثير نوع جاذبجاذبها مواد جامد خلل و فرج داري هستند كه بدليل خاصيت جذبي كه روي سطح خود دارند اجازه مي دهند مولكولهاي برخي مواد روي آنها مجتمع شده و جذب گردند. اين خلل و فرج به شكل ها و اندازه هاي متفاوتي بوده و به شدت در ميزان جذب و نوع ماده اي كه مي تواند جذب كند تاثير دارد.
نوع جاذب به دو صورت بر ظرفيت جذب مؤثر است:
1-حجم كل حفره جاذب
هرچه حجم حفره بيشتر باشد جذب شونده بيشتر جذب مي شود و اگر جريان گاز (يا هوا) به طور كامل با جذب شونده اشباع باشد، ظرفيت جذب تعادلي ماكزيمم حاصل مي شود.
2-توزيع اندازه حفره
مطابق تقسيم بندي IUPAC كه بر اساس سايز حفره ها مي باشد حفره ها را براساس قطر به سه گروه زير تقسيم كرده اند:
– میکروپور: حفره هاي ريز با قطر كمتر از 2 نانو متر
– مزوپور: حفره هاي متوسط با قطر بين 2 تا 50 نانو متر
– ماکروپور: حفره هاي بزرگ با قطر بيشتر از 50 نانو متر
جذب واقعي تقريباً فقط در حفره هاي ريز اتفاق مي افتد. حفره هاي متوسط وظیفه انتقال جذب شونده را از فاز گاز به حفره هاي ريز بر عهده داشته و حفره هاي بزرگ قابليت دسترسي جاذب را تعيين مي كنند. در غلظتهاي پايين جذب شونده، جذب تقريباً فقط در كوچكترين حفره هاي ريز اتفاق مي افتد كه بالاترين انرژي جذب را دارا هستند.
جامدهاي جاذب معمولا به شكل گرانول مصرف مي شوند و قطر آنها از ۱۲ميلي متر تا ۵۰ ميكرومتر متغير است. جاذب ها بر اساس كاربرد و موقعيت مصرف داراي ویژگی متفاوتی مي باشند. مثلا اگر از آنها در يك بستر ثابت با جريان گاز يا مايع استفاده مي شود، نبايد اختلاف فشار زيادي ايجاد كنند و همچنين نبايد توسط جريان سيال به خارج حمل شوند. آنها بايد از مقاومت و سختي خوبي برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنين در اثر وزن خود در بستر خرد نشوند. در صورتي كه بخواهيم آنها را از ظروف نگهداري به داخل و خارج انتقال دهيم بايد به راحتي جريان پيدا كنند. اين ویزگی به راحتي قابل شناسايي هستند.
جذب يك پديده عمومي است و تمام جامدها مقداري از گازها و بخارات را جذب مي كنند ولي در اهداف صنعتي تنها بعضي جامدات ظرفيت جذب لازم را دارند. در جامداتي كه داراي خاصيت جذب بسيار ويژه اي هستند و به مقدار زياد جذب انجام مي دهند، طبيعت شيميايي آنها با ویژگی جذب رابطه دارد ولي صرف شناسايي شيميايي براي بیان مفيد بودن آنها كافي نيست. وجود سطح زياد در واحد جرم، براي جاذب هاي مفيد ضروري است. در جذب گازي، سطح واقعي، سطح ذرات گرانول نيست بلكه سطح بزرگتري است كه داخل سوراخها و شكافها را شامل مي شود. سوراخها خيلي كوچك بوده و معمولا در حدود چند مولكول قطر دارند ولي تعداد زياد آنها باعث توليد سطح بزرگتري براي جذب ميشود. ویژگی ديگري وجود دارد كه از اهميت زيادي برخوردار می باشد ولي همه آنها شناخته شده نيستند و براي بررسي قابليت جذب بايد به مشاهده و تجربه اتكا كرد.
فشار بخار يك مايع يا گاز در حفره هاي موئينه با فشار بخار آن در شرايط عادي متفاوت است. اگر لوله موئينه داشته باشيم فشار بخار كمتر از فشار بخار در سطح آزاد است. به عبارت ديگر نقطه جوش آن در فشار ثابت بالاتر است. يعني اينكه در لوله هاي موئينه بخار زودتر ميعان می شود. هر چه سوراخهاي يك جاذب ريزتر باشد فشار بخار در آن كمتر بوده و عمل ميعان زودتر صورت مي گيرد بنابراين در جاذبهاي ميكروپور و مزوپور علاوه بر اينكه روي سطح جامد عمل جذب صورت مي گيرد، بدليل وجود خلل و فرج ريزتر، كندانس شدن گاز نيز صورت مي گيرد. هرچند در جاذبهاي ميكروپور عمل دفع نيز سخت صورت مي گيرد.
تأثير نوع جذب شوندهروشن است كه جذب شونده بايد به اندازه كافي كوچك باشد تا در حفره هاي جاذب جاي گيرد و دانسيته نيز روي ماكزيمم جرم جذب شونده مؤثر است. دو پارامتر اول روي ميزان جذب شده مؤثرند، در حاليكه نقطه جوش و ساختار جذب شونده روي توان جذب مؤثر هستند. اساساً يك جذب شونده با نقطه جوش بالاتر بيشتر از يك جذب شونده با نقطه جوش پائين تر جذب مي شود. شكل جذب شونده نيز تأثير زيادي دارد. مثلاً بنزن نسبت به هگزان بهتر به درون حفره ها نفوذ مي كند.
اثر شرايط فرآيندشرايط موثر بر ظرفيت جذب تعادلي عبارتند از:
1-غلظت جذب شونده
2- دماي جذب
در غلظتهاي پايين، جذب فقط در كوچكترين حفره هاي ريز اتفاق مي افتد در حاليكه در غلظتهاي بالا، حفره هاي بزرگتر نيز در جذب شركت مي كنند كه در نتيجه ظرفيت جذب تعادلي بالاتر مي رود.
دماي جذب روي مقدار انرژي جذب شونده موثراست. به عبارت ديگر دماي جذب بالاتر، معادل ظرفيت جذب پائين تري است. پارامترها و شرايط ديگر فرآيند روي ظرفيت جذب اثري نداشته و روي زمان مورد نياز براي رسيدن به تعادل موثرند.
جاذب ها
جاذب ها داراي خاصیت جذب انتخابی هستند به این معنی که بسته به ساختمان و نوع جاذب میتوانند برخی از موادي را بیشتر از سایر مواد موجود در سامانه جذب کنند. به طور كلي براي هر فرايند جذب، انتخاب جاذب مهمترين قسمت طراحي مي باشد در نتيجه بايد مواردي نظير ظرفيت، گزينش پذيري، قابليت احيا، سينتيك، سازگاري، قيمت و … مورد توجه قرار گيرد که در اینجا به صورت مختصر شرح می دهیم:
ظرفيتظرفيت جذب مهمترين ویژگی هر جاذب است و برابر است با مقدار ماده اي كه در واحد جرم (يا حجم)جاذب، جذب مي شود. اين خاصيت به غلظت فاز سيال، دما و ديگر شرايط، به ويژه شرايط اوليه جاذب، بستگي دارد. معمولاً اطلاعات مربوط به ظرفيت جذب، در دماي ثابت و غلظتهاي مختلف ماده جذب شونده يا فشار جزئي بخار و يا گاز اندازه گيري مي شود و داده هاي بدست آمده در يك منحني بنام منحني همدما رسم مي شوند. ظرفيت جذب اصلي ترين فاكتور در تعيين قيمت جاذب مي باشد زيرا اين فاكتور مقدار جاذب مورد نياز براي فرايند را مشخص کرده، و همچنين اندازه بستر جذب را تعيين مي نمايد.
گزينش پذيرياين فاكتور به ظرفيت جذب مرتبط است، ولي تعاريف مشخص ديگري براي اين فاكتور نيز وجود دارد. ساده ترين تعريف براي گزينش پذيري عبارتست از نسبت ظرفيت جذب يك جزء به ديگر جزء در غلظت مشخص سيال. اين نسبت معمولاً با كاهش غلظت و نزديك شدن به صفر، به يك مقدار ثابت نزديك مي شود.
قابليت احياتمام فرايندهاي جذب سيكلي، بر اساس خاصيت احياي جاذب استوار هستند و همين فاكتور سبب كاركرد يكنواخت جاذبها در فرايندهاي سيكلي مي شود. در حقيقت قابليت احيا به اين معناست كه هر جزء جذب شونده فقط بايد به شكل فيزيكي جذب جاذب شود و يا مي توان گفت جذب آن بر روي جاذب ضعيف باشد. گرماي جذب، مقدار انرژي لازم براي احياي جاذب را تعيين مي كند.
سينتيكسينتيك انتقال جرم يك واژه كلي است كه با مقاومت انتقال جرم درون ذره اي ارتباط دارد. اين فاكتور به علت كنترل زمان سيكل فرايندهاي جذب با بستر ثابت، داراي اهميت ويژه اي است.
سازگارياين فاكتور، اتفاقات شيميايي و فيزيكي مختلف را كه سبب كاهش عمر مفيد جاذب مي شوند مانند رسوب بيولوژيكي و يا سائيدگي را پوشش مي دهد. براي مثال يك جاذب نبايد به شكل بازگشت ناپذير با مواد جذب شونده واكنش دهد. همچنين شرايط عملياتي مثل سرعت، دما، فشار و لرزش ها نبايد سبب تجزيه ناخواسته ذرات جاذب شوند.
قيمتقيمت، ظريف ترين فاكتور براي انتخاب يك جاذب مي باشد زيرا حتي براي يك جاذب مشخص، قيمت داراي تغييرات زيادي از يك كمپاني به كمپاني ديگر مي باشد. به ندرت يك جاذب تمام شرايط لازم را داراست. براي اينكه يك جاذب به شرايط مورد نظر نزديك شود، لازم است تا ویژگی آن بهبود يابد.
جاذب مورد استفاده در هر فرايند بايد داراي قابليت بالايي براي جداسازي جزء مورد نظر باشد، همچنين لازم است سرعت دفع و جذب جزء مورد نظر بالا باشد. مبناي علمي و اصلي براي انتخاب جاذب، هم دماهاي تعادلي هستند. از اين رو به همدماهاي تعادلي همه عناصر و سازنده ها در فشار و دماي عملياتي و در مخلوط گازي بايد توجه كرد.
طول استفاده نشده از بستر (LUB)طول استفاده نشده از بستر توسط هم دماي تعادلي مشخص مي شود و اين طول معمولاً نيمي از منطقه انتقال جرم است. هر چه اين طول كمتر باشد ميزان بهره وري از جاذب و خلوص محصول بالا مي رود. توزيع اندازه ذره نيز مي تواند در LUB تأثير داشته باشد ولي اهميت آن به میزان اهميت ايزوترم های تعادلي نمي رسد. علاوه بر اينها براي انتخاب جاذب به فاكتورهاي ديگري نيز بايد توجه كرد. مثلاً براي جريانهاي گازي حاوي رطوبت، كربن فعال تنها جاذب تجاري مناسب است زيرا جاذبهاي ديگر به يك مرحله خشك كردن مقدماتي نياز دارند.
روشهاي احیاي جاذببسیاري از فرایند هاي تجاري براي خالص کردن و جداکردن گازها از دو یا چند بستر پرشده جاذب استفاده میکنند. ساده ترین ساختار، دو برج پرشده است که یکی به عنوان جذب کننده عمل میکند درحالی که دیگري، که توسط جریان گاز اشباع شده است، به عنوان یک احیاء کننده عمل میکند. پس از آن نقش دو بستر معکوس می شود و جذب کننده، احیاء کننده می شود در حالیکه بستري که به تازگی احیاء شده است، جذب کننده میشود. سپس چرخه در بازه زمانی، که از قبل مشخص شده است، تکرار می شود. بنابراین در حالی که هر یک از بسترها به صورت ناپیوسته عمل میکنند، جریان پیوسته خوراك و محصول به صورت پایا در سامانه وجود خواهد داشت. مدت زمان چرخه، در درجه اول بستگی به روش احیاء بستر بوسیله تغییر فشار یا تغییر دما دارد.
در بسیاري از کاربردها، احیاء و استفاده دوباره از جاذب از نظر اقتصادي ضروري است. همانگونه که قبلا بیان شد روش هاي عملی احیاء شامل یک یا ترکیبی از این موارد است:
1- تناوب دما (TSA)
2- تناوب فشار (PSA)
3- خارج کردن با گاز خنثی
4- جایگزینی با یک جزء قوي تر از نظر قدرت جذب سطحی
انتخاب روش نهایی احیاء بستگی به شرایط تکنیکی و محدودیتهاي اقتصادي دارد.
تعادل: منحنی هم دماي جذبمنحنی هم دماي جذب، رابطه تعادلی بین غلظت در فاز سیال و غلظت در ذرات جاذب در دماي مشخص است. غلظت مایعات اغلب بر حسب واحد هاي جرم، مانند قسمت در میلیون است، در حالی که غلظت در گازها بر حسب جزء مولی بیان میشود. غلظت ماده جذب شده روي جامد به صورت جرم جذب شده به واحد جرم جاذب اولیه مشخص می شود. به منظور اینکه بتوانیم ظرفیت جذب دینامیکی یا عملی را تخمین بزنیم بایستی ابتدا اطلاعاتی را نسبت به تعادل جذب سطحی در حالت استاتیک داشته باشیم. سپس تحلیل سینتیکی بر اساس فرآیند هاي سرعت که بستگی به نوع فرآیند هاي تماس دارد انجام می شود.
برخی اشکال منحنی هاي هم دما به صورت نمودارهاي حسابی شکل 1-1 نشان داده شده اند. منحنی هم دماي خطی از مبدا می گذرد و در آن، مقدار ماده جذب شده متناسب با غلظت آن در سیال است. منحنی هم دمایی که انحناء آن ها رو به بالاست، مطلوب خوانده می شود چرا که می توان بار نسبتا زیادي را از سیالی با غلظت کم به دست آورد. حالت حدي یک منحنی هم دماي بسیار مطلوب جذب، برگشت ناپذیر است که در آن مقدار ماده جذب شده تا غلظت هاي بسیار پایین مستقل از غلظت است. با افزایش دما مقدار ماده جذب شده در تمام سامانه ها کاهش می یابد، در نتیجه می توان با بالا بردن دما، ماده جذب شده را حتی از سامانه هاي برگشت ناپذیر هم جدا کرد. اما وقتی که جذب بسیار مطلوب یا برگشت ناپذیر است در مقایسه با منحنی هاي هم دماي خطی، واجذبی به دماي بسیار بیشتر نیاز دارد. منحنی هم دمایی که انحناي آن رو به پایین است نا مطلوب خوانده می شود، چرا که بار نسبتا کمی از ماده جذب شده بر روي جامد می نشیند و منجر به ایجاد منطقه انتقال جرم بسیار طولانی می شود. این نوع منحنی هاي هم دما نادرند ولی به منظور کمک به درك فرآیند احیاء ارزش مطالعه دارند. اگر منحنی هم دماي جذب مطلوب باشد مشخصات انتقال جرم از جامد به فاز سیال(فرایند دفع) به مشخصات جذب در منحنی هم دماي نا مطلوب شباهت دارد.

شکل 1-1: منحنی هم دمای جذب سطحیدر حالت تعادل بين غلظت در فاز جاذب و غلظت (يا فشار) در فاز سيال و دما رابطه اي به صورت زیر برقراراست q = f (C, T)
كه C غلظت تعادلي سيال، T دماي مطلق و q غلظت تعادلي در فاز جاذب است. مي توان براي بيان رفتار تعادلي جذب، معادله فوق را در سه حالت مختلف بررسي كرد.
در حالت اول رابطه بین مقدار جذب شده qو غلظت در فاز سیال C در دماي T ایزوترم جذب سطحی نامیده می شود.
q = f(C)دما ثابت
در حالت دوم رابطه بین غلظت و دما که مقدار ماده جذب شده مشخص q را نتیجه می دهد ایزومتر جذب سطحی می نامند.
C = f (T)میزان جذب ثابت
حالت سوم حالتی است که جذب در فشار ثابت انجام میگیرد و به آن ايزوبار میگویند. در اين حالت با تغيير دما، غلظت در فاز جامد تغيير مي كند در حالي كه فشار سيال ثابت است:
q = f (T)فشار ثابت
براي بيان رفتار تعادلي سيستم هاي جذب حالت اول يعني ايزوترم جذب متداولتر است و كاربرد بيشتري دارد.
ایزوترم هاي جذب سطحی در شکل هاي مختلف ریاضی بیان می شوند، که بعضی از آن ها بر اساس شکل فیزیکی ساده شده جذب سطحی و دفع هستند در حالیکه سایر روابط، کاملا تجربی هستند و هدف آن است که داده آزمایشگاهی را به صورت معادلات ساده با دو یا سه پارامتر تجربی بیان کنیم. هر چه تعداد پارامترهاي تجربی بیشتر باشد، برازش بهتري بین داده آزمایشگاهی و معادله تجربی وجود خواهد داشت ولی معادلات تجربی که به فاکتورهاي فیزیکی ربط نداشته باشد، اهمیت عملی خاصی ندارد.
ایزوترم هاي جذب سطحیمهمترين ايزوترمهايي كه تاكنون مشاهده شده اند به پنج نوع طبقه بندي مي شوند در شكل 1-2 اين پنج نوع، نشان داده شده اند.
نوع I ساده ترين نوع ايزوترم است که ايزوترم لانگموير نامیده می شود و يك ايزوترم ايده آل ميباشد که براي فشارهاي پايين و لحظه هاي اوليه جذب مناسب است. مولكولها با گذشت زمان سطح را ميپوشانند و جذب به راحتي انجام پذير نخواهد بود. این ایزوترم غالباً براي جاذبهاي ميكروپور ( مانند كربن اكتيوها و زئوليتها) بكار برده مي شوند.
ايزوترم نوع II به ايزوترم BET معروف است. این نوع ايزوترم براي مواد غير متخلخل با پيوند هاي قوي سیال و سطح ارائه مي گردند.
ايزوترم هاي نوع III نشان دهنده جذب مولكولها به صورت چند لايه اي هستند. اما در اين حالت قبل از آنكه لايه اول تشكيل شود، لايه هاي متعدد جذب ميشوند. اين رفتار هنگامي اتفاق ميافتد كه نيروي جذب بين سطح جاذب و گاز كمتر از نيروي جاذبه بين مولكولهاي جذب شده باشد. ايزوترمهاي نوع II و III معمولا تنها در جاذب هايي كه در آنها يك دامنه وسيع از اندازه حفره ها وجود دارد، مشاهده مي شوند. در چنين سيستم هايي با افزایش فشار يك افزايش پيوسته از جذب تك لايه اي به جذب چند لايه اي و سپس به ميعان مويينه وجود دارد. افزايش در ظرفيت در فشار بالا به دليل ميعان مويينه در حفره هايي است كه با افزايش فشار قطرشان افزايش مي يابد. ايزوترمهاي نوع IVو V نشان گر معادلاتي اند كه اثر خاصيت مويينگي جذب در آنها ديده مي شود. در اين نوع ايزوترمها، دفع و جذب داراي نمودارهای متفاوتي اند. (اين دو نوع، لوپHystersis را نشان مي دهند).

شکل 1-2: پنج نوع ایزوترم های جذب ( P0 فشار بخار اشباع است)از ميان ايزوترمهاي فوق، نوع I وII از رايج ترين ايزوترمها در فرآيندهاي جداسازي به شمار مي روند.
جذب در پوشش كم، قانون هنرياين قانون براي جذب فيزيكي كه هيچ تغييري در حالت مولكولي روي جاذب وجود نداشته باشد، معتبر است. بر طبق اين قانون، براي جذب به روي يك سطح يكنواخت در غلظت هايي به اندازه كافي پايين، به قدري كه تمام مولكول ها از نزديكترين مولكول مجاورشان نيز ايزوله باشند، رابطه تعادلي بين فاز سيال و غلظت فاز جذب شده، خطي مي باشد. اين رابطه خطي، به دليل تشابه با رفتار حدي محلولها و گازها در مايعات و ثابت بودن ضريب تناسب به قانوني هنري شناخته مي شود و به ثابت تعادل جذب نيز ثابت هنري گفته مي شود. ثابت هنري ممكن است تابع فشار يا غلظت باشد:
q = KC یا q = K´p
q و C به ترتيب غلظت برحسب مول بر واحد حجم در فاز جذب شده و سيال است.
مدل تعادلي لانگمويرساده ترين و مفيدترين مدل تئوري جذب تك لايه اي در فرآيندهاي جداسازي در سال 1918 توسط لانگموير ارائه شد. مدل لانگمویر در اصل براي بيان جذب شيميايي در يك مجموعه متمركز مشخص روي یک سطح یکنواخت حرارتی در محل هاي جذب، ايجاد شده است.
فرضيات اصلي مدل لانگموير :
مولكول ها در محل هاي متمركز تعريف شده جذب ميشوند.
هر محل ميتواند تنها يك مولكول جذب شده را نگهداري كند.
تمام محل ها از لحاظ انرژي یکسان مي باشند.
هيچ برخوردي بين مولكولهاي جذب شده در محل هاي همجوار وجود ندارد.
پوشش سطح یا پر شدن کسري منافذ ریز برابر است با θ=qqs که qs تعداد كل محل ها در واحد وزن يا حجم جاذب مي باشد و فشار جزیی در فاز گازP میباشد که وقتی غلظت داخل فاز سیال استفاده شود با C(=P/RT) جایگزین می شود. سرعت جذب سطحی با فرض سرعت واکنش درجه اول، به صورتKaP(1- θ) می باشد. در این صورت سرعت دفع برابر خواهد بود با Kd θ.
در حالت تعادل سرعتهاي جذب و دفع برابرند. دراینصورت خواهيم داشت:
(1-2)θ1-θ=KaKd.P=bP
كه در آن b=KaKd ثابت تعادل جذب ميباشد.
معادله بالا به صورت زير بازنويسي ميشود :
(1-3)θ=qqs=bp1+bpدر حالت اشباع، میزان جذب شده به میزان تعادلی میرسد و فشار به بی نهایت نزدیک می شود. در غلظتهاي پايين مقدار q نزدیک به صفر است و داریم:
(1-4)
در نتیجه: θ1-θ→qqs(1-5)limp→0qp=bqs=K’که بیانگر اینست که معادله لانگمویر به معادله نوع هنري تغییر می یابد.
روش مقايسه نتايج تئوري مدل لانگموير با داده هاي تجربي معمولاً عبارتست از رسم p/q برحسب p و يا 1 /q برحسب 1/p. بدين ترتيب معادلات به اين شكل مرتب مي شوند:
(1-6)pq=1bqs+pqsبنابراين بديهي است كه پارامترهاي مدل qs و b به سادگي از روي شيب و عرض از مبدأ بدست مي آيند. رسم p/q برحسب p به انحرافات كوچك حساستر است زيرا متغير p در هر دو وجود دارد. مدل لانگموير زماني از لحاظ كيفي صحيح است كه ايزوترم نوع I نشان داده شود و انطباق مناسبي روي محدودة وسيعي از غلظت با انتخاب معقول qs و b در اين حالت قابل حصول است.
ايزوترم لانگموير با احتساب اثر متقابل مولكولهايكي از اصلاحات صورت گرفته روي ايزوترم لانگموير، در نظر گرفتن اثر متقابل مولكولهاي جذب شده مجاور است. اين اثر به نيروهاي واندروالس مربوط بوده و بنابراين با جذب فيزيكي که بیشتر مربوط به نیروی واندروالس است افزايش مي يابد.
ايزوترم لانگموير روي سطوح ناهمگن؛ ايزوترم فرندليچیک نمونه واقعی ایزوترم ها که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد معادله فرندليچ است. در بحث اصلي لانگموير، مقدار جذب شده در اصل مجموعي است از جذبی كه به روي تمام مراكز فعال انجام گرفته است. هر كدام از اين مراكز مقدار b مخصوص به خود داشته و مقدار حرارت نيز متوسط گيري شده است. Zeldowitch يك تابع نمايي كاهشي از دانسيته مراكز فعال نسبت به q فرض كرد و يك ايزوترم تجربي كلاسيك به دست آورد كه به ايزوترم فرندليچ معروف است.
(1-7)q=kfC1nFاین معادله اغلب به عنوان معادله تجربی بررسی می شود. تفسیر این معادله از لحاظ تئوري به صورت جذب روي سطح نا همگن انرژي ممکن می باشد.
ايزوترم لانگموير روي سطوح ناهمگن، معادله لانگموير- فرندليچ:به دليل محدوديت مدل لانگموير در پيش بيني تعادل مخلوط، افراد مختلفي معادلات را با استفاده از رابطه تواني با شكل فرندليچ اصلاح كردند. لانگموير جذبي را در نظر گرفته بود كه هر مولكول دو مركز را اشغال كند. در اين حالت دو مركز فعال براي جذب و دفع احتياج است و از اينرو سرعتهاي دفع و جذب با θ و 2θ متناسبند. ايزوترم حاصل عبارتست از:
(1-8)θ=bP121+(bP)12و در جائيكه n سايت اشغال شود خواهيم داشت:
(1-9)θ=bP1n1+(bP)1nبر طبق ايزوترم فرندليچ، مقدار جذب شده به طور معيني با فشار افزايش مي يابد. هر دو ايزوترمهاي لانگموير و فرندليچ داراي دو پارامتر هستند. ايزوترمهاي حاصل روابط مناسبي براي پوشاندن مقادير آزمايشي در محدوده وسيعي از فشار و دما هستند.
هر چند مفهوم ترموديناميكي كاملي براي اين مدل وجود ندارد، عبارت فوق تطبيق خوبي باروابط تجربي تعادل دوجزئي براي يك تعداد از گازهاي ساده روي جاذبهاي غربال مولكولي نشان داده اند و بطور وسيعي براي اهداف طراحي مورد استفاده قرار ميگيرند. با اين حال به دليل عدم وجود پايه تئوري مناسب براي اين معادلات در استفاده از آنها بايد احتياط نمود.

بخش دوم: بررسی ویژگی اورانیوماورانیوم
یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن، U و عدد اتمی آن 92 می‌باشد. اورانیوم که یک عنصر سنگین، سمی، فلزی، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقره‌ای می‌باشد، به گروه آکتیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هسته‌ای و سلاح های هسته‌ای استفاده می‌شود. معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز در صخره‌ ها، خاک، آب، گیاهان و جانوران از جمله انسان یافت می‌شود. اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره‌ای و با خاصیت رادیواکتیوی می‌باشد که کمی از فولاد نرم‌تر است.این فلز چکش‌خوار، رسانای جریان الکتریسیته و کمی پارا مغناطیس می‌باشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالی سرب می‌باشد. اگر اورانیوم به‌خوبی جدا شود، به شدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید می‌شود. اورانیوم استخراج شده از معادن، می‌تواند به‌صورت شیمیایی به دی‌اکسید اورانیوم و دیگر گونه‌های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.اورانیوم در صنعت سه نوع دارد:
آلفا که تا دمای 7/667 درجه پایدار است.
بتا که از دمای 7/667 تا 8/774 درجه پایدار است.
گاما که از دمای 8/774 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. (این رساناترین و چکش‌خوارترین نوع اورانیوم می‌باشد. )
اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-235 ,U-234 و U-238 تشکیل شده است که U-238 فراوانترین آنها می باشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر 235U برابر است با 4/5×109 سال که پایدارترین ایزوتوپ می باشد. دو ایزوتوپ مهم آن U-238 و U-235 می‌باشند که U-235 مهمترین ایزوتوپ برای راکتورها و سلاحهای هسته‌ای است چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که در طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته می‌شود.
ایزوتوپ U-238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ 239Pu پلوتونیوم تجزیه می‌کند. اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که می‌توانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ 235U آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U-236 تبدیل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم می‌شود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید می‌کند. اگر این نوترونها توسط هسته U-235 دیگری جذب شوند، عملکرد حلقه هسته‌ای دوباره اتفاق می‌افتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد، به حالت انفجاری در می‌آیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد.
کاربردهای فلز اورانیومفلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی می‌باشد. اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده می‌شود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنی‌شده برای سوخت ناوگان خود و زیردریایی‌ها و همچنین سلاحهای هسته‌ای استفاده می‌کنند. اورانیوم موجود در سلاحهای هسته‌ای بشدت غنی می‌شوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% می‌باشد. مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هسته‌ای است که در آنها سوخت U-235 به میزان حدود 5% غنی می‌شود. لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است ( که داخل فرایند غنی سازی نمی‌شود ) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه می‌شود. نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب می سازد.
تولید و توزیع
اورانیوم اقتصادی از طریق کاهش هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی تولید می‌شود. همچنین فلز اورانیوم می‌تواند از طریق عمل الکترولیز 5KUF یا 4Uf که در 2CaCl و NaCl حل شده است، بدست آید. اورانیوم خالص نیز از طریق تجزیه حرارتی هالیدهای اورانیوم حاصل می‌شود. معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید می‌کنند، چرا که گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا 30% ذخایر دنیا را شامل می‌شود.
هشدارها
تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر می‌تواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب می‌رساند. ویژگی رادیواکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام مند است. در کل ترکیبات اورانیوم به‌سختی جذب روده و ریه می‌شوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی می‌ماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتش‌سوزی به همراه دارد. فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت می‌گیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا 07/0 تا 1/1 میکروگرم می‌باشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هسته‌ای و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی می‌کنند، بیشتر در معرض این عنصر قرار می‌گیرند. اورانیوم ممکن است که از طریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمی‌شود و ذرات آلفای ساطع شده از این عنصر نمی‌تواند به پوست نفوذ کند. بنابراین اورانیومی که خارج از بدن باشد، نمی‌تواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود، ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیه‌ها آسیب برساند.
هگزافلوراید اورانیوم
هگزافلوراید اورانیوم، ترکیب شیمیایی است که حاوي یک اتم اورانیوم و 6 اتم فلوئور است، این ترکیب در فرآیند غنی سازي اورانیوم مورد استفاده قرار می گیرد و دلیل انتخاب آن اینست که اتم فلوئور تنها دارای یک ایزوتوپ می باشد و در اختلاف وزن مولکولی دو گونه ترکیب UF6 تفاوت تنها مربوط به ماده اورانیوم می باشد و بدین دلیل به راحتی میتوان با کمک روش های موجود ایزوتوپ U-235 را غنی سازی کرد. تحت شرایط دما و فشار مناسب این ترکیب می تواند به صورت جامد، مایع و یا گاز باشد. UF6 جامد، ماده اي سفید، چگال و بلوري است (مثل سنگ نمک). UF6 در فاز مایع، بیرنگ، چگال و داراي و یسکوزیته پایین می باشد و میتواند آزادانه جریان یابد و سطح مخزنش را کاملاً مرطوب کند.
با کاهش دما UF6 در فشار های کمتر از 5/1 اتمسفر بدون عبور از فاز مایع از فاز گاز وارد فاز جامد می شود.UF6 مایع فقط زمانی به دست میآید که دما بیش از 147 0F یا 64 0C و فشار نیز 1/5برابر فشار جو و حدود 22 psi باشد. این دما و فشار نقطهی سه گانه UF6 را نشان می دهد. در فشار جو وقتی دما به 57 0C برسد، UF6 جامد بدون عبور از فاز مایع مستقیماً به گاز تبدیل میشود.
هگزا فلوراید اورانیوم با اکسیژن، نیتروژن، دي اکسید کربن و یا هواي خشک واکنش نمیدهد اگر چه هر یک از این گازها در فاز مایع UF6 محلول می باشند.UF6 با آب یا بخار آب واکنش میدهد به همین دلیل UF6 در مخازن ایزوله و یا وسایل فراوري ضد نشت نگهداري و به کار برده میشود. UF6 میتواند با بیشتر فلزات وارد واکنش شود و فلوراید آن فلز را همراه با مقدار کمی فلوراید اورانیوم با ظرفیت کم تولید نماید. نیکل یا فولاد پوشیده شده با آن، مونل، مس و بعضی از آلیاژهاي آلومینیوم به دلیل مقاومتشان در برابر UF6 در ساخت تجهیزات کاربرد دارند.
روش های تولید انرژی هسته ایاساساً دو شیوه ی بنیادی برای آزاد سازی انرژی یک «اتم» وجود دارد:
1- شکافت هسته ای: می توان هسته ی یک «اتم» را با یک «نوترون» به دو جزء کوچک تر تقسیم کرد. این همان شیوه‌ای است که در مورد ایزوتوپ های اورانیوم (یعنی اورانیوم 235 و 233) به کار می‌رود. در این روش هسته یک اتم توسط یک نوترون به دو بخش کوچکتر تقسیم می‌شود. در این روش غالباً از عنصر اورانیوم استفاده می‌شود.
2- گداخت هسته ای: می توان با استفاده از دو اتم کوچک تر که معمولاً هیدورژن یا ایزوتوپ های هیدورژن (مانند دوتریوم و تریتیوم) هستند، یک اتم بزرگ مثل هلیوم یا ایزوتوپ های آن را تشکیل داد. این همان شیوه‌ای است که در خورشید برای تولید انرژی به کار می‌رود.
فرآیند هر دو شیوه، دست یافتن به میزان عظیمی از انرژی گرمایی و تشعشع است.غني سازيهمانگونه که بیان شد سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 235 به مقدار 7/0 درصد و اورانیوم 238 ‏به مقدار 3/99 درصد و مقدار کمی اورانیوم 234 تشکیل شده است. اگر ما بخواهيم از اورانيوم 235 بعنوان سوخت در نيروگاههای حرارتی، استفاده كنيم اورانيوم به شكل طبيعي قابل استفاده نيست و بايد درصد اورانيوم 235 را در سوخت تا حدود 5 درصد بالا ببريم زيرا فقط اورانيوم 235 با نوترونهاي گرمايي واكنش شكافت انجام مي دهد. به اين كار اصطلاحا غني سازي اورانيوم مي گويند، كه از عهده هر كشوري بر نمي آيد زيرا اين عمل بسيار پرهزينه و گران است و نياز به تخصص فوق العاده زيادي دارد.
مراحل غني سازي، به اختصار به اين صورت است كه ابتدا سنگ معدن اورانيوم استخراج شده را آسياب كرده و به صورت پودر در مي‌آورند.( معدن اورانيوم صخره اي است كه در هر تن دارای حدود نیم تا دو کیلوگرم اكسيد اورانيوم مي باشد كه معادل 05/0 تا 2/0درصد اكسيد اورانيوم است. از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم ‏‏140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 ‏خالص در آن وجود دارد). ‏ سپس به اين پودر، اسيد سولفوريك اضافه مي‌كنند و پس ازطي فرآيند شيميايي خاصي و تخلیص سازی، اكسيد اورانيوم را با اسيد سولفوريك تركيب کرده و به سولفات اورانيل تبديل می کنند ودر آخر با افزودن حلال‌هاي مخصوصي به سولفات اورانيل، ماده‌اي جامدي به نام اكسيد اورانيوم‌U3O8 (كيك زرد) به وجود مي ايد كه شامل 70 درصد اورانيوم بوده و داراي ویژگی پرتوزایي مي باشد. كيك زرد اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید می‌باشد اگرچه تولید امروزه كيك زرد بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه می گراید تا زرد. براي غني سازي اورانيوم، بايد ابتدا كيك زرد را با اتم فلئور (F-9)، ترکیب کرده و به صورت گاز هگزا فلورايد اورانيوم (UF6) در بیاوریم. هگزا فلوريد اورانيوم UF6 جامد است كه در دماي بالاي 56 درجه سانتيگراد بخار مي شود. از این مرحله به بعد برای غنی سازی اورانیوم می توان از روشهای زیر استفاده نمود.
روش انتشار (پخش) حرارتی
روش انتشار (پخش) گازها
روش الکترومغناطیسی
روش مرکزگریز گازی
روش مرکزگریز گازی زیپه
روش‌های لیزری
روش شیمیایی
روش پلاسمایی
از بین تمامی این روشها هم‌اکنون تنها دو روش “سانتریفوژ گازی” و “پخش گازی” است که در مقیاس تجاری اهمیت داشته و کاربردهای عملی وسیع پیدا کرده‌اند.
غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژسانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده می‌شود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می آورد. در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌گردد. کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می‌شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده‌اند که به آنها هایپر سانتریفیوژ گفته می‌شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام پخش و توزیع گازی استفاده می‌کردند.
گردش سریع روتور، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید می‌کند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ هستند) از مرکز محور گردش دورتر می‌گردند و مولکولهای سبکتر (اورانیوم ۲۳۵) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار می‌گیرند. در غنی سازی اورانیوم با روش سانتریفوژ گازی، از تعداد زیادی سیلندر دوار که به صورت موازی و سری کنارهم قرار داده شده‌اند، استفاده می‌شود. باید هزاران سانتریفیوژ در کنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم اورانیوم را غنی کنیم یعنی با یک یا چند سانتریفیوژ نمی‌توان اورانیوم را غنی کرد.
غنی سازی اورانیوم از طریق میدان مغناطیسی بسیار قویدر این روش هگزا فلوئورید اورانیوم را حرارت می دهند تا تبخیر شود و اتم های اورانیوم و فلوئورید از هم جدا شوند. سپس، اتم های اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند، میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیوم نیرو وارد کرده و از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیوم (اورانیوم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیوم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیوم 235 را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.
تله شیمیاییدر واحد غنی سازی اورانیوم بوسیله سانتریفیوژ، گاز UF6 پس از عبور از سانتریفیوژ و انجام فرایند غنی سازی، وارد تله سرد شده و در دمای پایین جامد و جمع آوری می گردد. بعد از رسیدن فشار داخل تله سرد به مقدار مشخصی، شیر خروجی تله سرد را باز می کنند و گازهای جمع شده داخل تله به همراه میزان کمی گاز UF6 که مقدار آن برابر فشار بخار UF6 در دمای تله سرد می باشد از تله سرد خارج می شوند. گاز UF6 و HF بسیار سمی و خورنده می باشند و صدمات جبران ناپذیری را به پمپ ها و محیط زیست وارد می کند. جهت جلوگیری از آلودگی محیط زیست و همچنین صدمه دیدن پمپ ها باید این مقادیر کم گاز های UF6 و HF موجود در گاز خروجی از تله سرد حذف شوند. بنابراین جریان گاز قبل از ورود به پمپ وارد تله های شیمیایی می شود تا در آنجا در اثر جذب سطحی، گازهای مورد نظر حذف گردند.
تله هاي شیمیایی معمولا در صنایع غنی سازي استفاده می شوند تا مقادیر کم باقیماندهی هگزا فلورید اورانیوم و فلورید هیدروژن را از جریان هاي گازي، خارج کند. سودمندي تله هاي شیمیایی به طور وسیعی بستگی به ماده جاذب ویژه اي دارد که استفاده می شود. متاسفانه انتخاب جاذب مناسب به راحتی امکان پذیر نیست و بایستی توسط مقایسه چند عامل عملکرد، انتخاب کرد. افت فشار، ظرفیت جاذب، سرعت واکنش، احیا جاذب و تاثیر اجزا جاذب از قبیل مهمترین پارامترهایی هستند که ممکن است تاثیر یکی یا دو تا از آن ها در مقایسه کلی اهمیت بیشتري داشته باشند. براي مثال، کاهش فشار ممکن است مهمترین عامل در انتخاب سیستم هایی باشد که در شرایط عملیاتی فشار کم کار می کنند و یا بازیافت ماده جذب شده در سیستم هایی که در آن مقدار زیادي اورانیوم مجبور است در تله ها به دام بیافتد.
بررسی انواع جاذب مورد استفاده در سیستم غنی سازی اورانیومدر صنعت غنی سازی جهت جذب مقدار کم هگزا فلورید اورانیوم و فلورید هیدروژن خروجی از تله سرد از جاذب هایی مانند کربن فعال، سدیم فلوراید (NaF) و آلومینا(Al2O3) استفاده می شود. در این قسمت به اختصار مزایا و معایب این جاذب ها مورد بررسی قرار میگیرد.
در مجموعه غنی سازی NEF كربناكتيو و آلومينا در تلههاي شيميائي بين تلههاي سرد و پمپهاي خلا استفاده ميشود، در حالي كه در تلههاي شيميائي دامپ اضطراري از قرصهاي NaF استفاده ميگردد. علی رغم مزیت های بارز کربن اکتیو و آلومینا نسبت به سدیم فلوراید، به دلیل ویژگی های خاص این ماده و نیز وظایف خط دامپ به عنوان یک مسیر اضطراری در زنجیره های غنی سازی، در این خطوط تنها می توان از سدیم فلوراید به عنوان جاذب استفاده کرد. دلیل اصلی انتخاب سدیم فلوراید اینست که گرمای جذب UF6 بدلیل جذب فیزیکی در حد گرمای چگالش می باشد و می توان حجم زیادی از اورانیوم را در معرض آن قرار داد و چون در دامپ مجموعه غنی سازی احتمال وجود ناگهانی حجم زیادی از UF6 وجود دارد از جاذب NaF استفاده می گردد. جاذب فلورید سدیم در صنعت به صورت قرص های سفید وجود دارد و می توان با افزایش دما تا 650 0F جاذب را احیا کرده و UF6 را از سطح آن جدا کرد. NaF تا 50 مرتبه قابلیت احیاء و استفاده دوباره را دارد. دمای مناسب جذب UF6 روی فلورید سدیم حدود 200 0F می باشد زیرا در دماهای کمتر تشکیل بای فلورید مانع از جذب مناسب اورانیوم می شود.
از معایب جاذب NaF اینست که پس از جذب UF6، پودر می شود و همراه جریان خروجی از تله شیمیایی خارج شده و علاوه بر خارج کردن اورانیوم، ذرات NaF که سمی نیز می باشند از مجموعه خارج شده و باعث آلودگی محیط زیست می شوند.
جاذب آلومینا (Al2O3) نیز به دلیل جذب خوب HF در تله های شیمیایی کاربرد دارد. جذب UF6 روی آلومینا به صورت شیمیایی بوده و احیاء جاذب مشکل تر از فلورید سدیم می باشد. در جذب ترکیب HF و UF6روی آلومینا ابتدا HF با آلومینا واکنش داده و تولید آب و AlF3 می کند. AlF3 تولید شده خرد میشود و باعث تخریب جاذب می گردد. آب تولیدی با UF6 واکنش داده و تولید UO2F2 جامد می کند که روی آلومینا می نشیند و از تخریب آن جلوگیری می کند. وجود مقدار زیادی آب باعث انجام سریع واکنش شده و حفره ها به سرعت توسط UO2F2 مسدود میشوند و بازدهی جاذب به شدت کاهش می یابد. مقدار مناسب آب حدود 4-3 درصد می باشد. از معایب جاذب آلومینا در تله های شیمیایی جذب ضعیف UF6 نسبت به جاذب های کربن فعال و فلورید سدیم می باشد.
کربن فعال و فلورید سدیم جاذب های مناسبی برای جذب UF6 بوده و در ادامه به توضیحات بیشتری در مورد این دو جاذب پرداخته می شود.
کربن فعالکربن فعال یک نوع جاذب قوی با جذب سطحی فوق العاده می باشد و در هیچ حلال شناخته شده ای حل نمی شود و برجسته ترین ویژگی های آن حذف انتخابی آلایندههاست و در برخی موارد برای بازیافت مواد نیز بکار می رود. میزان جذب زغال فعال به اندازه ساختار منافذ کربن و توزیع اندازه منافذ و همچنین اندازه و شکل مولکولهای آلاینده بستگی دارد. کربن های فعال شده محصولات پیچیده ای می باشند و طبقه بندی بر اساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده سازی آن مشکل می باشد. هرچند یک سری طبقه بندی براساس مشخصات فیزیکی به صورت زیر انجام شده است:
کربن فعال پودری (دارای اندازه کمتراز 100 نانومتر و میانگین قطری بین 15 تا25 میکرومتر می باشد)
کربن فعال گرانولی (دارای اندازه ای بزرگتر از کربن فعال پودری می باشد)
کربن فعال کروی
کربن فعال تزریق شدهکربن روکش شده با پلیمرها
استاندارد جذب برای کربن فعال مورد استفاده اینست که بتواند تا حدود 20% وزنی گاز سیانوژن کلراید را جذب نماید. اگر کربن فعال تازه باشد و در معرض رطوبت قرار نگرفته باشد خواهد توانست تا 40% وزنی سیانوژن کلراید را جذب نماید. تعداد زیادی از گازهای سمی را میتوان با گذراندن از کربن فعال از هوا جدا کرد. این خاصیت برای مواد شیمیایی با وزن مولکولی بالا موثر می باشد. مواد سبک مانند مونوکسید کربن را نمی توان به راحتی به کمک کربن فعال جدا نمود اما میتوان با تزریق یک سری مواد شیمیایی مانند نمک های نقره، مس و کروم به کربن فعال قابلیت جذب اینگونه مواد را در کربن فعال ایجاد نمود و قدرت بازدارندگی کربن فعال را بالا برد.
مراحل تولیدکربن فعال از پیرولیز مواد کربنی از قبیل چوب، زغال سنگ و هسته میوه ها یا پلیمر های مصنوعی از قبیل ریون و فنولیک حاصل می گردد و در مراحل بعدی تحت عملیات فعال سازی قرار می گیرد. پیرولیز مواد کربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکول های غیر آلی می شود که یک ماده قیری شکل حاوی مواد گاز دار خواهد بود و در نهایت یک جسم جامد کربنی از آن ایجاد خواهد شد. جسم تولید شده دارای تعداد زیادی حفره های بزرگ و دارای سطح ویژه ای در حد چندین متر مربع بر گرم می باشد.
مواد خاماز نظر اقتصادی، ترجیحا موادی با کربن بالا و مواد آلی کم برای تولید کربن فعال شده انتخاب می شوند. ماده تشکیل شده جامد حاصل از عملیات پیرولیز باید چگالی بالا و همچنین گازهای فرار کافی داشته باشند. آزاد سازی گاز های فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذ در کربن می شود و چگالی بالا باعث می شود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردار گردد.
مواد خام مورد استفاده به ترتب اهمیت آنها از نظر ظرفیت تولید کربن متخلخل، مشخصات نهایی و مقدار مصرف عبارتند از: چوب، زغال سنگ، سیگمنت (نوعی زغال سنگ)، پوست نارگیل و….
کربونیزاسیوندر حین کربونیزاسیون اجزاء غیر کربنی از قبیل هیدروژن و اکسیژن به صورت گاز از مواد اولیه خارج می شوند و کربن های آزاد نیز به صورت گروهی، بلورهای گرافیت تشکیل می دهند. به دلیل وجود منافذ در بین بلورها، آرایش یافتگی بلورها از دو طرف به صورت نامنظم می باشد. این فرایند معمولا در دمای حدود800 درجه سانتی گراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر صورت میگیرد. پارامترهای مهم تعیین کننده ی کیفیت محصول عبارتند از :
1- نرخ حرارت دادن
2- دمای نهایی
3- مدت زمان خیساندن
ساختار ریز منافذ کربن در دمای حدود 500 درجه سانتی گراد شکل میگیرد. بعضی از این منافذ به وسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرایند پیرولیز مسدود می شود که میتوان با حرارات دادن دوباره در 800 درجه سانتی گراد دوباره این منافذ را ایجاد کرد. افزایش دما تا1000 درجه سانتی گراد و بیش از آن باعث سخت شدن ساختار کربن و کاهش درجه تخلخل می شود.
فعال سازی
کربن ها را با توجه به آرایش یافتگی بلورهای آن به صورت گرافیتی یا غیر گرافیتی تعریف کرده اند. کربن های گرافیتی دارای بلورهایی با سه بعد یکسان می باشند در صورتی که در کربن های غیر گرافیتی اینگونه نمی باشد. در حین کربونیزاسیون سه فضای خالی در کربن ایجاد می شود که در حین پروسه توسط کربن های غیر آرایش یافته آمورف مسدود می شوند. محصولات مرحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب خیلی کمی می باشند که دلیل آن احتمالا به دلیل کربونیزاسیون در دمای پایین و و وجود مواد قیری باقیمانده در منفذ بین بلورها و روی سطح می باشد. بعضی از محصولات کربونیزه شده را می توان با خارج ساختن مواد قیری به وسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالص سازی به کمک حلال و یا واکنش های شیمیایی فعال کرد. عمل فعال سازی باعث بزرگ تر شدن قطر حفره هایی می شود که درحین فرایند کربونیزاسیون ایجاد شده اند. همچنین باعث ایجاد یک سری حفره ریز نیز خواهد شد و بدین گونه می توان به یک ساختار حفره ای



قیمت: 10000 تومان