21629

21629

اندازه گيري ميزان جذب رطوبت هوا با استفاده از نانوكامپوزيت زئوليت 13X اصلاح شده

كارشناسي ارشد

شيمي تجزيه

1398/8/25

دكتر منصور انبياء

شيمي

استخراج آب از رطوبت هوا روشي با كارايي زياد براي تهيه آب آشاميدني به ويژه در نواحي خشك و دورافتاده به شمار مي رود. اخيرا روش جذب سطحي به علت كارايي زياد، صرفه جويي در مصرف انرژي و نداشتن اثرات مخرب روي محيط زيست مورد توجه قرار گرفته است. هدف از انجام اين پژوهش اصلاح ساختار زئوليت 13X و بررسي عملكرد آن با هدف جذب رطوبت هوا مي باشد. بدين منظور ابتدا زئوليت 13X با اندازه حفره هاي ميكرو، مزو و نانو سنتز شده است و سپس براي افزايش ظرفيت جذب، فرآيند تبادل يون و تهيه كامپوزيت با استفاده از درصدهاي وزني مختلف از نمك هاي نم گير كلسيم كلريد و منيزيم كلريد انجام شده است. در قسمت دوم ابتدا كربن فعال به منظور افزايش تعداد گروه هاي عاملي حاوي اكسيژن مانند گروه هاي هيدروكسيلي و در نتيجه ارتقاء عملكرد آن در جذب مولكول هاي بخار آب با استفاده از نيتريك اسيد و سديم هيدروكسيد اصلاح شده و در ادامه كامپوزيت حاصل از اين تركيب و زئوليت هاي 13X ميكرو و نانو تهيه شده است. در قسمت سوم ابتدا مزومتخلخل سيليكاتي MCM-41 سنتز شده و با استفاده از آن كامپوزيت زئوليت 13X نانو و MCM-41 به روش ريزموج تهيه شده و در نهايت فرآيند تبادل يون نانوكامپوزيت توسط درصدهاي وزني مختلف از نمك نم گير كلسيم كلريد انجام شده است. روش هاي شناسايي مختلف مانند طيف سنجي پراش اشعه ايكس (XRD)، مادون قرمز (FT-IR)، پراش انرژي پرتو ايكس (EDS) ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) و آناليز جذب و واجذب نيتروژن (BET) نيز به منظور تاييد ساختار جاذب هاي سنتز شده مورد استفاده قرار گرفته است. براي توليد رطوبت هاي نسبي مختلف از محلول اشباع آب-نمك استفاده شده است و ست آپ اندازه گيري با استفاده از دو حسگر دما و رطوبت و بر پايه سامانه Arduino طراحي شده است. فرآيند جذب در رطوبت هاي نسبي مختلف انجام شده و فرآيند واجذب رطوبت با استفاده از سه روش امواج مايكروويو، كوره معمولي و نيتروژن خشك مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به نتايج به دست آمده در رطوبت نسبي 30 درصد، دماي اتاق و فشار اتمسفري، ظرفيت جذب كامپوزيت حاصل از زئوليت 13X ميكرو، مزو، نانو و كلسيم كلريد 50 درصد وزني برابر 46ر0، 00ر1 و 06ر1 گرم آب و براي نمك منيزيم كلريد 50 درصد وزني برابر 43ر0، 99ر0 و 92ر0 گرم آب بر حسب هر گرم جاذب مي باشد. اين مقادير براي كربن فعال اصلاح شده به وسيله نيتريك اسيد و سديم هيدروكسيد در همين شرايط برابر 72ر0 و 65ر0 گرم آب بر حسب هر گرم جاذب مي باشد و تهيه كامپوزيت با استفاده از زئوليت 13X ميكرو، نانو و كربن فعال ظرفيت جذب معادل 30ر0 و 32ر0 گرم آب بر حسب هر گرم جاذب را فراهم مي كند. مقادير ظرفيت جذب براي مزومتخلخل سيليكاتي MCM-41، نانوكامپوزيت 13X-MCM-41 و نانوكامپوزيت 13X-MCM-41 و كلسيم كلريد 50 درصد وزني نيز در همين شرايط به ترتيب برابر 23ر0، 24ر0 و 46ر0 گرم آب بر حسب هر گرم جاذب مي باشد. در نهايت با توجه به نتايج به دست آمده مي توان از جاذب هاي كامپوزيتي تهيه شده در اين پژوهش و به طور ويژه كامپوزيت هاي زئوليت 13X مزو، نانو و كلسيم كلريد 50 درصد وزني به منظور تهيه آب از رطوبت هوا در مقياس صنعتي استفاده كرد و فرآيند واجذب را با استفاده از مايكروويو و يا كوره معمولي در دماي كمتر از 110 درجه سانتي گراد انجام داد كه از نظر هزينه و انرژي مقرون به صرفه به شمار مي رود.

1398/11/05

Measurement of air humidity adsorption by nanocomposite of modified 13X zeolite

11/15/2020 12:00:00 AM

Extracting water from air humidity is a highly efficient method for supplying drinking water, especially in dry and remote areas. Recently, the adsorption method has been considered due to its high efficiency, energy-saving and no harmful effects on the environment. The purpose of this study was to modify the structure of 13X zeolite and evaluate its performance to adsorb air humidity. For this purpose, 13X zeolite was first synthesized with the micro, meso and nanopore size and then, to increase the adsorption capacity, the ion-exchange process and the composite preparation were performed using different weight percentages of calcium chloride and magnesium chloride salts. In the second part, activated carbon firstly modified by nitric acid and sodium hydroxide to increase the number of oxygen-containing functional groups such as hydroxyl groups and thereby enhance its performance in adsorption of water vapor molecules and subsequently the composite adsorbent synthesized between micro and nano-zeolite and modified activated carbon powders. In the third part, firstly the mesoporous MCM-41 was synthesized by microwave and then nanocomposite of 13X-MCM-41 prepared by the same method and finally the ion-exchange process of nanocomposite performed using different weight percentages of calcium chloride salt. Various detection methods such as X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FT-IR), energy dispersive X-ray (EDX) scanning electron microscopy (SEM) and nitrogen adsorption and desorption (BET) analysis are also used to confirm the structure of the synthesized adsorbents. The saturated salt-water solution is used to produce different relative humidities, and the measuring setup is designed using two temperature and humidity sensors based on the Arduino system. The adsorption process has been performed at different relative humidities and the desorption method has been examined using three methods of the microwave, conventional furnace, and dry nitrogen. According to the obtained results at 30% relative humidity, room temperature, and atmospheric pressure, the adsorption capacity of the composite adsorbents obtained from micro, meso, nano and calcium chloride 50 wt% were 0.46, 1.00 and 1.06 gr of water while for magnesium chloride 50 wt% were 0.43, 0.99 and 0.92 gr water per gr of the adsorbent. These values for the modified activated carbon by nitric acid and sodium hydroxide were equal to 0.72 and 0.65 gr of water and composite of micro and nano-zeolite and modified activated carbons can produce 0.30 and 0.32 gr water per gr of adsorbent. Adsorption capacity values for mesoporous MCM-41, 13X-MCM-41 nanocomposite, and 13X-MCM-41 nanocomposite and calcium chloride 50 wt% were 0.23, 0.24 and 0.46 gr of water per gram of adsorbent respectively, and increasing relative humidity leads to an increase in water vapor adsorption. Finally, according to the obtained results, the composite adsorbents prepared in this study and particularly the composites of meso and nano 13X zeolites and calcium chloride 50 wt% can be used to harvest water from air humidity at industrial scale, and the desorption process could be performed with microwave or conventional furnace at temperatures below 110° C which could be considered economical and energy-efficient.