: ۹۲

پیوست الف : اورانیوم ۹۴

پیوست (ب) سدیم فلورید ۱۰۱

فهرست جدول ها

روی چهار جاذب در آزمایش شولتز ۴۴

جدول ‏۲‑۱داده های جذب در فشار های اولیه مختلف ۵۶

جدول ‏۲‑۲تغییرات گرم جذب شده به گرم جاذب با فشار تعادلی برای جذب UF6 بر روی نانوجاذب سدیم فلورید ۶۲

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

جدول ‏۲‑۳داده های جذب برای شروع فرایند واجذب ۶۶

جدول ‏۲‑۴در صد واجذب در دماهای مختلف ۷۲

جدول ‏۲‑۵ در صد واجذب در دماهای مختلف ۷۳

جدول ‏۲‑۷داده های جذب برای سدیم فلورید ۷۴

جدول ‏۲‑۸داده های جذب برای سدیم فلوریدی که یکبار واجذب شده ۷۶

جدول ‏۲‑۹داده های جذب برای سدیم فلوریدی که دوبار واجذب شده ۷۸

جدول ‏۲‑۱۰ جذب برای سدیم فلوریدی که سه مرتبه واجذب شده ۸۰

جدول ‏۲‑۱۱داده های جذب برای سدیم فلوریدی که چهار مرتبه واجذب شده ۸۲

جدول ‏۲‑۱۲نتایج جذب و واجذب متوالی گاز UF6 بر روی نانوجاذب سدیم فلورید ۸۳

فهرست نمودارها

نمودار ‏۱‑۱ )مقایسه تغییرات جذب هگزافلورید اورانیوم برای NaF و آلومینا H –۱۵۱ ۴۵

نمودار ‏۲‑۱)سامانه مورد استفاده جهت انجام آزمایشات جذب و دفع استاتیکی ۵۳

نمودار ‏۲‑۲) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه ۱۴٫۰۳ ۵۷

نمودار ‏۲‑۳) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه ۲۱٫۶۲ ۵۷

نمودار ‏۲‑۴) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه ۲۸٫۷۰ ۵۸

نمودار ‏۲‑۵) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه ۴۰٫۹۶ ۵۸

نمودار ‏۲‑۶) تغییرات فشار برحسب زمان در فشار اولیه ۵۳٫۶۸ ۵۹

نمودار ‏۲‑۷) تغییرات فشار بر حسب زمان در فشارهای اولیه مختلف ۵۹

نمودار ‏۲‑۸) تغییرات درصد جذب بر حسب فشار اولیه ۶۰

نمودار ‏۲‑۹) تغییرات گرم جذب شده به گرم جاذب بر حسب فشار اولیه ۶۰

نمودار ‏۲‑۱۰) تیءوری لانگمویر و فرندلیچ ۶۳

نمودار ‏۲‑۱۱) نمودار تجربی ایزوترم جذب سطحی UF6 بر روی سدیم فلوراید ۶۳

نمودار ‏۲‑۱۲) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای ۱۰۰ درجه سانتی گراد ۶۸

نمودار ‏۲‑۱۳) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای ۱۸۰ درجه سانتی گراد ۶۹

نمودار ‏۲‑۱۴) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای۲۰۰ درجه سانتی گراد ۷۰

نمودار ‏۲‑۱۵) تغییرات فشار UF6 با زمان در دمای۲۵۰ درجه سانتی گراد ۷۱

نمودار ‏۲‑۱۶) تغییرات فشار UF6 با زمان در دماهای مختلف ۷۲

نمودار ‏۲‑۱۷) تغییرات فشار UF6 بر حسب زمان ۷۴

نمودار ‏۲‑۱۸) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید ۷۵

نمودار ‏۲‑۱۹) تغییرات فشارUF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلورایدی که یک مرتبه واجذب شده ۷۶

نمودار ‏۲‑۲۰) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید در دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد ۷۷

نمودار ‏۲‑۲۱) تغییرات فشار UF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلوریدی که دوبار واجذب شده. ۷۸

نمودار ‏۲‑۲۲) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید در دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد ۷۹

نمودار ‏۲‑۲۳ ) تغییرات فشار UF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلوریدی که سه مرتبه واجذب شده است. ۸۰

نمودار ‏۲‑۲۴) تغییرات فشار بر حسب زمان در فرایند واجذب UF6 از روی نانو جاذب سدیم فلورید در دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد ۸۱

نمودار ‏۲‑۲۵) تغییرات فشار UF6 برحسب زمان بر روی سدیم فلوریدی که چهارمرتبه واجذب شده است. ۸۲

فصل نخست:

مطالعات کتابخانه ای

بخش اول : مقدمه

گاهی 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 کلی جداسازی بر اساس نیروی محرکه شیمیایی به پنج دسته کلی تقسیم می­ شود که هر مخلوط را می توان با بهره گرفتن از یکی از این روش ها و یا ترکیبی از آنها جداسازی کرد.

روش های عمومی جداسازی عبارتند از :

۱- جداسازی از طریق ایجاد یک فاز جدید ( تقطیر)

۲- جداسازی از طریق افزودن یک فاز جدید (استفاده از حلال)

۳- جداسازی از طریق ایجاد مانع ( استفاده از غشاء)

۴- جداسازی با بهره گرفتن از ذرات جامد ( جذب سطحی)

۵- جداسازی به وسیله میدان مغناطیسی یا الکتریکی

جذب سطحی

جذب سطحی نوعی فرایند جداسازی است که در آن برخی از اجزای یک فاز سیال به سطح جاذب منتقل می شود. به طور کلی در مواد جامد، ساختار سطح با ساختمان توده جامد متفاوت است، به طوریکه سطح از لحاظ انرژی کاملاً اشباع نبوده و زمانیکه جامد در معرض یک گاز قرار می گیرد، مولکولهای گاز به مراکز موجود در سطوح متصل شده و جذب می گردند، این پدیده جذب گاز توسط جامد^[۱] نامیده می شود.

یک دستگاه ساده جذب سطحی متشکل از یک سیلندر است که جاذب در آن قرار گرفته، و جریان گاز و مایع بر روی آنها برقرار است. در حالت معمول، ذرات کوچک جامد در یک بستر، ثابت نگه داشته می شوند و گاز به طور پیوسته از آن بستر عبور می کند. در نهایت جامد تقریباً اشباع شده و جداسازی دیگر قابل انجام نیست. در این هنگام، جریان به بستر دوم انتقال می یابد تا اینکه جاذب اشباع شده، تعویض یا احیا شود.

جذب سطحی به عنوان مهمترین فرایند در جداسازی برای غلظت های پایین مطرح می­ شود. در جذب سطحی بر خلاف فرایند جذب که در آن جداسازی در توده ی سیال اتفاق می­افتد جداسازی در سطح جامد صورت می پذیرد،.

نکته مهمی که در جذب سطحی باید مورد توجه قرار گیرد این است که این شیوه جداسازی زمانی به عنوان یک روش کارامد مورد استفاده قرار می گیرد، که جداسازی در غلظت های پایین مدنظر باشد. از آنجا که ذراتی که در جذب سطحی مورد استفاده قرار می گیرند پس از مدتی اشباع شده و توانایی جذب اولیه را از دست می دهند، بنابراین این روش در غلظت های بالا کاربرد چندانی ندارد زیرا جاذب ها به سرعت اشباع شده و قابلیت خود را از دست می دهند. اکثر جاذب ها موادی بسیار متخلخل هستند و جذب سطحی عمدتاً روی دیواره حفره ها یا مکان های 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 ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ متر مربع بر گرم می رسد. اختلاف در جرم مولکولی، شکل و یا قطبیت، باعث می شود برخی مولکول ها محکمتر روی سطح حفظ شوند. همچنین ممکن است حفره ها کوچکتر از آن باشند که مولکول های درشت تر را بپذیرند، در نتیجه مواد از هم جدا می شوند. در بسیاری از موارد، جزء جذب شونده به اندازه کافی محکم نگه داشته شده و جدا سازی 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.

کاربردهای جذب سطحی در فاز بخار شامل بازیافت حلال های آلی به کار رفته در رنگها، مرکب چاپ و محلولهای مورد مصرف برای چدن ریزی است.

از جذب سطحی روی کربن برای جدا کردن مواد آلوده کننده ای مانند CO₂،N₂O و دیگر ترکیبات بدبو از هوا استفاده می­ شود به طوریکه در اکثر اتومبیل های جدید از قوطی های زغالی استفاده می شود تا مانع ورود بنزین به هوای داخل ماشین شود. خشک کردن گازها اغلب با جذب سطحی آب روی سیلیکاژل، آلومینا یا دیگر جامدات متخلخل معدنی صورت می­گیرد. زئولیت ها یا غربالهای مولکولی، آلومینا و سیلیکاتهای طبیعی یا مصنوعی هستند که در تهیه گازهای با نقطه شبنم پایین مؤثرند. از جذب سطحی روی غربالهای مولکولی برای تفکیک اکسیژن و نیتروژن، تهیه هیدروژن خالص به منظور تفکیک پارافین های معمولی از پارافین های شاخه دار و ترکیبات آروماتیک نیز استفاده می شود.

جهت انتقال جرم در این فرایند، از فاز سیال به فاز جامد است و عکس آن، به فرایند دفع سطحی مشهور است. به منظور بازیابی برخی مواد ارزشمند (نظیر فلزات گرانقیمت) از سطوح جاذب، فرایند دفع با راندمان مناسب کاربرد فراوان دارد.

سرعت جریان گاز و زمان مورد نیاز برای چرخه مطلوب، اندازه بستر جاذب را تعیین می کند. با بهره گرفتن از بسترهای طویل تر، چرخه جذب را می توان به چند روز افزایش داد ولی افزایش افت فشار و سرمایه گذاری اولیه بالاتر ستون جذب، آن را غیر اقتصادی خواهند کرد.

فرایندهای جداسازی از طریق جذب سطحی تقریباً مشابه هستند، به این ترتیب که مخلوطی که باید جدا شود در تماس با یک فاز غیرقابل حل (جاذب) قرار گرفته و توزیع ناهماهنگی از اجزاء اصلی بین فاز جذب شده روی سطح جامد و توده سیال اتفاق افتاده و جداسازی انجام می شود. دو نوع جداسازی در جذب سطحی مطرح است:

-۱ جذب سطحی فیزیکی یا واندروالس

-۲ جذب سطحی شیمیایی

جذب سطحی فیزیکی یا واندروالس

این نوع جذب مربوط به فرایند برگشت پذیری است که نتیجه جذب از طریق نیروهای بین مولکولی بین جامد و مواد جذب سطحی شده حاصل می شود. به عنوان مثال، زمانیکه نیروهای بین مولکولی بین یک جامد و یک گاز بزرگتر از نیروهای بین مولکولی گاز به تنهایی باشد، حتی اگر فشار گاز پایین تر از فشار بخار در دمای جامد باشد، مولکول های گاز روی سطح جامد جذب می شوند. این جذب شدن معمولاً با گرما همراه بوده و کمی بزرگتر از گرمای نهان تبخیر است. ماده جذب شده در ساختمان کریستالی جامد جایگزین نشده و در آن حل نمی شود بلکه به طور کامل روی سطح جامد باقی می ماند.

در بیشتر مواقع در حالت تعادل، فشار جزئی ماده جذب شده مساوی با فشار فاز گاز در حال تماس بوده و با پایین آوردن فشار گاز یا با افزایش دما، گاز جذب شده به راحتی دفع می­ شود. جذب فیزیکی اختصاصی نمی ­باشد 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 شیمیایی

جذب سطحی شیمیایی یا جذب سطحی فعال شده، نتیجه پیوند شیمیایی بین جامد و ماده جذب شده است. قدرت پیوندهای شیمیایی متفاوت بوده و ممکن است ترکیبات شیمیایی تشکیل نشوند، اما در هر صورت نیروی چسبندگی در این نوع جذب از جذب فیزیکی بیشتر است. به دلیل واکنش شیمیایی، گرمای آزاد شده در طی جذب شیمیایی معمولاً بزرگتر از جذب فیزیکی است. این فرایند غالباً برگشت ناپذیر بوده و در مرحله دفع، مواد اصلی اغلب دچار تغییر شیمیایی می شوند. جذب شیمیایی بیشتر در کاتالیزورها مشاهده می شود.

مقدار گرمای جذب فیزیکی با مقدار گرما برای مایع شدن گاز جذب شده برابر است در حالی که گرمای جذب شیمیایی تقریبا با گرمای واکنش شیمیایی برابر است. از سوی دیگر فرایند جذب شیمیایی معمولا توسط مقاومت واکنش سطحی کنترل می شود و سرعت جذب با افزایش درجه حرارت افزایش می یابد.

در جداسازی و خالص سازی مواد، جزء مورد نظر توسط جاذب، جذب می گردد و در نزدیکی نقطه اشباع بستر دیگر کارایی لازم را جهت جداسازی مطلوب نخواهد داشت در این مرحله بستر بایستی توسط روش های 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 ای برگشت پذیر است در صورتی که جذب شیمیایی برگشت پذیر نمی ­باشد.

در جذب فیزیکی تمام سطوح جامد در عمل جذب دخالت می کنند.

گرمای جذب فیزیکی کمتر از گرمای جذب شیمیایی است.

جذب فیزیکی می تواند در دماهای پایین صورت گیرد زیرا انرژی فعالسازی 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.

معیار انتخاب فرآیندهای جذب سطحی

مقایسه بین فرآیندهای مختلف جداسازی در جهت انتخاب مناسب ترین فرایند، از اهمیت خاصی برخوردار است. سهولت جداسازی توسط تقطیر بوسیله ضریب فراریت α مشخص می شود که برای یک مخلوط دوتایی ایده آل نسبت بین فشار بخارهای دو جزء می باشد. علی رغم فواید تقطیر، اساساً این فرایند انرژی زیادی مصرف می کند.

مواردی که فرایند جذب نسبت به تقطیر دارای ارجحیت است مشتمل بر موارد زیر می باشد:

۱- جداسازی ترکیباتی که ضریب فراریت اجزای کلیدی آنها در حدود ۵/۱ یا کمتر باشد. مانند جداسازی ایزومرهای مختلف یک ترکیب.

۲- در صورتی که جریان خوراک ارزش کمی داشته باشد. در این موارد مقدار جزء غیرفرار بالا بوده و غلظت محصول موردنظر نسبتاً کم است، بنابراین جریان برگشتی از نسبت بالایی برخوردار است و در نتیجه نیاز به انرژی زیاد خواهد بود.

۳- برای جداسازی دو گروه از اجزاء که محدوده جوش آنها دارای محدوده هم پوشانی باشد. در این موقع حتی اگر ضریب فراریت نیز بزرگ باشد به چندین ستون تقطیر نیاز داریم.

۴- جداسازی در دمای پایین و فشار بالا که در عملیات تبدیل گاز به مایع مورد نیاز است.

۵- موارد خاص جداسازی که در آنها هزینه فرایند جذب به مراتب کمتر از هزینه فرایند تقطیر خواهد بود.

پارامترهای مؤثر بر جذب

بر طبق تئوریهای موجود، ظرفیت جذب تعادلی به عوامل زیر بستگی دارد:

نوع جاذب

نوع جذب شونده

شرایط فرایند

تأثیر نوع جاذب

جاذبها مواد جامد خلل و فرج داری هستند که بدلیل خاصیت جذبی که روی سطح خود دارند اجازه می دهند مولکولهای برخی مواد روی آنها مجتمع شده و جذب گردند. این خلل و فرج به شکل ها و اندازه های متفاوتی بوده و به شدت در میزان جذب و نوع ماده ای که می تواند جذب کند تاثیر دارد.

نوع جاذب به دو صورت بر ظرفیت جذب مؤثر است:

۱-حجم کل حفره جاذب

هرچه حجم حفره بیشتر باشد جذب شونده بیشتر جذب می شود و اگر جریان گاز (یا هوا) به طور کامل با جذب شونده اشباع باشد، ظرفیت جذب تعادلی ماکزیمم حاصل می شود.

۲-توزیع اندازه حفره

مطابق تقسیم بندی IUPAC که بر اساس سایز حفره ها می باشد حفره ها را براساس قطر به سه گروه زیر تقسیم کرده اند:

– میکروپور: حفره های ریز با قطر کمتر از ۲ نانو متر

– مزوپور: حفره های متوسط با قطر بین ۲ تا ۵۰ نانو متر

– ماکروپور: حفره های بزرگ با قطر بیشتر از ۵۰ نانو متر

جذب واقعی تقریباً فقط در حفره های ریز اتفاق می افتد. حفره های متوسط وظیفه انتقال جذب شونده را از فاز گاز به حفره های ریز بر عهده داشته و حفره های بزرگ قابلیت دسترسی جاذب را تعیین می کنند. در غلظتهای پایین جذب شونده، جذب تقریباً فقط در کوچکترین حفره های ریز اتفاق می افتد که بالاترین انرژی جذب را دارا هستند.

جامدهای جاذب معمولا به شکل گرانول مصرف می شوند و قطر آنها از ۱۲میلی متر تا ۵۰ میکرومتر متغیر است. جاذب ها بر اساس کاربرد و موقعیت مصرف دارای ویژگی متفاوتی می باشند. مثلا اگر از آنها در یک بستر ثابت با جریان گاز یا مایع استفاده می شود، نباید اختلاف فشار زیادی ایجاد کنند و همچنین نباید توسط جریان سیال به خارج حمل شوند. آنها باید از مقاومت و سختی خوبی برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنین در اثر وزن خود در بستر خرد نشوند. در صورتی که بخواهیم آنها را از ظروف نگهداری به داخل و خارج انتقال دهیم باید به راحتی جریان پیدا کنند. این ویزگی به راحتی قابل شناسایی هستند.

جذب یک پدیده عمومی است و تمام جامدها مقداری از گازها و بخارات را جذب می کنند ولی در اهداف صنعتی تنها بعضی جامدات ظرفیت جذب لازم را دارند. در جامداتی که دارای خاصیت جذب بسیار ویژه ای هستند و به مقدار زیاد جذب انجام می دهند، طبیعت شیمیایی آنها با ویژگی جذب رابطه دارد ولی صرف شناسایی شیمیایی برای بیان مفید بودن آنها کافی نیست. وجود سطح زیاد در واحد جرم، برای جاذب های مفید ضروری است. در جذب گازی، سطح واقعی، سطح ذرات گرانول نیست بلکه سطح بزرگتری است که داخل سوراخها و شکافها را شامل می شود. سوراخها خیلی کوچک بوده و معمولا در حدود چند مولکول قطر دارند ولی تعداد زیاد آنها باعث تولید سطح بزرگتری برای جذب می­ شود. ویژگی دیگری وجود دارد که از اهمیت زیادی برخوردار می باشد ولی همه آنها شناخته شده نیستند و برای بررسی قابلیت جذب باید به مشاهده و تجربه اتکا کرد.

فشار بخار یک مایع یا گاز در حفره های موئینه با فشار بخار آن در شرایط عادی متفاوت است. اگر لوله موئینه داشته باشیم فشار بخار کمتر از فشار بخار در سطح آزاد است. به عبارت دیگر نقطه جوش آن در فشار ثابت بالاتر است. یعنی اینکه در لوله های موئینه بخار زودتر میعان می شود. هر چه سوراخهای یک جاذب ریزتر باشد فشار بخار در آن کمتر بوده و عمل میعان زودتر صورت می گیرد بنابراین در جاذبهای میکروپور و مزوپور علاوه بر اینکه روی سطح جامد عمل جذب صورت می گیرد، بدلیل وجود خلل و فرج ریزتر، کندانس شدن گاز نیز صورت می گیرد. هرچند در جاذبهای میکروپور عمل دفع نیز سخت صورت می گیرد.

تأثیر نوع جذب شونده

روشن است که جذب شونده باید به اندازه کافی کوچک باشد تا در حفره های جاذب جای گیرد و دانسیته نیز روی ماکزیمم جرم جذب شونده مؤثر است. دو پارامتر اول روی میزان جذب شده مؤثرند، در حالیکه نقطه جوش و ساختار جذب شونده روی توان جذب مؤثر هستند. اساساً یک جذب شونده با نقطه جوش بالاتر بیشتر از یک جذب شونده با نقطه جوش پائین تر جذب می شود. شکل جذب شونده نیز تأثیر زیادی دارد. مثلاً بنزن نسبت به هگزان بهتر به درون حفره ها نفوذ می کند.

اثر شرایط فرایند

شرایط موثر بر ظرفیت جذب تعادلی عبارتند از:

۱-غلظت جذب شونده

۲- دمای جذب

در غلظتهای پایین، جذب فقط در کوچکترین حفره های ریز اتفاق می افتد در حالیکه در غلظتهای بالا، حفره های بزرگتر نیز در جذب شرکت می کنند که در نتیجه ظرفیت جذب تعادلی بالاتر می رود.

دمای جذب روی مقدار انرژی جذب شونده موثراست. به عبارت دیگر دمای جذب بالاتر، معادل ظرفیت جذب پائین تری است. پارامترها و شرایط دیگر فرایند روی ظرفیت جذب اثری نداشته و روی زمان مورد نیاز برای رسیدن به تعادل موثرند.

جاذب ها

جاذب ها دارای خاصیت جذب انتخابی هستند به این معنی که بسته به ساختمان و نوع جاذب میتوانند برخی از موادی را بیشتر از سایر مواد موجود در سامانه جذب کنند. به طور کلی برای هر فرایند جذب، انتخاب جاذب مهمترین قسمت طراحی می باشد در نتیجه باید مواردی نظیر ظرفیت، گزینش پذیری، قابلیت احیا، سینتیک، سازگاری، قیمت و … مورد توجه قرار گیرد که در اینجا به صورت مختصر شرح می دهیم:

ظرفیت

ظرفیت جذب مهمترین ویژگی هر جاذب است و برابر است با مقدار ماده ای که در واحد جرم (یا حجم)جاذب، جذب می شود. این خاصیت به غلظت فاز سیال، دما و دیگر شرایط، به ویژه شرایط اولیه جاذب، بستگی دارد. معمولاً اطلاعات مربوط به ظرفیت جذب، در دمای ثابت و غلظتهای مختلف ماده جذب شونده یا فشار جزئی بخار و یا گاز اندازه گیری می شود و داده های بدست آمده در یک منحنی بنام منحنی همدما رسم می شوند. ظرفیت جذب اصلی ترین فاکتور در تعیین قیمت جاذب می باشد زیرا این فاکتور مقدار جاذب مورد نیاز برای فرایند را مشخص کرده، و همچنین اندازه بستر جذب را تعیین می نماید.

گزینش پذیری

این فاکتور به ظرفیت جذب مرتبط است، ولی تعاریف مشخص دیگری برای این فاکتور نیز وجود دارد. ساده ترین تعریف برای گزینش پذیری عبارتست از نسبت ظرفیت جذب یک جزء به دیگر جزء در غلظت مشخص سیال. این نسبت معمولاً با کاهش غلظت و نزدیک شدن به صفر، به یک مقدار ثابت نزدیک می شود.

قابلیت احیا

تمام فرایندهای جذب سیکلی، بر اساس خاصیت احیای جاذب استوار هستند و همین فاکتور سبب کارکرد یکنواخت جاذبها در فرایندهای سیکلی می شود. در حقیقت قابلیت احیا به این معناست که هر جزء جذب شونده فقط باید به شکل فیزیکی جذب جاذب شود و یا می توان گفت جذب آن بر روی جاذب ضعیف باشد. گرمای جذب، مقدار انرژی لازم برای احیای جاذب را تعیین می کند.

سینتیک

سینتیک انتقال جرم یک واژه کلی است که با مقاومت انتقال جرم درون ذره ای ارتباط دارد. این فاکتور به علت کنترل زمان سیکل فرایندهای جذب با بستر ثابت، دارای اهمیت ویژه ای است.

سازگاری

این فاکتور، اتفاقات شیمیایی و فیزیکی مختلف را که سبب کاهش عمر مفید جاذب می شوند مانند رسوب بیولوژیکی و یا سائیدگی را پوشش می دهد. برای مثال یک جاذب نباید به شکل بازگشت ناپذیر با مواد جذب شونده واکنش دهد. همچنین شرایط عملیاتی مثل سرعت، دما، فشار و لرزش ها نباید سبب تجزیه ناخواسته ذرات جاذب شوند.

قیمت

قیمت، ظریف ترین فاکتور برای انتخاب یک جاذب می باشد زیرا حتی برای یک جاذب مشخص، قیمت دارای تغییرات زیادی از یک کمپانی به کمپانی دیگر می باشد. به ندرت یک جاذب تمام شرایط لازم را داراست. برای اینکه یک جاذب به شرایط مورد نظر نزدیک شود، لازم است تا ویژگی آن بهبود یابد.

جاذب مورد استفاده در هر فرایند باید دارای قابلیت بالایی برای جداسازی جزء مورد نظر باشد، همچنین لازم است سرعت دفع و جذب جزء مورد نظر بالا باشد. مبنای علمی و اصلی برای انتخاب جاذب، هم دماهای تعادلی هستند. از این رو به همدماهای تعادلی همه عناصر و سازنده ها در فشار و دمای عملیاتی و در مخلوط گازی باید توجه کرد.

طول استفاده نشده از بستر (LUB)

طول استفاده نشده از بستر توسط هم دمای تعادلی مشخص می شود و این طول معمولاً نیمی از منطقه انتقال جرم است. هر چه این طول کمتر باشد میزان بهره وری از جاذب و خلوص محصول بالا می رود. توزیع اندازه ذره نیز می تواند در LUB تأثیر داشته باشد ولی اهمیت آن به میزان اهمیت ایزوترم های تعادلی نمی رسد. علاوه بر اینها برای انتخاب جاذب به فاکتورهای دیگری نیز باید توجه کرد. مثلاً برای جریانهای گازی حاوی رطوبت، کربن فعال تنها جاذب تجاری مناسب است زیرا جاذبهای دیگر به یک مرحله خشک کردن مقدماتی نیاز دارند.

روش های احیای جاذب

بسیاری از فرایند های تجاری برای خالص کردن و جداکردن گازها از دو یا چند بستر پرشده جاذب استفاده می­ کنند. ساده ترین ساختار، دو برج پرشده است که یکی به عنوان جذب کننده عمل می­ کند درحالی که دیگری، 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 بستری که به تازگی احیاء شده است، جذب کننده می­ شود. 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 می­ کنند، جریان پیوسته خوراک 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 بسیاری از کاربردها، احیاء و استفاده دوباره از جاذب از نظر اقتصادی ضروری است. همانگونه که قبلا بیان شد روش های عملی احیاء شامل یک یا ترکیبی از این موارد است:

۱- تناوب دما (TSA)

۲- تناوب فشار (PSA)

۳- خارج کردن با گاز خنثی

۴- جایگزینی با یک جزء قوی تر از نظر قدرت جذب سطحی

انتخاب روش نهایی احیاء بستگی به شرایط تکنیکی و محدودیتهای اقتصادی دارد.

تعادل: منحنی هم دمای جذب

منحنی هم دمای جذب، رابطه تعادلی بین غلظت در فاز سیال و غلظت در ذرات جاذب در دمای مشخص است. غلظت مایعات اغلب بر حسب واحد های جرم، مانند قسمت در میلیون است، در حالی که غلظت در گازها بر حسب جزء مولی بیان می­ شود. غلظت ماده جذب شده روی 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 فرایند های سرعت که بستگی به نوع فرایند های تماس دارد انجام می شود.

برخی اشکال منحنی های هم دما به صورت نمودارهای حسابی شکل ۱-۱ نشان داده شده اند. منحنی هم دمای 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 زیادی را از سیالی با غلظت کم به دست آورد. حالت حدی یک منحنی هم دمای بسیار مطلوب جذب، برگشت ناپذیر است که در آن مقدار ماده جذب شده تا غلظت های 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 های برگشت ناپذیر هم جدا کرد. اما وقتی که جذب بسیار مطلوب یا برگشت ناپذیر است در مقایسه با منحنی های هم دمای خطی، واجذبی به دمای بسیار بیشتر نیاز دارد. منحنی هم دمایی که انحنای آن رو به پایین است نا مطلوب خوانده می شود، چرا که بار نسبتا کمی از ماده جذب شده بر روی جامد می نشیند و منجر به ایجاد منطقه انتقال جرم بسیار طولانی می شود. این نوع منحنی های هم دما نادرند ولی به منظور کمک به درک فرایند احیاء ارزش مطالعه دارند. اگر منحنی هم دمای جذب مطلوب باشد مشخصات انتقال جرم از جامد به فاز سیال(فرایند دفع) به مشخصات جذب در منحنی هم دمای نا مطلوب شباهت دارد.

شکل ۱-۱: منحنی هم دمای جذب سطحی

در حالت تعادل بین غلظت در فاز جاذب و غلظت (یا فشار) در فاز سیال و دما رابطه ای به صورت زیر برقراراست q = f (C, T)

که C غلظت تعادلی سیال، T دمای مطلق و q غلظت تعادلی در فاز جاذب است. می توان برای بیان رفتار تعادلی جذب، معادله فوق را در سه حالت مختلف بررسی کرد.

در حالت اول رابطه بین مقدار جذب شده qو غلظت در فاز سیال C در دمای T ایزوترم جذب سطحی نامیده می شود.

q = f© 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 ایزوبار میگویند. در این حالت با تغییر دما، غلظت در فاز جامد تغییر می کند در حالی که فشار سیال ثابت است:

q = f (T) فشار ثابت

برای بیان رفتار تعادلی سیستم های جذب حالت اول یعنی ایزوترم جذب متداول­تر است و کاربرد بیشتری دارد.

ایزوترم های جذب سطحی در شکل های 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 پارامترهای تجربی بیشتر باشد، برازش بهتری بین داده آزمایشگاهی و معادله تجربی وجود خواهد داشت ولی معادلات تجربی که به فاکتورهای فیزیکی ربط نداشته باشد، اهمیت عملی خاصی ندارد.

ایزوترم های جذب سطحی

مهمترین ایزوترمهایی که تاکنون مشاهده شده اند به پنج نوع طبقه بندی می شوند در شکل ۱-۲ این پنج نوع، نشان داده شده اند.

نوع I ساده ترین نوع ایزوترم است که ایزوترم لانگمویر نامیده می شود و یک ایزوترم ایده آل می­باشد که برای فشارهای پایین و لحظه های اولیه جذب مناسب است. مولکولها با گذشت زمان سطح را می­پوشانند و جذب به راحتی انجام پذیر نخواهد بود. این ایزوترم غالباً برای جاذبهای میکروپور ( مانند کربن اکتیوها و زئولیتها) بکار برده می شوند.

ایزوترم نوع II به ایزوترم BET معروف است. این نوع ایزوترم برای مواد غیر متخلخل با پیوند های قوی سیال و سطح ارائه می گردند.

ایزوترم های نوع III نشان دهنده جذب مولکولها به صورت چند لایه ای هستند. اما در این حالت قبل از آنکه لایه اول تشکیل شود، لایه های متعدد جذب می­شوند. این رفتار هنگامی اتفاق می­افتد که نیروی جذب بین سطح جاذب و گاز کمتر از نیروی جاذبه بین مولکولهای جذب شده باشد. ایزوترمهای نوع II و III معمولا تنها در جاذب هایی که در آنها یک دامنه وسیع از اندازه حفره ها وجود دارد، مشاهده می شوند. در چنین سیستم هایی با افزایش فشار یک افزایش پیوسته از جذب تک لایه ای به جذب چند لایه ای و سپس به میعان مویینه وجود دارد. افزایش در ظرفیت در فشار بالا به دلیل میعان مویینه در حفره هایی است که با افزایش فشار قطرشان افزایش می یابد. ایزوترمهای نوع IVو V نشان گر معادلاتی اند که اثر خاصیت مویینگی جذب در آنها دیده می شود. در این نوع ایزوترمها، دفع و جذب دارای نمودارهای متفاوتی اند. (این دو نوع، لوپHystersis را نشان می دهند).

شکل ۱-۲: پنج نوع ایزوترم های جذب ( P₀ فشار بخار اشباع است)

از میان ایزوترمهای فوق، نوع I وII از رایج ترین ایزوترم­ها در فرآیندهای جداسازی به شمار می روند.

جذب در پوشش کم، قانون هنری

این قانون برای جذب فیزیکی که هیچ تغییری در حالت مولکولی روی جاذب وجود نداشته باشد، معتبر است. بر طبق این قانون، برای جذب به روی یک سطح یکنواخت در غلظت هایی به اندازه کافی پایین، به قدری که تمام مولکول ها از نزدیکترین مولکول مجاورشان نیز ایزوله باشند، رابطه تعادلی بین فاز سیال و غلظت فاز جذب شده، خطی می باشد. این رابطه خطی، به دلیل تشابه با رفتار حدی محلولها و گازها در مایعات و ثابت بودن ضریب تناسب به قانونی هنری شناخته می شود و به ثابت تعادل جذب نیز ثابت هنری گفته می شود. ثابت هنری ممکن است تابع فشار یا غلظت باشد:

q = KC یا q = K´p

q و C به ترتیب غلظت برحسب مول بر واحد حجم در فاز جذب شده و سیال است.

مدل تعادلی لانگمویر

ساده ترین و مفیدترین مدل تئوری جذب تک لایه ای در فرآیندهای جداسازی در سال ۱۹۱۸ توسط لانگمویر ارائه شد. مدل لانگمویر در اصل برای بیان جذب شیمیایی در یک مجموعه متمرکز مشخص روی یک سطح یکنواخت حرارتی در محل های جذب، ایجاد شده است.

فرضیات اصلی مدل لانگمویر :

مولکول ها در محل های متمرکز تعریف شده جذب می­شوند.

هر محل می ­تواند تنها یک مولکول جذب شده را نگهداری کند.

تمام محل ها از لحاظ انرژی یکسان می باشند.

هیچ برخوردی بین مولکولهای جذب شده در محل های همجوار وجود ندارد.

پوشش سطح یا پر شدن کسری منافذ ریز برابر است با که q_s تعداد کل محل ها در واحد وزن یا حجم جاذب می 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 سرعت­های جذب و دفع برابرند. دراینصورت خواهیم داشت:

(۱-۲)

که در آن ثابت تعادل جذب می­باشد.

معادله بالا به صورت زیر بازنویسی می­ شود :

(۱-۳)

در حالت اشباع، میزان جذب شده به میزان تعادلی می­رسد و فشار به بی نهایت نزدیک می شود. در غلظتهای پایین مقدار q نزدیک به صفر است و داریم:

(۱-۴)

در نتیجه:

(۱-۵)

که بیانگر اینست که معادله لانگمویر به معادله نوع هنری تغییر می یابد.

روش مقایسه نتایج تئوری مدل لانگمویر با داده های تجربی معمولاً عبارتست از رسم p/q برحسب p و یا ۱ /q برحسب ۱/p. بدین ترتیب معادلات به این شکل مرتب می شوند:

(۱-۶)

بنابراین بدیهی است که پارامترهای مدل qs و b به سادگی از روی شیب و عرض از مبدأ بدست می آیند. رسم p/q برحسب p به انحرافات کوچک حساستر است زیرا متغیر p در هر دو وجود دارد. مدل لانگمویر زمانی از لحاظ کیفی صحیح است که ایزوترم نوع I نشان داده شود و انطباق مناسبی روی محدوده وسیعی از غلظت با انتخاب معقول q_s و b در این حالت قابل حصول است.

ایزوترم لانگمویر با احتساب اثر متقابل مولکولها

یکی از اصلاحات صورت گرفته روی ایزوترم لانگمویر، در نظر گرفتن اثر متقابل مولکولهای جذب شده مجاور است. این اثر به نیروهای واندروالس مربوط بوده و بنابراین با جذب فیزیکی که بیشتر مربوط به نیروی واندروالس است افزایش می یابد.

ایزوترم لانگمویر روی سطوح ناهمگن؛ ایزوترم فرندلیچ

یک نمونه واقعی ایزوترم ها که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد معادله فرندلیچ است. در بحث اصلی لانگمویر، مقدار جذب شده در اصل مجموعی است از جذبی که به روی تمام مراکز فعال انجام گرفته است. هر کدام از این مراکز مقدار b مخصوص به خود داشته و مقدار حرارت نیز متوسط گیری شده است. Zeldowitch یک تابع نمایی کاهشی از دانسیته مراکز فعال نسبت به q فرض کرد و یک ایزوترم تجربی کلاسیک به دست آورد که به ایزوترم فرندلیچ معروف است.

(۱-۷)

این معادله اغلب به عنوان معادله تجربی بررسی می شود. تفسیر این معادله از لحاظ تئوری به صورت جذب روی سطح نا همگن انرژی ممکن می باشد.

ایزوترم لانگمویر روی سطوح ناهمگن، معادله لانگمویر- فرندلیچ:

به دلیل محدودیت مدل لانگمویر در پیش بینی تعادل مخلوط، افراد مختلفی معادلات را با بهره گرفتن از رابطه توانی با شکل فرندلیچ اصلاح کردند. لانگمویر جذبی را در نظر گرفته بود که هر مولکول دو مرکز را اشغال کند. در این حالت دو مرکز فعال برای جذب و دفع احتیاج است و از اینرو سرعتهای دفع و جذب با θ و ^۲θ متناسبند. ایزوترم حاصل عبارتست از:

(۱-۸)

و در جائیکه n سایت اشغال شود خواهیم داشت:

(۱-۹)

بر طبق ایزوترم فرندلیچ، مقدار جذب شده به طور معینی با فشار افزایش می یابد. هر دو ایزوترم­های لانگمویر و فرندلیچ دارای دو پارامتر هستند. ایزوترم­های حاصل روابط مناسبی برای پوشاندن مقادیر آزمایشی در محدوده وسیعی از فشار و دما هستند.

هر چند مفهوم ترمودینامیکی کاملی برای این مدل وجود ندارد، عبارت فوق تطبیق خوبی باروابط تجربی تعادل دوجزئی برای یک تعداد از گازهای ساده روی جاذبهای غربال مولکولی نشان داده اند و بطور وسیعی برای اهداف طراحی مورد استفاده قرار میگیرند. با این حال به دلیل عدم وجود پایه تئوری مناسب برای این معادلات در استفاده از آنها باید احتیاط نمود.

بخش دوم: بررسی ویژگی اورانیوم

اورانیوم

یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن، ^[۲]U و عدد اتمی آن ۹۲ 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 ۲۳۵ 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^[۳] می‌باشد. چگالی اورانیوم ۶۵% 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^[۴] که تا دمای ۷/۶۶۷ درجه پایدار است.

بتا^[۵] که از دمای ۷/۶۶۷ تا ۸/۷۷۴ درجه پایدار است.

گاما^[۶] که از دمای ۸/۷۷۴ درجه تا نقطه ذوب پایدار است. (این رساناترین و چکش‌خوارترین نوع اورانیوم می‌باشد. )

اورانیوم طبیعی از ۳ 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 ۲۳۵U برابر است با ۴/۵x109 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 ۲۳۹Pu پلوتونیوم تجزیه می‌کند. اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که می‌توانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ ۲۳۵U 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 اورانیوم

فلز 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 ۹۰% می‌باشد. مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاه های تولید نیروی هسته‌ای است که در آنها سوخت U-235 به میزان حدود ۵% 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 ۲۳۸ 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 _۵KUF یا _۴Uf که در _۲CaCl 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 ت