بررسی آزمایشگاهی استخراج مایع - مایع تک قطره‌ای درنانوسیال سیلیکا

STUDENT

DEGREE

YEAR

: Despite the importance and wide applications of liquid-liquid extraction in petroleum, pharmaceutical, and chemical industries, there have been limited attempts to use nanofluids in such processes. In the present study the effect of hydrophilic silica nanoparticles on mass transfer and hydrodynamics of liquid-liquid extraction was experimentally investigated. A vertical pipe 75 cm long and 7.9 cm in diameter was used as the contactor. Single drop experiments with a range of nozzle diameters within 0.1-0.51 cm were carried out. Experiments were divided into two sections in which drops were injected to the continuous phase from the bottom and top of the column. The ternary chemical system of toluene-acetic acid-water has been used. For the first section of the experiments, SiO 2 with volume concentrations of 0.005-0.1% were added to the continuous aqueous phase and organic drops rising through this phase. In the second section, nanoparticles with 0.005-0.5% were added to aqueous dispersed phase settling through the organic continuous phase. Mass transfer direction was considered from dispersed to continuous phase for both sets of experiments. Potentiometric titration was employed for determining final concentrations of solute in dispersed phases. In order to visualize geometrical shapes and determining size of the drops, captured photos using a digital camera were analyzed by graphical softwares Adobe Photoshop 7.0 and ImageJ 1.47v. Results indicated that in the presence of nanoparticles in the continuous phase and by adding its content up to 0.1 vol. %, overall mass transfer coefficient deteriorated with an average value of 19%. The negative impact of increasing nanoparticle content can be attributed to increase in viscosity of continuous phase which causes reduction of mass diffusivity and also nanoparicle hindrance effect which may cover the liquid-liquid interface and thus reducing of mass transfer. Also by adding nanoparticles to the dispersed phase, overall mass transfer coefficients decreased with nanoparticle volume fractions up to 0.05% with an average decrease of 17%. This observation can be due to hindrance effect of fine particles and for more nanoparticle concentrations this effect overshadowed by stronger impact of disturbance field induced by Brownian motion of silica nanoparticles. The experimental observations revealed that nanoparticle presence appears to have no significant impact on hydrodynamic parameters of rising or settling droplets including terminal velocity, geometrical shape and mean drop size, for both conditions of adding nanoparticles to dispersed and continuous phases. Keywords: liquid-liquid extraction; nanofluid; overall mass transfer coefficient; hydrodynamic behavior; single drop experiment

: با وجود اهمیت فرآیند استخراج مایع- مایع در صنایع مختلف از جمله پتروشیمی و صنایع دارویی، اثر نانوذرات بر راندمان انتقال جرم و هیدرودینامیک در این فرآیند، به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است. در پروژه‌ی حاضر، به بررسی آزمایشگاهی‌ اثر حضور نانوذرات آب‌دوست سیلیکا بر انتقال جرم و مشخصه‌های هیدرودینامیکی در یک برج استخراج تک‌قطره‌ای با استفاده از نازل‌های با قطر داخلی 51/0-1/0 سانتی‌متر، پرداخته شده است. ستون استخراج، لوله‌ای از جنس پیرکس می‌‌‌‌‌‌باشد که قطر داخلی و ارتفاع آن به‌ترتیب 9/7 و 75 سانتی‌متر بوده و دو وضعیت مختلف تزریق در پایین و بالای ستون، به منظور بررسی اثر نانوذرات سیلیکا، به ترتیب در فازهای پیوسته و پراکنده، در نظر گرفته شده است. از سیستم شیمیایی تولوئن- استیک‌اسید- آب استفاده شده و اثر غلظت‌‌های مختلف نانوذرات سیلیکا در هر دو فاز پیوسته و پراکنده بر ضرایب کلی انتقال جرم و همچنین سرعت حد، قطر میانگین قطرات و شکل هندسی آنها مورد بررسی قرار گرفته است. در کلیه‌ی آزمایش‌ها جهت انتقال جرم حل‌شونده‌ی استیک اسید از فاز پراکنده به پیوسته در نظر گرفته شد. از روش پتانسیومتری به منظور تعیین غلظت‌های نهایی حل‌شونده‌ی استیک اسید در ستون استخراج استفاده شد. به منظور بررسی اثر حضور نانوذرات در فاز پیوسته ساکن، نانوذرات با کسر حجمی 1/0-005/0 درصد به فاز پیوسته‌ی آب بدون یون افزوده شدند و فاز پراکنده قطرات آلی در نظر گرفته شدند که در سیال پیوسته صعود می‌کردند. همچنین نانوذرات با کسر حجمی 5/0-005/0 درصد برای بررسی اثر نانوذرات در فاز پراکنده آب بدون یون به این فاز اضافه گردیدند که این قطرات درون فاز پیوسته آلی حرکت رو به پایین داشتند. به منظور اندازه‌گیری قطر معادل قطرات و بررسی شکل هندسی آنها در طول مسیر حرکت قطرات در ستون استخراج، عکس‌هایی تهیه شدند و با استفاده از نرم‌افزارهای گرافیکی موجود، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. نتایج حاکی از آن است که با افزودن نانوذرات به فاز پیوسته و افزایش غلظت این ذرات، ضرایب انتقال جرم کلی فاز پراکنده تا 19 درصد، کاهش می‌یابد. در اثر افزودن نانوذرات به فاز پیوسته، ویسکوزیته‌ی این فاز افزایش یافته که سبب کاهش ضریب نفوذ حل‌شونده در این فاز شده ‌است. همچنین نانوذرات احتمالا در سطح تماس مشترک مایع- مایع قرار گرفته و حضور آنها سبب کاهش این مشخصه‌ی تاثیرگذار بر انتقال جرم شده است. همچنین در اثر افزودن نانوذرات به فاز پراکنده به طور کلی در همه‌ی غلظت‌های آزمایش شده ضرایب انتقال جرم کلی فاز پیوسته نسبت به سیال پایه، کاهش ‌یافتند. با افزودن نانوذرات تا غلظت 05/0 درصد حجمی، این ضرایب به مقدار 17درصد کاهش می‌یابند که کاهش مشاهده شده را می‌توان همچون قسمت قبل به کم شدن سطح تماس مشترک به دلیل حضور نانوذرات در فاز پراکنده نسبت داد. با افزایش کسر حجمی نانوذرات پس از این غلظت، در ضریب انتقال جرم کلی فاز پیوسته تغییر قابل ملاحظه‌ای ایجاد نمی‌شود. این مشاهدات این‌گونه توجیه شدند که با افزودن مقدار نانوذرات به فاز پراکنده، احتمالا اثر حرکات براونی این ذرات، بیشتر شده و میدان آشفتگی حاصل از این حرکات با اثر کاهش سطح تماس به دلیل حضور نانوذرات مقابله کرده و چنین روندی مشاهده شده است. همچنین اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که افزودن غلظت‌های مختلف نانوذرات به فاز پیوسته و یا پراکنده، تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر قطر میانگین قطرات، سرعت حد و شکل هندسی آنها نداشته است. واژه‌‌‌‌های کلیدی: استخراج مایع- مایع تک‌قطره‌ای، نانوسیال، ضریب انتقال جرم کلی‌، مشخصه‌های هیدرودینامیکی