پایان نامه بهینه سازی فرایند واجذب WF6 بر روی نانو جاذب NaF

پایان نامه

جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

در رشته نانو مهندسی شیمی

چکیده

در واحد غنی سازی اورانیوم بوسیله سانتریفیوژ، گاز UF6 پس از عبور از سانتریفیوژ و انجام فرایند غنی سازی، وارد تله سرد شده و در دمای پایین جامد و جمع آوری می گردد.

یکی از جاذب های مورد استفاده برای جذب هگزا فلورید اورانیوم، سدیم فلوراید می باشد. منحنی تعادلی جذب UF6 توسط جاذب سدیم فلوراید یکی از اطلاعات مهم برای طراحی برج های جذب می باشد. مزیت سدیم فلوراید نسبت به جاذب های دیگر UF6 امکان واجذب، احیاء دوباره جاذب و استفاده دوباره UF6 می باشد. در این پایان نامه ابتدا جذب سطحی UF6 بر روی سدیم فلوراید در فشار های 10،20،30و40 میلی بار انجام و بر اساس نمودار ایزوترم لانگمویر، میزان جذب اشباع در دمای محیط بدست می آید، سپس واجذب UF6 در دماها و فشار های مختلف بر اساس نیاز صنعت انجام گرفته همچنین عوامل موثر در واجذب بررسی و بهترین شرایط فرایندی ارائه شده است. در ادامه میزان از دست دادن ظرفیت جذب بعد از جذب و واجذب های متوالی در شرایط فرایندی یکسان بررسی و گزارش شده است. آنالیز کیفی UF6 در قبل و بعد از واجذب انجام و گزارش شده است. بر روی نحوه بدست آمدن سدیم فلوراید و ساختار حفرات آن مطالعاتی انجام و آنالیز های کیفی از آن گزارش شده است.

کلمات کلیدی: جذب سطحی، دفع سطحی، ایزوترم، سدیم فلوراید، هگزا فلورید اورانیوم

1-1-                      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 می­شود که هر مخلوط را می توان با استفاده از یکی از این روش ها و یا ترکیبی از آنها جداسازی کرد.

روش های عمومی جداسازی عبارتند از :

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

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

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

4- جداسازی با استفاده از ذرات جامد ( جذب سطحی)

5- جداسازی به وسیله میدان مغناطیسی یا الکتریکی

1-1-1-               جذب سطحی

جذب سطحی نوعی فرآیند 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[1] 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 فرآیند در جداسازی برای غلظت های پایین مطرح می­شود. در جذب سطحی بر خلاف فرآیند 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 500 تا 1000 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 می­شود 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 فرآیند، از فاز سیال به فاز جامد است و عکس آن، به فرآیند دفع سطحی مشهور است. به منظور بازیابی برخی مواد ارزشمند (نظیر فلزات گرانقیمت) از سطوح جاذب، فرآیند 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 استفاده 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:

-1 جذب سطحی فیزیکی یا واندروالس

-2 جذب سطحی شیمیایی

1-1-1-1-    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 می­شود. جذب فیزیکی اختصاصی نمی­باشد 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.

Abstract

In the uranium enrichment plant by gas centrifuges, the gaseous UF6 is enriched by passing through a cylindrical centrifuge and then is desublimed and stored by a cold trap in low temperatures.

Sodium fluoride (NaF) is an applicable adsorbent of UF6. The equilibrium diagram of UF6 adsorption by sodium fluoride is very important for designing adsorption towers of UF6. The main advantage of sodium fluoride adsorbent in comparison to the other UF6 adsorbents is its recycling behavior. It means that the saturated NaF by UF6 can desorb it in a reverse process and then be reused for adsorption towers.

 In this study first adsorption experiments are done under 10, 20, 30 and 40 millibars pressures, and according to lungmoier isotherm diagram the maximum amount of adsorption (saturation state) in the ambient temperature is achieved. Then, considering industrial limitations and needs, UF6 desorption under different pressure and temperature conditions, is examined and their effects are investigated and finally the optimum condition is proposed. In continue the effect of repetitive adsorptions and desorbtions on decreasing adsorption capacity of NaF under a constant process condition is studied and UF6 analysis reports, before and after adsorption process, are rendered and finally some analytical data of sodium fluoride structure and change of its microscopic surface holes during adsorption process is reported.

Keywords:Asorption,Desorption,Isotherm,SodiumFlouride,Uranium Hexaflouride