ارائه مدل ترمودینامیکی برای سیستم جامد، حلال و دی اکسیدکربن فوق بحرانی قابل استفاده در تولید ذرات نانو

یکی از روش های جدید و مهم در تولید پودرهای ریز در ابعاد میکرو و نانو، استفاده از سیالات فوق بحرانی (بویژه co2) می باشد. سیستم های فوق بحرانی که جهت تولید ذرات ریز مورد استفاده قرار می گیرند، به طور معمول دوجزئی (شامل جزء سنگین جامد و حلال فوق بحرانی در فرایند ress) و یا سه جزئی (شامل حلال آلی، جزء جامد و ضدحلالِ فوق بحرانی در فرایند gas) هستند که در آنها سیال فوق بحرانی در تماس با جزء حل شونده و یا حلال آلی حاوی جزء حل شونده قرار می گیرد. داده-های تعادل فازی مربوط به سامانه های سه جزئی که در فرایند gas مورد استفاده قرار می گیرند، کمیاب هستند. بنابراین مطالعه تعادلات فازی سامانه های مذکور ضروری است. تعیین تجربی داده های سامانه سه جزئی در حضور سه فاز و تخمین آنها با استفاده از مدلسازی مناسب ترمودینامیکی به گونه ای که قادر باشد رفتار تعادلی سامانه مذکور را پیش بینی نماید، جهت طراحی فرایند gas و انتخاب شرایط بهینه عملیاتی آن، مفید خواهد بود. علاوه بر این در بسیاری از موارد که جداسازی اجزای یک ترکیب با روش های معمول استخراج با حلال و تقطیر امکان پذیر نیست، استخراج به کمک سیال فوق بحرانی به عنوان یکی از روش های جایگزین مورد توجه قرار می گیرد. همچنین مدلسازی ترمودینامیکی میزان حلالیت یک جزء جامد در سیال فوق بحرانی در طراحی سیستم استخراج فوق بحرانی مورد نیاز خواهد بود. از این رو در مطالعه حاضر تعادل فازی سامانه سه جزئی و سه فازی با تکیه بر فرایند gas و همچنین مدل سازی ترمودینامیکی سامانه دوجزئی و دوفازی جهت استفاده در فرایندهای استخراج فوق بحرانی و تولید ذرات ریز به روش ress مورد مطالعه قرار می گیرد. در این تحقیق دستگاه تعادلی فشار بالا برای تعیین داده های تعادلی سامانه های دوفازی و سه فازی طراحی وساخته شد. با استفاده از این دستگاه، نخست حلالیت دی اکسیدکربن در حلال های تولوئن و اتانول و انبساط حجمی نسبی حلال ها در اثر حل شدن دی اکسیدکربن در محدوده دمای k 15/298 تا k 15/318 و در محدوده فشار bar 78-4 اندازه گیری شده است. سپس داده های تعادلی سامانه های سه جزئی و سه فازی دی اکسیدکربن- تولوئن- نفتالین و سامانه دی اکسیدکربن- اتانول- آکریدین در محدوده دمای k 15/318 -15/298 بدست آمده و گزارش گردید. بررسی های انجام شده نشان داد، که در سامانه های دوجزئی حلال آلی- گاز ضد حلال، منحنی انبساط حجمی نسبی بدست آمده برای فاز مایع در فشاری مشخص دارای یک کمینه است. علاوه بر این مشخص شد در همین فشار در سامانه های سه جزئی که از همان حلال و ضدحلال استفاده می نمایند، جزءمولی جامد مورد نظر به کمترین مقدار خود می رسد. در واقع این فشار، فشار عملیاتی مناسب در فرایند gas است. براین اساس و با توجه به اینکه بهتر است که دمای عملیاتی تولید ذرات ریز جامد به منظور جلوگیری از تخریب آنها پایین تر باشد، مناسب تر است که عملیات gas برای تولید ذرات ریز نفتالین و آکریدین در دمای k 15/298 و فشار bar 57 انجام شود. همچنین فشار عملیاتی مناسب برای تولید ذرات ریز نفتالین در دمای k15/308 در محدوده فشار bar 73-68 می باشد. چنانچه ذرات ریز آکریدین در دمای k 15/308 تولید شوند، فشار عملیاتی مناسب، bar 67 بوده و چنانچه دمای عملیاتی برابر با k 15/318 باشد، بهتر است که فرایند gas در محدوده فشار bar 80-77 انجام شود. با توجه به اینکه بکارگیری سامانه های فوق بحرانی برای تولید ذرات ریز رشد چشمگیری داشته، ولی مطالعات ترمودینامیکی چنین سامانه هایی توسعه کمی یافته است. از این رو در این تحقیق برای مدل سازی سامانه های مورد مطالعه، از معادله حالت های pr، srk و معادله حالت جدید ارائه شده توسط قطبی و همکاران وی استفاده شده است. قوانین اختلاط vdw1، vdw2 و hv در هر مورد بکار رفته اند. در این تحقیق یک مدل ترمودینامیکی جدید با استفاده از ترکیب معادله حالت ارائه شده توسط قطبی و همکاران وی و قانون اختلاط hv ارائه گردید و با انشقاق ثوابت و معادلات مربوط به آن در مدل سازی ها استفاده گردید. همچنین پارامترهای تنظیم شونده قوانین اختلاط ذکر شده با استفاده از داده های حلالیت آزمایشگاهی و با کمینه کردن متوسط نسبی انحرافات مطلق، (aard%) بدست آمده و همراه با میزان خطای هر مدل گزارش شده اند. نتایج بدست آمده نشان می دهد که قانون hv خطای متوسط کمتری از دو قانون اختلاط دیگر داراست. در میان سه معادله حالت بکار رفته، معادله حالت ارائه شده توسط قطبی و همکارانش، به دلیل در نظر گرفتن اثر دما در محاسبه پارامتر حجمی معادله حالت، حجم مولی و انبساط حجمی نسبی حلال ها را بهتر از دو معادله حالت دیگر نشان می دهد. با توجه به میانگین خطاها، مدل جدید ارائه شده از ترکیب قانون اختلاط hv و معادله حالت ارائه شده توسط قطبی و همکاران وی با خطای متوسط % 11/9 در سامانه دی-اکسیدکربن (1)- تولوئن (2)- نفتالین (3) و همچنین خطای متوسط % 82/7 در سامانه دی-اکسیدکربن- اتانول- آکریدین، در سه دمای مورد مطالعه بهترین مدل برای پیش بینی تعادل فازی می-باشد. داده های حلالیت پیش بینی شده (محاسباتی) می تواند به عنوان نقطه شروعی برای طراحی موثر و مناسب فرایند رسوب ذراتِ ریز نفتالین و آکریدین به روش gas مورد استفاده قرار گیرد.