دانلود تحقیق رآکتور غشایی

چکیده امروزه برای تولید انرژی الکتریکی که در خانه ها و وسایل نقلیه استفاده می شود ناگزیر به استفاده از تکنولوژی های جدید برای صرفه جویی بیشتر در انرژی هستیم.یکی از روشهای تولید انرژی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell یا پیل سوختی است که از جهات بازده بیشتر برای تولید انرژی:آلودگی کمتر محیط زیست وعمر طولانی که دارند:بسیار مطلوبتر ازسایروسایل تبدیل انرژی مثل توربین گازی:موتور بنزینی وباتری هستند.

پیل سوختی را میتوان وسیله ای دوستدار محیط زیست نامید :چرا که باتوجه به واکنشی که در آن روی میدهد: تنها چیزی که از خود به جای می گذارد آب است( وقتی که سوخت آن هیدروژن باشد).اگر چه هیدروژن خالص یک سوخت عالی برای پیل سوختی است : اما تهیه :ذخیره سازی وتوزیع چنین سوختی به عنوان یک مسئله مطرح می شود.

به عنوان یک راه حل عملی : پیشنهادمیشود:هیدروژنی که در پیل سوختی به کار می رود از واکنش رفرمینگ سوختهای در دسترس مثل متانول :گاز طبیعی :بنزین وگازوئیل تهیه شود.رفرمینگ بخار (SR) : اکسیداسیون جزئی (POX) ورفرمینگ Auto thermal (ATR) سه فرایند اصلی رفرمینگ برای تولید هیدروژن هستند.

یکی از مسایل مهمی که در پیل سوختی وجود دارد :خلوص هیدروژن است .

حتی مقدارکمیCO در داخل هیدروژن (مثلا"بیشتر از 10ppm ) شدیدا" باعث تخریب کاتالیست موجود در پیل سوختی می شود.

یکی از روشهایی که می توان به وسیلهء آن COای که در گاز سنتزی ریفرمر تولید می شود را از بین برد :واکنش WGS است که با تبدیل CO به CO2 و H2 به خلوص بیشتر هیدروژن کمک می کند .

واکنش WGS به صورت زیر انجام می شود: CO2 + H2O CO + H2 از طرفی vWGS بازگشت پذیر و گرماده است که هر دوی این موارد نامطلوب است .

چون در دمای بالا واکنش به سمت تولید CO بر می گردد.به همین دلیل راکتورهای پر شدهء قدیمی که برای این واکنش در نظر گرفته می شوند: بسیار بزرگ وسنگین بودند.

گونهء جدیدی از راکتورها که برای این منظور به کار می روند : راکتورهای با غشای سرامیکی هستند که می توانند میزان انجام واکنش را تا حد زیادی افزایش دهند ومحصول CO2 و H2 را به صورت جداگانه تحویل می دهند.

با توجه به واکنش WGS: برای پیشرفت واکنش به سمت تولید CO2 و H2می توان COرا به صورتی پیوسته از محیط واکنش خارج کرد:به عبارت دیگر می توان CO2 را بوسیلهء نوعی جاذب که در محیط واکنش قرار می گیرد: جذب کرد ودر نتیجه واکنش به سمت تولید بیشتر CO2وH2 پیش می رود و در واقع درجه ء تبدیل CO بهCO2 افزایش می یابد.بدین منظور طرحهایی بررسی شده است که در زیر به آنها اشاره می کنیم :طرح 1 جذب افزایشی WGS در راکتور پر شده وطرح 2 : شامل جذب افزایشیWGS در راکتور غشایی.در طرح 1جاذب CO2( hydrotalcite)را با کاتالیست واکنش WGS( Cu/Zno ) در یک بستر پرشده مخلوط کرده و اجازه داده ایم تا عملیات انجام شود.در طرح 2 راکتور غشایی که غشا آن از نوع سل ژل است و نسبت به CO2و H2 انتخابگری دارد استفاده شد.جاذبی که برای جداسازی CO2 به کار میرود :در قسمت تراوای غشا قرار می گیرد.بنابراین هر دو محصول واکنش می توانند به وسیلهء غشا جدا شوند .در ضمن جذب CO2در قسمت تراوا می تواند درصد خلوص H2 را نیزافزایش دهد Hydrotalcite یک ماده جاذب خوب با بازگشت پذیری زیاد CO2 است که طبق آزمایشات انجام شده حتی بخار آب روی بازگشت پذیری آن تاثیری ندارد.فرمول شیمیایی آن به وسیلهء XRDکه روی آن انجام شد.

Mg0.645Al0.355(OH)2(CO3)0.178 0.105 (H2O) بدست آمد.

بنابراین وجود غشا در راکتور غشائی از مخلوط شدن واکنشگرها با محصولات واکنش جلوگیری می‌کند و همچنین وجود جاذب Hydrotalcite باعث افزایش جذب دی اکسید کربن و در نتیجه افزایش درصد خلوص هیدروژن می‌شود.

مقدمه امروزه برای تولید انرژی الکتریکی که در خانه‌ها و وسایل نقلیه استفاده می‌شود، ناگزیر به استفاده از تکنولوژیهای جدید برای صرفه‌جویی بیشتر در انرژی هستیم.

یکی از روشهای تولید انرژی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell یا پیل سوختی است.

پیل سوختی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است.

یک پیل سوختی هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در طی این پروسه الکتریسیته تولید می‌کند.

یکی از وسیله‌هایی که تا حد زیادی شبیه به پیل سوختی عمل می‌کند، باتری است.

اما یک باتری با مصرف مواد شیمیایی ذخیره شده درونی‌اش و تبدیل آنها به انرژی الکتریکی سرانجام از بین رفته و تمام می‌شود و باید دور انداخته شود و یا دوباره شارژ شود.در یک پیل سوختی مواد شیمیایی دائماً درون سل‌های آن جریان دارد, بنابراین مادامی که جریان مواد شیمیایی درون سلها ادامه دارد , Fuel cell از کار نمی‌افتد و جریان الکتریسته ایجاد می‌کند.

پیلهای سوختی از جهات بازده بیشتر برای تولید انرژی ، آلودگی کمتر محیط زیست و عمر طولانی‌ای که دارند بسیار مطلوب‌تر از سایر وسایل تبدیل انرژی مثل توربین گازی، موتور‌بنزینی و باتری هستند.

پیل سوختی را می‌توان وسیله‌ای دوست‌دار محیط زیست نامید چرا که با توجه به واکنشی که در آن روی می‌دهد تنها چیزی که از خود به جای می‌گذارد آّب است (وقتی که سوخت آن هیدروژن است).

فرآیند شیمیایی که در پیل سوختی روی می‌دهد به صورت زیر است: آند کاتد واکنش کلی این واکنش‌ روی کاتالیست انجام می‌شود تا واکنش هیدروژن و اکسیژن تسهیل گردد.

این کاتالیست معمولا از پودر پلاتین که به صورت خیلی نازک روی ورقه‌ای از کربن پوشیده شده ساخته می‌شود سطح کاتالیست باید زبر و متخلخل باشد تا حداکثر سطح تماس را برای ما ایجاد کند.

اکسیژنی که در یک پیل سوختی بکار می‌رود به راحتی از هوا تأمین می‌شود اما اگر چه هیدروژن خالص یک سوخت عالی برای پیل سوختی است اما تهیه ذخیره سازی و توزیع چنین سوختی به عنوان یک مسئله مطرح می‌شود .

امروزه برای تولید انرژی الکتریکی که در خانه ها و وسایل نقلیه استفاده می شود ناگزیر به استفاده از تکنولوژی های جدید برای صرفه جویی بیشتر در انرژی هستیم.یکی از روشهای تولید انرژی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است استفاده از fuel cell یا پیل سوختی است که از جهات بازده بیشتر برای تولید انرژی:آلودگی کمتر محیط زیست وعمر طولانی که دارند:بسیار مطلوبتر ازسایروسایل تبدیل انرژی مثل توربین گازی:موتور بنزینی وباتری هستند.

واکنش WGS به صورت زیر انجام می شود: CO2 + H2O CO + H2 از طرفی واکنش WGS بازگشت پذیر و گرماده است که هر دوی این موارد نامطلوب است .

با توجه به واکنش WGS: برای پیشرفت واکنش به سمت تولید CO2 و H2می توان COرا به صورتی پیوسته از محیط واکنش خارج کرد:به عبارت دیگر می توان CO2 را بوسیلهء نوعی جاذب که در محیط واکنش قرار می گیرد: جذب کرد ودر نتیجه واکنش به سمت تولید بیشتر CO2وH2 پیش می رود و در واقع درجه ء تبدیل CO بهCO2 افزایش می یابد.بدین منظور طرحهایی بررسی شده است که در زیر به آنها اشاره می کنیم :طرح 1 جذب افزایشی WGS در راکتور پر شده وطرح 2 : شامل جذب افزایشیWGS در راکتور غشایی.در طرح 1جاذب CO2( hydrotalcite)را با کاتالیست واکنش WGS( Cu/Zno ) در یک بستر پرشده مخلوط کرده و اجازه داده ایم تا عملیات انجام شود.در طرح 2 راکتور غشایی که غشا آن از نوع سل ژل است و نسبت به CO2و H2 انتخابگری دارد استفاده شد.جاذبی که برای جداسازی CO2 به کار میرود :در قسمت تراوای غشا قرار می گیرد.بنابراین هر دو محصول واکنش می توانند به وسیلهء غشا جدا شوند .در ضمن جذب CO2در قسمت تراوا می تواند درصد خلوص H2 را نیزافزایش دهد.

Hydrotalcite یک ماده جاذب خوب با بازگشت پذیری زیاد CO2 است که طبق آزمایشات انجام شده حتی بخار آب روی بازگشت پذیری آن تاثیری ندارد.فرمول شیمیایی آن به وسیلهء XRDکه روی آن انجام شد.

فرآیند شیمیایی که در پیل سوختی روی می‌دهد به صورت زیر است: : آند : کاتد : واکنش کلی این واکنش‌ روی کاتالیست انجام می‌شود تا واکنش هیدروژن و اکسیژن تسهیل گردد.

به عنوان یک راه‌ حل عملی، پیشنهاد می‌شود ، هیدروژنی که در پیل سوختی به کار می‌رود از واکنش رفرمینگ سوختهای در دسترس مثل متانول، گاز طبیعی، بنزین و گازوئیل تهیه شود.

رفرمنیگ بخار (SR) ، اکسیداسیون جزئی (POX) و رفرمینگAuto Thermal(ATR) به فرایند اصلی رفرمینگ برای تولید هیدروژن هستند.

در SR بخار با هیدروکربن روی کاتالیست واکنش داده و را تولید می‌کند.

این واکنش بسیار گرماگیر است و در دمای همراه با تولید مقدار زیادی گرما انجام می شود.

رفرمینگ ATR هر دو واکنش بالا را با هم انجام می‌دهد و خوراک آن مخلوطی از هیدروکربن، آب و هواست که همزمان با هم وارد راکتور می‌شوند.

واکنش SR گرمایی که در واکنش POX تولید می‌شود را مصرف می‌کند به طوریکه واکنش کلی کمی گرما زا است.

جدول 1- ترکیب درصد syn gas مربوط به SR , ATR یکی دیگر از مسائلی که در پیل سوختی وجود دارد، خلوص هیدروژن است.

حتی مقدار کمی از CO در داخل هیدروژن مثلا بیشتر از ppm 10 شدیداً باعث تخریب کاتالیست موجود در پیل سوختی می‌شود و این خود باعث پایین آمدن بازده پیل سوختی می‌شود.

یکی از روشهایی که می‌توان به وسیله آن CO ای که در گاز سنتزی ریفرمر تولید می‌شود را از بین برد، واکنش WGS است که با تبدیل CO به به خلوص بیشتر هیدروژن کمک می‌کند.

واکنش WGS به صورت زیر انجام می‌شود.

از طرفی واکنش WGS بازگشت پذیر و گرماده است که هر دوی این موارد برای ما نامطلوب است , چون در دمای بالا واکنش به سمت تولید CO بر می‌گردد.

راکتورهای پرشده قدیمی که برای این واکنش در نظر گرفته می‌شدند, بسیار بزرگ و سنگین بودند و همچنین بازده مطلوبی نداشتند.

گونه جدیدی از راکتورها که برای این منظور به کار می‌روند، راکتورهای با غشای سرامیکی هستند که می‌توانند میزان انجام واکنش را تاحد زیادی افزایش دهند و محصول را به صورت جداگانه به ما تحویل دهند.

تحقیقات نشان داده شده است که با استفاده از این نوع راکتورها تبدیل CO تا % 100 افزایش می‌یابد.

فصل اول غشاء کاربردهای بسیار زیاد غشاء، جایگاه مهمی در تکنولوژی شیمیایی پیدا کرده است، قدرت غشاء درکنترل میزان نفوذ گونه‌های شیمیایی از بین غشاء، خاصیت کلیدی آن به شمار می‌رود.

در فرآیند‌های جداسازی، هدف، اجازه دادن به جزئی از یک مخلوط برای نفوذ آزادانه داخل غشاء است واین در حالی است که غشاء از عبور اجزاء دیگر جلوگیری می‌کند.

تاریخچه غشاء تحقیقاتی که به صورت جدی روی غشاء انجام شد، توسط دانشمندان قرن 18 صورت گرفت به عنوان مثال Abbe Nolet در سال 1748 واژه اسمز را برای نفوذ آب از بین یک دیافراگم به کاربرد.

غشاها در بین قرنهای نوزدهم و بیستم کاربرد صنعتی یا تجاری نداشتند و تنها به عنوان تجهیزات آزمایشگاهی و برای انجام تئوری‌های فیزیکی/ شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

به عنوان مثال برای اندازه‌گیری فشار اسمزی محلول، در سال 1887 غشایی توسط Trauble & Pfeffer ساختند که با قانون وانت‌هوف (van’t Hoff ) کار می‌کرد و رفتار محلولهای خالص ایده‌آل را توضیح می‌داد.

به عبارت دیگر این عملیات مستقیما به قانون وانت‌هوف منجر شد.

در همان زمان، نظریه غشای نیمه تراوای انتخابگر به وسیله ماکسول و دیگران (Maxwell & others) به منظور توسعه تئوری جنبشی گازها ارائه شد.

محققین غشاهای نخستین، انواع دیافراگمهایی که در اختیار داشتند مثل مثانه خوک، گاو یا ماهی، و روکش سوسیهایی که از دل و روده حیوانات ساخته می‌شد را مورد آزمایش قرار دادند.

بعدها غشاهای ساخته شده از کلودین (نیتروسلولز) (collodion) به دلیل اینکه به صورت تکثیری ساخته می‌شدند مورد توجه قرار گرفتند.

بچهولد (Bechhold) در سال 1907 شیوه‌ای برای تهیه غشاهای نیتروسلولزی با اندازه‌های درجه بندی شده‌ای برای منافذ ابداع کرد که باتست حباب انجام می‌شد .

و دیگران به خصوص الفورد (Elford) ، بچمن و زیگموندی (Bachmann & zsigmondy) و فری (Ferry) روش بچهولد را ادامه دادند.

در طی 20 سال اخیر تکنولوژی تولید غشاهای micro filtration توسط پلیمرها مخصوصا استات سلولز گسترش پیدا کرده است.

اولین کاربرد ویژه غشاها در آزمایش آب شرب در انتهای جنگ جهانی دوم بود.

آب شرب برای استفاده در آلمان و قسمتهایی از اروپا که شکست خورده بودند تأمین می‌شد.

و در آن زمان شدیدا به فیلترهایی برای آزمایش روی آب شرب نیاز بود.

محققین برای توسعه این فیلترها که به وسیله ارتش ایالات متحده مورد حمایت قرار می‌گرفت، تلاشهای زیادی را انجام دادند.

ایالات متحده به اولین وبزرگترین تولید کننده غشاهای micro filtration در جهان فعالیت می‌کند.

در 1960 اصول علم غشا توسعه پیدا کرده بود.

اما غشاها تنها برای تعداد کمی از آزمایشگاهها و کاربردهای ویژه صنعتی کوچک مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

در آن زمان صنعت غشاهای ویژه وجود نداشت و فروش خالص‌نهایی غشاها برای همه کاربردهای صنعتی بیشتر از 20 میلیون دلار امریکا در سال 2003 نبود.

در کاربرد غشاها در فرایندهای جداسازی چهار مشکل وجود دارد: غیر قابل اطمینان بودن آنها سرعت کم گزینش پذیری کم قیمت بالا حل هر کدام از این مشکلات در طی 30 سال انجام شد.

کشف اساسی که جداسازی غشایی را از یک کار آزمایشگاهی به یک فرایند صنعتی تبدیل کرد، فرایند لوب- سوریراژان [Leob – Sourirajan] برای ساخت غشاهای اسمز معکوس anisotropic بدون نقص با شار بالا (high-flux) در سال 1960 بود.

[5] این غشاها شامل یک فیلم سطحی انتخابگر بسیار نازک برروی یک سطح ضخیم تر هستند و با داشتن منافذی در مقیاس micro () بسیار نفوذ پذیر می‌باشند و می‌توانند نیروی مکانیکی را تامین ‌کنند.

شاراولیه غشای اسمز معکوس که توسط لوب – سوریراژان ساخته شده بود 10 برابر بیشتر از غشایی بود که قبلا برای فرایند اسمز معکوس ساخته شده بود.

کار لوب- سوریراژان و تحقیقات بسیاری از محققین و تقبل هزینه‌ها توسط وزارت داخلی امریکا و سازمان آبهای شور ((OSW) Office of Salive Water) به تجاری کردن فرایند اسمز معکوس انجامید و عامل مهمی در گسترش Ultra filtrtion وMicro filtration به شمار می‌رفت.

همچنین الکترودیالیز- به وسیله کمکهایی که از یافته‌های OSW گرفته شد- گسترش پیدا کرد.

به طور همزمان با گسترش کاربردهای صنعتی غشاء، غشاها به طور مستقل برای فرایند‌های جداسازی در پزشکی به ویژه در ساخت کلیه مصنوعی گسترش پیدا کردند.

دبلیو.

جی.

کالف[W.J.Kolf] اولین موفقیت کلیه مصنوعی را در سال 1945 در نترلند Netherland)) نشان داد و تقریباً 20 سال برای تکنولوژی فیلتراسیون در مقیاس بزرگ زمان صرف شد، اما این تحقیقات در سال 1960 کامل شد.

از آن به بعد، استفاده غشاء در عضوهای مصنوعی اقدام مهمی در نجات جان انسانها به شمار می‌رفت.

بیش از 000/800 نفر که هم اکنون کلیه مصنوعی دارند بر این مهم صحه می‌گذارند و هر سال بیش از میلیونها نفر تحت عمل جراحی قلب باز- با روشی که امکان اکسیژن دادن به خون به وسیله غشاء را فراهم می‌کند.- قرار می‌گیرند.

در دوره سالهای 1960 تا 1980 تغییرات چشمگیری در وضعیت تکنولوژی غشاء به وجود آمد.

فرایندهای شکل‌گیری انواع دیگر غشا بر مبنای اصول روش لوب- سوریراژان شامل پلیمریزاسیون interfacial و ریخته‌گری کامپوزیتهای چند لایه و پوشش دهی آنها، به منظور ساخت غشاهای با عملکرد بهتر، توسعه پیدا کرد.

استفاده از این فرایندها، ساخت غشاهایی با لایه‌های انتخابگر selective layers)) به ضخامت یاکمتر – که هم اکنون توسط تعدادی از کمپانی‌ها تولید می‌شوند- را به دنبال داشت.

در سال 1980، میکروفیلتراسیون (microfiltration) ، آلترافیلتراسیون (ultrafiltration) ، اسمز معکوس (reverse osmosis) و الکترودیالیز electro dialysis)) ، فرآیندهایی بودند که در بسیاری از واحدها در سراسر جهان انجام می‌شدند.

تحول مهمی که در سال 1980 روی داد، ظهور غشاهای صنعتی درفرایندهای جداسازی گازها بود.

اولین تحول بزرگی که در این زمینه انجام شد، غشایی بود که توسط مونسانتو پریسم Monsanto Prism]] در سال 1980 برای جداسازی هیدروژن ارائه شد.

[7] در ظرف چند سال دو (Dow) سیستمهایی برای جداسازی نیتروژن از هوا تولید کرد و سینارا وسپارکس Cynara & Separex)) سیستمهایی برای جداسازی دی‌اکسید کربن از گاز طبیعی تولید کردند.

تکنولوژی جداسازی گازها به سرعت رشد و گسترش پیدا کرد، علاوه بر اینکه رشد قابل توجهی در سالهای اخیر به چشم می‌خورد.

آخرین پیشرفتها در سال 1980 به وسیله GFT که یک کمپانی کوچک مهندسی آلمانی بود انجام شد.

در این کمپانی اولین سیستم Pervaporation تجاری برای هیدروژن زدایی الکلها به کار گرفته شد.

بیش از 100 واحد هیدروژن زدایی Pervaporation برای ایزوپروپانول و اتانول هم اکنون در حال نصب هستند.

انواع غشاء: در واقع غشاء چیزی جز یک فصل مشترک نازک منفصل نیست که نفوذ گونه‌های شیمیایی را که با آن ارتباط دارد، تعدیل و کنترل می‌کند.

این فصل مشترک ممکن است از نظر مولکولی همگن باشد، به عبارت دیگر ساختار و ترکیبی کاملا یکنواخت داشته باشد و یا اینکه از نظر فیزیکی یا شیمیایی ناهمگن باشد به عنوان مثال داشتن سوراخها و منافذ با اندازه‌های محدود و معین و یا داشتن ساختار متفاوت در لایه‌ها.

یک صافی نرمال با این توضیحات غشا نامیده می‌شود.

براساس قرارداد، فیلترها معمولا برای جداسازی سوسپانسیونهای خاصی که ذرات آنها بزرگتر از 1 تا 10 میکرومتر هستند، استفاده می‌شوند مهمترین انواع غشاها به صورت شماتیکی در شکل زیر نشان داده شده‌اند و به صورت خلاصه توضیح داده شده‌اند: غشاهای ایزوتروپیک: Microporous Membrane -:‌ ساختار و عملکرد غشای microporous بسیار شبیه به فیلترهای معمولی است.

آنها ساختاری انعطاف پذیر با فضایی زیاد دارند که منافذ به صورت تصادفی (randomly) توزیع شده‌اند.

تفاوت اندازه منافذ این نوع غشاء با فیلترهای معمول در قطر بسیار کم آنها در حدود 0.01 تا 10 میکرومتر است.

ذراتی که از بزرگترین منافذ غشاء، بزرگتر باشند نمی‌توانند از غشاء عبور کنند.

ذراتی که از بزرگترین منافذ غشاء کوچکتر باشند و همچنین بزرگتر از کوچکترین منافذ غشاء باشند به صورت مختصری بر طبق توزیع سایز منافذ غشاء پذیرفته می‌شوند.

ذراتی که بسیار کوچکتر از کوچکترین منافذ غشاء باشند، از بین غشاء عبور خواهند کرد.

بنابراین جداسازی محلولها به وسیله غشاهای microporous اساسا تابعی از سایز مولکولها و توزیع سایز منافذ است.

به طور کلی عملا تنها مولکولهایی که تفاوت قابل ملاحظه‌ای در سایز دارند، می‌توانند به وسیله غشاهای microporus جدا شوند.

به عنوان مثال Ultra filtration,Microfiltatiopn.

Non porous,Dense Membeane: Non porous,Dense Membeane، شامل یک فیلم فشرده تراواست که فرایند انتقال آن از طریق نفوذ با نیرو محرکه فشار، غلظت یا اختلاف پتانسیل الکتریکی است.

جداسازی ترکیبات مختلف یک مخلوط مستقیما به نرخ انتقال آن از بین غشاء بستگی دارد و به وسیله انحلال پذیری آن جزء در مواد غشاء تعیین می‌شود.

بنابراین غشای متراکم غیر متخلخل در صورتی می‌تواند اجزاء تراوا را با سایزهای مختلف جدا کند که انحلال پذیری اجزاء در غشا متفاوت باشد.

بیشتر غشاهایی که در فرآیندهای جداسازی گازها، pervaporation و اسمز معکوس مورد استفاده قرار می‌گیرند.

غشاهایی متراکم (Dense) هستند.

این نوع غشاء معمولا برای داشتن شار بهتر ساختاری anisotropic دارند.

غشاهای با بار الکتریکی (Electrically Charged Mem brane): غشاهای با بار الکتریکی می‌تواند microporous یا فشرده (dense) باشند اما معمولا بسیار دقیقتر از microporous ها هستند و دیواره‌های منفذ داری با یونهای ثابت بار دار مثبت یا منفی دارند.

جداسازی با غشاهای باردار، اساسا به وسیله جلوگیری از یونهایی با همان بار به عنوان یونهای ثابت ساختار غشاء و کوچکتر از اندازه منافذ انجام می‌شود.در این نوع غشا جداسازی متأثر از بار و غلظت یونها در محلول است.

به عنوان مثال یونهای monovalent بسیار کمتر از یونهای divalent از عبور یونها جلوگیری می‌کنند.

غشاهایی که به صورت الکتریکی باردار می‌شوند برای محلولهای الکترولیت در الکترودیالیز به کار می‌روند.

Anisotropic Membrane: در این نوع غشاء میزان انتقال گونه‌ها از بین غشاء با عکس ضخامت غشاء متناسب است.

میزان انتقال بالا در فرایندهای جداسازی، از لحاظ اقتصادی مورد توجه قرار می‌گیرد، بنابراین تا جائیکه مقدور باشد باید غشاء نازک باشد.

تکنولوژی تولید فیلمهای معمولی در ساخت مقاومت مکانیکی فیلمهای بدون نقص با ضخامتی در حدود محدود می‌شود پیشرفت تکنولوژی ساخت غشاهای تازه برای تولید ساختار anisotropic غشاء یکی از بزرگترین پیشرفتهای علمی در زمینه غشاء در طی 30 سال گذشته بوده است.

غشاهای anisotropic شامل یک لایه سطحی بسیار نازک هستند و روی سطحی که ضخامت بیشتری دارد، قرار می‌گیرند.

لایه سطحی و زیر ساختار آن ممکن است در یک عملیات و یا عملیاتهای جداگانه‌ای شکل‌گیری شوند.

در غشاهای کامپوزیت، لایه‌ها معمولا از پلیمرهای مختلفی ساخته می‌شوند و میزان تراوایی غشاء فقط با لایه سطحی تعیین می‌شود و زیر ساختار تنها به عنوان یک پایه عمل می‌کند.

Ceramic , metal & Lipuid Menbranes: غشا از پلیمرهای آلی تشکیل شده و در حقیقت پایه بیشتر غشاهایی که از لحاظ تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند پلیمری است.

هر چند در سالهای اخیر گرایش به غشاهایی که از مواد معمولی کمتری تشکیل شده‌اند، بیشتر شده است.

غشاهای سرامیکی در گروه خاصی از غشاهای microporous دسته بندی می‌شوند ودر کاربردهایMicrofiltration و Ultrafiltration که مقاومت حلال و پایداری گرمایی مورد نیاز است، به کار می‌روند.

غشاهای فلزی فشرده مخصوصا غشاهای پالادیوم برای جداسازی هیدروژن از مخلوط گازها مورد توجه قرار می‌گیرند و با فیلمهایی که برای انتقال راحت‌تر ایجاد می‌شوند، محافظت می‌شوند.

- خواص مواد: غشاهای سرامیکی به صورت سنتزی ساخته می‌شوند و ترکیبی از فلزات (معمولا Ti , Zn , Al) و اکسید فلزات هستند.

غشاهای غیرآلی پایداری دمایی وانحلال پذیری بالایی دارند.

آنها شکلی چند کاناله با قطر و تخلخل متفاوت دارند.

به طور کلی مواد سرامیکی از نظر شیمیایی، حرارتی و مکانیکی استحکام بسیار بالایی دارند و همچنین غالبا bioinert هستند، در نتیجه آنها موادی ایده‌آل برای بسیاری از کاربردها در صنایع شیمیایی و دارویی و یا فرایندهای آب و فاضلاب هستند.

نقاط ضعف آنها غالبا در وزن بالا و قیمت بالای محصولات ترکیبات سرامیکی است.

اگر چه معمولا مورد دوم با عمر بالا جبران می‌شود.

- هندسه بافت توخالی: بهترین غشاها از بسیاری جهات دارای بافت توخالی (قطر بیرونی کمتر از ) و یامویرگی (قطر بیرونی بیشتر از ) هستند، که نسبت سطح به حجم بسیار بالایی دارند.

استفاده از بافتهای توخالی یا مویرگی با سطح زیاد غشاء که در حجم کم و به صورت متراکم تولید می‌شوند، مدل می‌شود.

در کابردهای پیوند مثل پیوند کلیه مصنوعی، غشاهای پلیمری با بافت توخالی( برای مثال برای mass-produced article ) استفاده می‌شود.

هر چند غشاهای سرامیکی لوله‌ای که قطر آنها به طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از است، کاربردهای بسیار زیادی دارند ولی هنوز در بازار موجود نیستند.

- فرایند ساخت و تولید: فرانهوفر (Fraunhofer) IGB فرایند چرخشی رسوبی را برای تولید غشای توخالی غیرآلی ارزان ارائه کرده است که در آن از سیستمهای آلی، پلیمرهای مصنوعی یا طبیعی، باریکه‌های اکسید، نیترید، کربید و همچنین پودرهای فلزی که می‌توانند تابیده (ریسیده) شوند تا به شکل مویرگ درآیند، استفاده می‌شود.

خواص غشاء را می‌توان با تنظیم کردن تکه‌ها, فرایند ریسیدن، فرایند Sintering در محدوده وسیعی کنترل کرد.

- غشای مویرگی : غشاهای مویرگی معمولی ساخته شده از دارای قطر بیرونی بین 0.5 تا 1.5 میلی‌متر با ضخامت دیواره بین 0.1 تا 0.2 میلی متر هستند و عرض روزنه‌ها بیش از 200nm وتراوایی آنها بین 25 تا 50 درصد است.

این غشاها به عنوان پایه برای بیشتر لایه‌های جداسازی انتخابی بسیار مناسب هستند.

همچین ویژگی بارز آنها در شعاع کم منفذهای توزیع با محدوده تعریف شده بالا برای منفذها است.

مقایسه راکتور پر شده و غشایی و بررسی خصوصیات جاذب در این فصل به بررسی طرحهای ارائه شده برای خالص سازی و جداسازی در واکنش WGS می‌پردازیم.

باتوجه به واکنش WGS که به صورت است یکی از روشهایی که باعث می‌شود واکنش به سمت راست پیشرفت داشته باشد خارج کردن به صورت پیوسته از محیط واکنش است به عبارت دیگر می‌توان را به وسیله نوعی جاذب که در محیط واکنش قرار می‌گیرد ، جذب کرد و در نتیجه واکنش به سمت تولید بیشتر پیش می‌رود و در واقع درجه تبدیل به افزایش می‌یابد.

جاذبی که در این طرح استفاده شده ماده‌ای است به نام hydrotalcite که این ماده به صورت سنتزی ساخته شده است و توانایی قابل ملاحظه‌ای در جذب دارد.

خصوصیت بازگشت پذیری ( reversibility) برای ماده hydrotalcite بسیار مهم است.

در این گزارش خلاصه‌ای از طرحهای بررسی شده برای واکنش WGS و همچنین آزمایشهای تعیین درجه بازگشت پذیری در ماده hydrotalcite آورده شده است.

بررسی طرحهای ارائه شده برای جداسازی در واکنش WGS: در این گزارش دو طرح برای واکنش WGS بررسی شده است که در هر دو آنها از hydrotalcite به عنوان جاذب به منظور افزایش پیشرفت واکنش استفاده می‌شود: طرح 1: جذب افزایشی WGS در راکتور پرشده طرح 2: جذب افزایشی WGS در راکتور غشایی در هر دو طرح با جداسازی پیوسته بازده راکتورها که در آنها واکنش WGS انجام می‌شود بالا می‌رود.

در اینجا طرح 2 اصطلاحاً راکتور غشایی جذبی هیبرید (Hybrid Adsorbent-Menbrane Reactor) یا HAMR نامیده می‌شود که شامل یک راکتور غشایی کاتالیستی پرشده با واکنش WGS است که محصولات واکنش () از غشایی که نسبت به هر دو نفوذپذیر است عبور کرده و در قسمت تراوا به وسیله جاذب جذب می‌شود در سیستم HAMR تبدیل Co، بازده هیدروژن و همچنین خلوص محصول به مقدار چشمگیری افزایش پیدا می‌کند و همچنین موانعی که در راکتورهای WGS معمولی برای شرایط عملیاتی و جذب به وجود می‌آید، کاهش یافته است.

هدف از ارائه این دو طرح پیشرفت دربازده واکنش WGA به وسیله جداسازی پیوسته می‌باشد .

غشایی که در اینجا پیشنهاد شده از نوع غشای غربال مولکولی کربن (Carbon Molecular Sieve Membrane) است که هم برای جداسازی و مناسب است و هم در دسترس می‌باشد.

ضمن معرفی این دو طرح یکCase Base نیز ارائه شده است که در آن واکنش WGS در راکتور پرشده با جداسازی از طریق عملیات PSA (Pressure Swing Adsorption) و در دمای بالا (high tempreture)انجام می‌شود.

در Base case جاذب hydnotalcite در مرحله دوم از جداسازی استفاده می‌شود و در واکنش WGS در یک بستر پرشده مخلوط می‌کنند و سپس عملیات انجام می‌شود.

بنابراین با توجه به خارج شدن پیوسته از محیط واکنش تولید بیشتر می‌شود و از این طریق بازده واکنش بالا می‌رود.

وقتی در فرآیند جاذب به کار رود به دو بستر با قابلیت تغییر موقعیت نیاز داریم که وقتی یکی در عملیات است دیگری در حال احیا باشد.

در Case II غشایی که نسبت به و انتخابگری بالایی دارد را با hydrotalcite که برای جداسازی در قسمت تراوا پر شده است ترکیب می‌کنند بنابراین هر دو محصول واکنش یعنی و می‌توانند به وسیله غشا جدا شوند، به علاوه برای جداسازی ،جاذب hydrotalcite در قسمت تراوا با جذب می‌تواند درصد خلوص را نیز افزایش دهد.

CaseIIA اغلب به منظور اصلاح CaseII به کار می‌رود، در CaseIIA به جای استفاده از دو راکتور تک مرحله‌ای شبیه به هم، جاذب hydrotalcite به صورت interstage به عنوان جدا‌کننده به کار می‌رود.

اگر چه فرآیند یک مرحله اضافی نیاز دارد، اما جاذب می‌تواند مستقل از واکنش WGS عمل کند.

فرآیندهای استفاده از hydratalcite به عنوان جاذب برای جداسازی: Base Case : واکنش WGS معمولی با جاذب hydrotalicte Case I: جذب افزایشی در راکتور پرشده با واکنش WGS CaseII: جذب افزایشی در راکتور غشایی با واکنش WGA Case IIA: راکتور غشایی با واکنش WGA با جاذب درون مرحله‌‌ای در این طرح مشاهده شد که وقتی از راکتور غشایی به جای راکتور پرشده معمولی استفاده می‌شود، بسته به نوع انتخابگری غشا ، %5 تا %30 افزایش بازده در واکنش مشاهده می‌شود.

در این میان انتخابگری در غشا مهمترین نقش را ایفا می‌کند, به طوری که وقتی غشا فقط انتخابگری هیدروژن داشته باشد و نفوذ در آن ناچیز و یا صفر باشد بازده واکنش WGS %5 نسبت به راکتور پرشده معمولی افزایش نشان می‌دهد اما وقتی که انتخابگری غشا تا 100 افزایش پیدا کند بازده واکنش WGS تا % 30 افزایش پیدا می‌کند.

البته در اینجا لازم است که برای مشخص کردن انتخابگری بهینه مطالعات بهینه‌سازی انجام شود چون بدین وسیله می‌توان حجم بهینه جاذب hydrotalcite را نیز بدست آورد.

مهمترین اهدافی که راکتور واکنش WGS باید تأمین کند: 1- افزایش تبدیل واکنشگرها و افزایش بازده تولید محصول به وسیله غلبه بر محدودیت‌های ترمودینامیکی واکنش , این خصوصیات اجازه می‌دهد که راکتور در شرایط متوسط (مثل دما و فشار متوسط) نیز به خوبی عمل ‌کند.

2- جداسازی و خالص سازی با کیفیت بالای محصول مطلوب از نامطلوب که در اینجا منظور جداسازی از است.

طبق تحقیقاتی که انجام شده است راکتورهای غشایی برای تأمین اهداف ذکر شده بهترین مورد بودند.

غشایی که دراین راکتورها استفاده می‌شود می‌تواند غیر فلزی و با تخلخل نانویی باشد و یا از جنس فلز پالادیم و یا آلیاژ پالادیم که به صورت فشرده تهیه می‌شوند باشد.

اما از آنجایی که غشاهای فلزی گران هستند و در حضور سولفور و کک در مدت زمان کوتاهی غیر فعال می‌شوند بهتر است که از غشاهای غیر فلزی مانند غشاهای سرامیکی استفاده شود.