20686

20686

مطالعه جداسازي كادميم با استفاده از استخراج مايع-مايع در سامانه‌هاي ريزسيالشي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1395-1397

1398/01/28

دكتر احمد رهبر كليشمي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

جداسازي فلزات با استفاده از روش¬هاي متداول از جمله استخراج حلالي با نقايصي مانند زمان عمليات طولاني، فضاي بزرگ موردنياز و مصرف بالاي انرژي روبرو است. بنابراين به¬كارگيري فناوري جديدي كه بتواند بخشي از اين نقايص را برطرف كرده و استخراج حلالي را بهبود بخشد، حائز اهميت مي¬باشد. ريزسيالش به سبب دارا بودن ويژگي¬هايي شامل انتقال جرم و حرارت بالا و سريع، مصرف كم مواد، كنترل مناسب بر شرايط فرآيندي، حجم كوچك و قابليت يكپارچه¬سازي مي¬تواند بدين منظور به كار گرفته شود. بنابراين در اين پژوهش، استخراج حلالي ريزسيالشي يون كادميم با استفاده از يك استخراج¬كننده كاتيوني (MDEHPA) در الگوي جريان موازي در ميكروكانال¬هاي Y-Y مورد مطالعه قرار گرفت. در ابتدا، اثر پارامترهاي عملياتي بر بازده استخراج با استفاده از روش پاسخ سطح بررسي شد. غلظت استخراج¬كننده (vol/vol) 6%، 3/6=pH و زمان اقامت s 20 به عنوان شرايط بهينه براي استخراج به دست آمدند. استوكيومتري Cd(II)-MDEHPA با استفاده مدل لگاريتمي غلظت استخراج¬كننده-ضريب توزيع به صورت 5/1:1 تعيين شد. همچنين، اثر ابعاد ميكروكانال بر راندمان استخراج نيز مورد بررسي قرار گرفت. افزايش طول و كاهش عرض ميكروكانال موجب افزايش بازده استخراج شد. با استفاده از ميكروكانال با بلندترين طول و كوتاه¬ترين عرض بازده استخراج برابر 3/93% در زمان اقامت s 8 به دست آمد. همچنين، به منظور ارزيابي عملكرد انتقال جرم، مقادير ضرايب انتقال جرم حجمي (K_L a) تحت شرايط مختلف محاسبه شدند. مقادير K_L a با افزايش زمان اقامت در تمامي طول¬ها و عرض¬هاي ميكروكانال به صورت غيرخطي كاهش يافتند. افزايش طول ميكروكانال از cm 6 به cm 12 در زمان اقامت s 2، موجب افزايش K_L a از s/1 473/0 به s/1 571/0 شد ولي در دبي حجمي mL/h 8، موجب كاهش K_L a از s/1 318/0 به s/1 192/0 گرديد. K_L a با كاهش عرض ميكروكانال از μm 800 به μm 400 در زمان اقامت s 2، از s/1 382/0 به s/1 91/0 و همچنين در دبي حجمي mL/h 10، از s/1 141/0 به s/1 626/0 افزايش يافت. مقدار K_L a سامانه ريزسيالشي بسيار بزرگ¬تر از حالت ناپيوسته به دست آمد كه نشان¬دهنده عملكرد انتقال جرمي بهتر ابزار ريزسيالشي است. به علاوه، يك رابطه جديد به منظور پيش¬بيني عدد شروود فاز آبي در ميكروكانال¬ها با الگوي جريان موازي مايع-مايع توسعه داده شد. مقدار خطاي اين مدل 91/9% به دست آمد كه نشان دهنده صحت آن براي پيش¬بيني عدد شروود فاز آبي مي¬باشد.

1398/04/01

Study of Cadmium Separation Using Liquid-Liquid Extraction in Microfluidic Systems

4/16/2020 12:00:00 AM

The separation of metals by conventional methods, such as solvent extraction encounters defects, for example, long operating time, large required space, and high energy consumption. Therefore, it is important to apply a new technology that can address some of these defects and improve solvent extraction. Microfluidics due to having features, including high and fast heat and mass transfer, low consumption of materials, proper control of process conditions, small volume and integration capability can be used for this purpose. Thus, in this research, Microfluidic solvent extraction of cadmium ion using a cationic extractant (MDEHPA) in the parallel flow pattern in Y-Y microchannels was studied. At first, the effect of the operating parameters on the extraction efficiency utilizing response surface methodology was investigated. Extractant concentration 6% (vol/vol), feed phase pH 6.3 and residence time 20 s were obtained as the optimum conditions for the extraction. Furthermore, the stoichiometry of Cd(II)-MDEHPA using the logarithmic model of extractant concentration-distribution coefficient was determined to be 1:1.5. Also, the influence of microchannel dimensions on the extraction efficiency was examined. The increase in the microchannel length and the decrease in the microchannel width enhanced the extraction efficiency. Using the microchannel with the longest length and the shortest width, the extraction efficiency 99.3% at the residence time 8 s was acquired. Moreover, for the evaluation of mass transfer performance, the values of the overall volumetric mass transfer coefficients (K_L a) under different conditions were calculated. The K_L a values decreased non-linearly with the increase in the residence time at all of the lengths and widths of the microchannel. The rise in the microchannel length from 6 cm to 12 cm at the residence time 2 s, increased the K_L a from 0.473 1/s to 0.571 1/s but at the volumetric flow rate 8 mL/h, decreased the K_L a from 0.318 1/s to 0.192 1/s. The K_L a increased with the decrease in the microchannel width from 800 μm to 400 μm at the residence time 2 s, from 0.382 1/s to 0.91 1/s and also at the volumetric flow rate 10 mL/h, from 0.141 1/s to 0.626 1/s. The K_L a of the microfluidic system was obtained much higher than the batch mode which indicates the better mass transfer performance of the microfluidic device. Additionally, a new correlation for the estimation of the aqueous phase Sherwood number in the microchannels with liquid-liquid parallel flow was developed. The average error of this model was 9.91%, which demonstrates its accuracy for the prediction of the aqueous phase Sherwood number.