معرفی غشاهای بهینه‌شده برای جداسازی گاز

به گزارش ایران اکونومیست، کریم گلزار مجری طرح اظهار داشت: در فرآیندهای متفاوت مهندسی شیمی، مخلوط‌های گازی متفاوتی وجود دارد که به دلایل متفاوت، مهندسان مجبور به جداسازی یک یا چند نوع گاز از این مخلوط گازی هستند.
گلزار ادامه داد: روش‌های جداسازی گازیِ بسیاری با عملکردهای متفاوتی وجود دارد. یکی از این روش‌ها که عملکرد بسیار مناسبی دارد و به‌ خوبی فرآیند جداسازی گازی را انجام می‌دهد، فرآیند جداسازی با استفاده از غشا است. از آنجا که برای جداسازی گازهای متفاوت در شرایط مختلف، پارامترهای تاثیرگذار متفاوتی وجود دارد، لذا غشاهای متفاوت با عملکردهای متفاوتی نیز طراحی و ساخته شده‌اند.
وی افزود: امروزه با توجه به مطالعات انجام‌ شده، محققان و مهندسان دریافته‌اند فرآورشِ غشاهای پلیمری در مقایسه با سایر مواد نظیر مواد سرامیکی، فلزی و ... بسیار ساده‌ بوده و از سوی دیگر، برای کاربردهای متفاوت می‌توان از مواد پلیمری متفاوت استفاده کرد. علاوه بر این، مهندسان طراحی غشا، نتیجه گرفتند برای ارتقای سطح کیفیت مکانیکی و توانایی جداسازی غشاهای پلیمری از مواد غربالگر مولکولی در طراحی‌های خود استفاده کنند.
«اما طراحی، ساخت و آزمایش غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری هم به لحاظ اقتصادی و هم به لحاظ صرفِ وقت، مقرون به صرفه نیست؛ بنابراین استفاده از فرآیندهای شبیه‌سازی و مدل‌سازی برای پیش‌بینی خواص فیزیکی و انتقالی این غشاها بسیار ضروری است».
مجری طرح با اشاره به استفاده فراوان از غشاها در فرآیندهای جداسازی، بر ضرورت تولید غشاهایی با کیفیت بهتر و عملکرد بالاتر تاکید کرد و گفت: در برخی موارد، غشاهای مورد استفاده برای فرآیند خاصی در صنعت، انتخاب مناسب نیستند از این رو تلاش کردیم با اجرای پروژه تحقیقاتی با هدف بررسی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری، غشای نانوکامپوزیت پلیمری بهینه را به صنعت پیشنهاد دهیم.
این محقق عنوان این پروژه را 'شبیه‌سازی و مدل‌سازی فرآیند جداسازی مخلوط گازی با استفاده از غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری' ذکر کرد و یادآور شد: در این مطالعه ابتدا مطالعات جامعی‌ در خصوص انواع غشاهای خالص و نانوکامپوزیت پلیمری انجام و عملکرد غشاهای مختلف ارزیابی شد. غشاهایی که بهترین کیفیت و بالاترین کارایی را داشتند، انتخاب شدند.
وی یکی از دلایل انتخاب غشاهای بهینه را معیارهای زیست‌ محیطی بیان کرد و افزود: پس از آن که با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (Materials Studio) فرآیند شبیه‌سازی به ‌دقت و مرحله به مرحله انجام شد، خواص فیزیکی چون دانسیته (تراکم)، دمای انتقال شیشه‌ای، کسر حجم آزاد و طرح تفرق اشعه ایکس و خواص انتقالی مانند نفوذپذیری، حلالیت، عبورپذیری و انتخاب پذیری این غشاها محاسبه و با مقادیر تجربی موجود، مقایسه شدند.
این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر ادامه داد: نتایج این تحقیقات نشان داد ما در کسب فناوری شبیه‌سازی و بومی‌سازی کردن آن موفق بودیم، ضمن آنکه فرآیند محاسبه خواص کاربردی مورد نیاز به‌ درستی انجام شده است.
وی اضافه کرد: علاوه بر آن با به کارگیری نرم‌افزار شبیه‌سازی، برای اصلاح نقاط ضعف غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری موجود، غشاهایی طراحی کردیم که خواص فیزیکی و انتقالی فوق‌العاده دارند. این مطالعه، با یافتن راه‌های جدید اصلاح خواص غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری، برای بهبود ویژگی‌های آنها همچنین اقتصادی کردن تولید این غشاها، گام برداشته و مرزهای دانش این شاخه از مهندسی شیمی را ارتقا بخشیده است.
گلزار ارائه مدل‌های ریاضی برای تعیین و پیش‌بینی، خواص کاربردی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری با استفاده از روش مدل‌سازی شبکه عصبی را از دیگر مراحل اجرای این طرح عنوان کرد و گفت: این مدل‌های ریاضی بر اساس خواص ذاتی مواد پلیمری، نانوذرات موجود در غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری و شرایط دمایی و فشاری طراحی شده‌اند. این مدل‌ها در مدت زمان بسیار کم و با دقت بالا می توانند خواص مورد نیاز در صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی و شرکت‌های صنعتی وابسته به محیط زیست را تامین کنند.
مجری طرح تاکید کرد: در این پژوهش خواص فیزیکی و انتقالی غشاهای خالص و نانوکامپوزیت پلیمری، خواص غشاها در حضور پرکننده‌های متفاوت، خواص غشاها در حضور ماتریس‌های پلیمری متفاوت، خواص غشاها با ساختار هموژن، خواص غشاها با ساختار غیرهموژن، تاثیر درصد حضور مواد پرکننده بر خواص غشاها و تاثیر پارامترهایی نظیر دمای انتقال شیشه ای، کسر حجم آزاد و طرح تفرق ایکس بر روی خواص انتقالی مانند نفوذپذیری و عبورپذیری مورد ارزیابی قرار گرفت و مکانیزم جذب و نفوذ مولکول‌های گاز در غشاها از دید مولکولی ارزیابی شده است.
وی اضافه کرد: نتایج این مطالعه در صنایع پتروشیمی، پالایشگاهی و کاربردهای غشا در فرآیندهای زیستی و به لحاظ شناسایی مواد، در دانش‌افزایی مهندسی پلیمر، نانوفناوری و بسط و گسترش دانش ریاضی و نرم‌افزاری قابل استفاده است.
گلزار انتشار 4 مقاله آی اس آی/ ISI در نشریات مهندسی شیمی چون Journal of Membrane Science را از دیگر دستاوردهای این تحقیقات عنوان کرد و گفت: در این مطالعه بنا به محدودیت‌های مالی و آزمایشگاهی، قادر به انجام فرآیندهای ساخت و اندازه‌گیری تجربی خواص غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری نبودیم اما با رایزنی‌های انجام شده و کسب موافقیت از شرکت‌های فعال در زمینه غشاهای پلیمری و دریافت منابع مالی، در کنار فرآیندهای شبیه‌سازی و مدل‌سازی، فرآیند ساخت تجربی این غشاها و مهندسی آنها برای دریافت خواص مورد نیاز کاربردهای صنعتی و زیستی خاص را نیز انجام دهیم.
مجری طرح مطالعه انواع مختلف نانوذرات، بررسی کارایی غشاها در شرایط دمایی و فشاری مختلف، ارائه راهکارهای اصلاحی برای بهبود خواص و کارایی غشاها و ارائه مدل‌های ریاضی بر مبنای شبکه عصبی برای پیش‌بینی خواص فیزیکی و خواص انتقالی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری را از مزایای رقابتی این طرح عنوان کرد.
کریم گلزار دانش‌آموخته با راهنمایی و هدایت دکتر حمید مدرس و دکتر سپیده امجد ایرانق از اعضای هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر این طرح را اجرا کرده است.