کربن 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 خام
از 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.
( 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. )
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….
کربونیزاسیون
در 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 حدود۸۰۰ درجه سانتی گراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر صورت میگیرد. پارامترهای مهم تعیین کننده ی کیفیت محصول عبارتند از :
۱- نرخ حرارت دادن
۲- دمای نهایی
۳- مدت زمان خیساندن
ساختار ریز منافذ کربن در دمای حدود ۵۰۰ 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 ۸۰۰ درجه سانتی گراد دوباره این منافذ را ایجاد کرد. افزایش دما تا۱۰۰۰ 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 با مساحت داخلی بالا دست پیدا کرد. پدیده فعال سازی به دو روش انجام می شود:
الف: فعال سازی شیمیایی: در این روش ابتدا ماده خام با یک محلول غلیظ از مواد فعال کننده اشباع می شود و با این عمل مواد سلولزی از بین می روند و تحت عملیات حرارتی در دمای بین ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی گراد قرار می گیرند. مواد پرولیز شده سرد می شوند و به منظور خارج ساختن مواد فعال کننده تحت عملیات شستشو قرار می گیرند. مواد فعال کننده عبارتند از اسید فسفریک، کلرید روی، اسید سولفوریک، یدید پتاسیم و. . . .
ب: فعال سازی فیزیکی: در این فرایند به کمک محصولات کربونیزه شده، ابعاد و ساختار مولکولی منافذ گسترش یافته و مساحت سطحی آنها افزایش می یابد. این عملیات در دمایی بین ۸۰۰ الی ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد با حضور مواد گازی اکسید کننده مناسب مانند دی اکسید کربن و هوا انجام می گیرد. برای تبدیل مواد کربونیزه شده به وسیله بخار و دی اکسید کربن از واکنش های زیر استفاده می شود:
(۱-۱۰) C + H2O → CO + H2 (۲۹ kcal)
(۱-۱۱) C + CO2 → ۲CO (39 kcal)
(۱-۱۲) CO + H2O → H2 (۱۰ kcal)
مولکول آب کوچکتر از مولکول دی اکسید کربن است و در نتیجه سرعت نفوذ آن به داخل منافذ کربن بیشتر می باشد بنابراین سرعت واکنش با بخار بیشتر از سرعت واکنش با دی اکسید کربن است.
کربن های فعال پیشرفته
علاوه بر کاربرد های عمومی کربن های فعال، کربن های فعال پیشرفته ای با کنترل مخصوص بر روی ساختار منافذ در چند دهه اخیر برای کاربردهای خاص ایجاد شده اند.
غربال کننده های مولکولی کربنی (CMS) یک نوع ویژه از کربن فعال می باشند که دارای منفذ با اندازه کوچک و با یک محدوده توزیع کوچک در حد میکرو منافذ می باشند. این کربن ها برای جداسازی و جذب گاز و مایع در محیط هایی با غلظت خیلی کم مورد استفاده قرار می گیرند، مشابه جذب گاز اتیلن برای تازه نگه داشتن میوه و سبزیجات. اغلب کاربرد کربن های CMS در سیستم های جداسازی گاز می باشد. اندازه منفذ در کربن های CMS با اندازه مولکول های جذب شونده نیتروژن و هیدروژن قابل مقایسه می باشد. دمای جذب نیز سرعت جذب یک گاز را تحت تاثیر قرار می دهد. در دمای بالا سرعت جذب نیز بالاتر می باشند. کربن های CMS برای جداسازی نیتروژن و اکسیژن مورد استفاده قرار می گیرند.
نانو الیاف کربن فعال
تکنولوژی تولید نانو الیاف کربن فعال شده ترکیبی از تولید الیاف کربن به علاوه مراحل فعال سازی آن می باشد. تا هنگامی که خصوصیات مکانیکی بالا مورد نیاز نباشد ترجیح داده می شود که نانو الیاف کربن با ساختار آمورف تولید شود. فرایند تولید نانو الیاف کربن فعال شده شامل توسعه الیاف کربن آمورف در دمایی در حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد صورت می گیرد. در نانو الیاف کربن حاصل از قیر می توان بالاترین مساحت ویژه ای در حدود ۲۵۰ متر مربع بر گرم و بیشترین حجم میکرو منافذ در حدود ۶۱/۱ میلی لیتر بر گرم را به دست آورد.
تعاریف ویژگی های فیزیکی کربن اکتیو
الف) سطح تماس یا Surface Area : سطح تماس عبارتست از کل سطح ذرات کربن که جهت عملیات جذب با فاز سیال در تماس می باشد. هرچه این سطح بیشتر باشد، میزان انتقال جرم و به تبع آن ظرفیت جذب بیشتر می شود. هرچند علاوه بر سطح تماس، سایز و فرم خلل و فرج دانه های کربن نیز در اثرپذیر بودن سطح جاذب موثر است. این ویژگی با محاسبه میزان جذب نیتروژن توسط کربن و گزارش آن به صورت مترمربع بر گرم کربن اندازه گیری می شود. معمولاً کربن اکتیوها دارای سطح تماس مابین ۵۰۰ تا m2/g 2000 هستند. استاندارد ASTM D3037 روش اندازه گیری این ویژگی را با بهره گرفتن از جذب نیتروژن به روش BET کاملاً شرح داده است. دلیل استفاده از نیتروژن سایز کوچک مولکول آن است که اجازه می دهد وارد دانه های کربن به خلل و فرج میکروپور گردد.
ب) حجم سوراخ ها (Pore Volume) : حجم سوراخ ها مشخصه کل حجم سوراخ های یک دانه کربن اکتیو است به ازاء واحد جرم کربن (cm3/g).
ج) عدد یدی (Iodine Number) : عدد یدی به میزان جذب محلول ۰۲/۰ نرمال ید روی کربن اکتیو مرتبط است. بر طبق استاندارد ASTM D4607. عدد یدی اندازه گیری درصد حجمی خلل و فرج با قطر ۱۰ تا oA 28 است. کربن اکتیوهائی که دارای درصد بالای سوراخ های oA 10 تا oA 28 هستند برای جذب مولکولهای با وزن مولکولی پایین تر مناسب تر است و کربن اکتیوهای با عدد یدی بالا برای جذب فاز بخار مناسب تر است. برای جذب در فاز مایع باید از کربن اکتیوهائی استفاده شود که دارای عدد یدی ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ است.
د) عدد سایش Abrasion Number : عدد سایش معیار مقاومت دانه های گرانولی کربن اکتیو در برابر سایش است. عدد سایش عبارتست از نسبت قطر متوسط ذره گرانولی در حالت نهائی به قطر متوسط اولیه. مقدار مناسب این ویژگی برای کربن اکتیوهای گرانولی عدد ۷۰% است.
فلورید سدیم
سازوکار تله گذاری فلورید سدیم شامل واکنش با هگزارفلوراید سدیم می باشد که با تشکیل کمپلکس جامد می شود. این واکنش با گرما کمپلکس تا دمای ۶۵۰ فارنهایت می تواند برگردد. در نتیجه تله فلورید سدیم می تواند در جای خود احیاء شود و احیاء کل اورانیوم به طور مجازی امکان پذیر است.
فلورید سدیم به صورت استوانه های دایره ای قائم ۸/۱ اینچ موجود است و چگالی حجمی ظاهری آن ۶۵lb/ft می باشد.
فلورید سدیم به صورت دو فلوریدی(NaF.HF) خریداری می شود و بایستی در معرض گرمایش قرار گیرد تا HF آن از بین برود زیرا جاذب دو فلوریدی ذاتاٌ ظرفیتی برای ندارد.
در ضمیمه ۱ نتایج آزمایش BET و XRD بر روی جاذب فلورید سدیم گزارش شده و اثبات شده که قطر حفرات این جاذب در حدود ۹ نانومتر است.
بخش سوم: بررسی جاذب های مورد استفاده در صنایع غنی سازی
به منظور انتخاب یک جاذب مناسب برای جذب هگزا فلورید اورانیوم نیاز به بررسی پارامترهای موثر در جذب مانند ظرفیت جذب، سینتیک واکنش، نمودار افت فشار، قابلیت احیاء و … می باشد.
در سال ۱۹۶۷ استفانسون بر روی جداسازی ناخالصی هگزا فلوئوراید اورانیوم بوسیله روش جذب انتخابی کارکرده است. همچنین ایشان در سال ۱۹۸۱ برروی انتخاب جاذب و پارامترهای مورد نیاز برای طراحی تله اورانیوم کارکرده است.
برای جذب ۶UF از تله های حاوی ذرات NaF نیز استفاده می شود. واکنش سدیم فلوئوراید با ۶UF ابتدا از سال ۱۹۱۱ مورد توجه قرار گرفت و طی این سالها بررسی کمپلمس آن توسط برخی از دانشمندان نظیر گاترز و همکارانش در سال ۱۹۵۷، ماسو و همکارانش در سال ۱۹۵۸، کاتز در سال ۱۹۶۴ انجام شد. بررسی و مدل جذب آن توسط مک نسی درسا ل ۱۹۶۳ انجام شد. در سال ۱۹۶۸ اندرسن مشاهدات تجربی خود را برروی جذب هگزافلوئورید اورانیوم در بستر ثابت سدیم فلوئوراید ارائه کرد. استفانسون در دسامبر ۱۹۶۸ یک مدل طراحی برای دینامیک جذب هگزا فلوئورید روی بستر ثابت سدیم فلوئوراید ارائه کرد و در سال ۱۹۸۱ مقایسه آن را با انواع آلومینا ارائه داد.
جذب UF6 روی آلومینا و فلورید سدیم
جذب هگزا فلورید اورانیوم توسط قرص فلورید سدیم که یک فرایند جذب شیمیایی است با تشکیل UF6.NaF همراه است. توانایی جذبUF6 توسط NaF بستگی به ساختار قرص، دما و فشار عملیات تله گذاری دارد. حضور اجزاهای گازی دیگر می تواند بر روی ظرفیت UF6تاثیرگذار باشد.
سازوکار تله گذاری آلومینا برای هگزا فلورید اورانیوم بستگی به واکنش هیدرولیزی که منجر به تولید UO2F2 که در ساختار حفره ها رسوب کرده، دارد. در فرایند جذب UF6 روی آلومینا، ابتدا رطوبت موجود در آلومینا با UF6 واکنش داده و تولید رسوب UO2F2 و گاز HF می کند و سپس آلومینا با گاز HF وارد واکنش شده و تولید AlF3 جامد میکند. همانطور که قبلا اشاره شد کمی یا زیادی مقدار آب باقی مانده تاثیر معکوس بر ظرفیت قرص خواهد گذاشت. مقدار رطوبت بهینه جاذب برای جذب مناسب هگزا فلورید اورانیوم حدود ۳ تا ۴ درصد می باشد.
در آزمایشی که توسط شولتز و همکارانش در سال ۱۹۸۱ انجام گردید، میزان جذب روی چهار جاذب در مجتمع ORGDP (Oak Ridge Gaseous Diffusion Plant ) مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. نتایج بدست آمده از آزمایشات در جدول ۱-۱ آمده است:
جدول ۱‑۱میزان جذب UF6 روی چهار جاذب در آزمایش شولتز
قرص NaF نسبت به آلومینا H- 151 و XF- 100 فقط کمی بیشتر اورانیوم را جذب می کند. از سوی دیگر همه این سه نوع جاذب، اورانیوم خیلی بیشتری را نسبت بهF-1 جذب می کند. بهر حال بایستی تاکید کرد که این مقادیر، میزان اورانیومی را شامل می شود که تله به حالت اشباع رسیده باشد و برای هدف طراحی تله شیمیایی، می بایست ملاحظات مربوط به سرعت واکنش را مد نظر قرار داد. در حقیقت، اشباع قرص به ندرت توسط آلومینا در عملیات تله شیمیایی واقعی بدست می آید، زیرا واکنش هیدرولیز آرام است. از سوی دیگردر عمل میزان جذب اورانیوم توسط فلورید سدیم زمانی برابر مقادیر بدست آمده می گردد که از قرص های تازه برای تله ها استفاده شود. ساختار فیزیکی قرص NaF در طول چرخه جذب و دفع، تنزل می یابد و در نتیجه، ظرفیت جذب آن نیز کاهش می یابد.
سرعت واکنش
فرایند کلی برای از بین بردن هگزا فلورید اورانیوم از جریان جاری بوسیله قرص جامد متخلخل می تواند توسط سازوکار زیر توصیف شود. نفوذ ملکول هگزا فلورید اورانیوم از توده جریان گاز به سطح خارج قرص، نفوذ داخل ساختار متخلخل، و جذب روی سطوح داخلی و واکنش با ماده جاذب. مهمترین اختلاف عمده بین NaF و آلومینا ها، سرعت جذب هگزا فلورید اورانیوم توسط جاذب ها می باشد. نمودار ۱-۱ مقایسه جذب تک لایه ای بین NaF و H-151 را رسم کرده است. سازوکار جذب NaF اساسا سریعتر ازH- 151 است. به عنوان نمونه، در فشار UF6 کمتر از ۵۰ mbar وزن قرص های NaF پس از یک ساعت تا ۴۰ درصد افزایش می یابد در حالیکه در جاذب آلومینا بیشتر از ۵۰ ساعت لازم است تا این مقدار افزایش وزن حاصل شود.
نمودار ۱‑۱ مقایسه تغییرات جذب هگزافلورید اورانیوم برای NaF و آلومینا H –۱۵۱
مقایسه سرعت های بستر ثابت می تواند براساس طول ناحیه جذب مربوطه نیز باشد. ناحیه جذب به عنوان حداقل طول بستر که نیاز است تا پدیده جذب انجام گیرد، تعریف می شود. از این رو در ناحیه جذب غلظت فاز گاز جذب شونده، از مقدار خوراک تا نزدیک صفر کاهش پیدا می کند. جاذب عقب تر از ناحیه جذب با جذب شونده اشباع می شود در حالیکه جاذب در جلوی ناحیه فعال، هیچ جذب شونده ای را شامل نمی شود .کل بستر مورد نیاز برای دوره زمان داده شده شامل طول ناحیه اشباع بعلاوه طول ناحیه جذب می باشد. ناحیه اشباع بر اساس ماکزیمم داده جذب جاذب که قبلا گفته شد، محاسبه می شود. ناحیه جذب تابعی از سرعت سیستم می باشد. سرعت بستر ظاهری یکی از پار امتر های مهم فرآیندی است که طول ناحیه انتقال جرم را مشخص می کند. سیستم با واکنش پذیری کمتر، به طور مشخص، ناحیه جذب بزرگی داد، زیرا اساسا زمان اقامت بیشتری برای انتقال جذب شونده از فاز گازی به داخل جاذب نیاز است.
احیا و قابلیت های بازیافت
اورانیومی که روی جاذب های شیمیایی جذب شده است بایستی احیا شود. تله NaF می تواند با گرما دادن جامد کمپلکس NaF-UF6 تا تقریبا F 650 احیا شود.در نتیجه NaF مصرفی می تواند در جا احیا شود. کمپلکس UF6,2NaF تحت فشار بعدی و قرار دادن فشار قابل ملاحظه ای بر روی ساختار قرص تشکیل می شود. در نتیجه ساختار قرص فیزیکی کمی خراب می شود و ظرفیت جذب قرص به آرامی کاهش می یابد. شرایط عملیاتی غیر معمولی و غیر عادی بعلاوه وجود ناخالص شیمیایی می تواند منجر به از بین رفتن زودرس عمر تله قرص NaF شود. متاسفانه داده کافی برای تخمین عمر چرخه وجود ندارد. بایستی توجه داشت که به هر حال قرص های NaF در بعضی کاربرد ها در ORGDP برای بیشتر از ۵۰ چرخه قبل از جایگزینی مورد استفاده قرار می گیرد. سیلکون که در آلومنیا H- 151 وجود دارد مزاحم احیا شیمیایی اورانیوم می شود.
تاثیر دیگر اجزای خوراک گازی
شولتز همچنین نشان داد که حضور اجز ای دیگر در خوراک گازی می تواند روی ظرفیت گازی عامل تله تاثیر گذار باشد. جاذب ممکن است به طور جزئی یا کلی بوسیله واکنش با گاز های ورودی به جای واکنش با UF6 از بین برود و در نتیجه ظرفیت جذب اورانیوم کاهش می یابد. قدرت جذب ممکن است بوسیله از هم پاشیدگی قرص در اثر گرمای واکنش شیمیایی از بین برود.
