مدلسازی فرآیند تراوش گاز در غشاهای مرکب

نخستین مدلهای پیشبینی کننده مقدار تراوایی غشاهای مرکب بر اساس وجود تنها دو فاز پلیمر و ذرات غیرآلی بنیان نهاده شدهاند که از این بین میتوان به مدلهای مکسول، بروگمن، هیگوچی و پال و یا سایر مدلهای دیگر اشاره نمود. سپس مدلهایی به مانند مدل مکسول بهبود یافته، فلسک و مدل پال بهبود یافته توسعه یافتند که علاوه بر دو فاز مذکور، فاز سومی را به نام فاز میانی در ساختار غشاهای مرکب در نظر میگیرند. نظر به شباهت فرآیند تراوش گاز و انتقال حرارت در نانوسیالات، برخی از مدلهای ارائه شده برای پیشبینی ضریب هدایت حرارتی موثر در نانوسیالات، برای پیشبینی تراوایی غشاهای مرکب نیز ارائه شدهاند. در این پایاننامه مدل جدیدی بر اساس مدلهای ساختاری متفاوت برای محاسبه تراوایی موثر در ذرات مرکب شامل ذرات و لایه اطراف آن، و همچنین محاسبه تراوایی موثرکل غشاء با توجه به وجود تفاوتهای فیزیکی و ساختاری بین آنها پیشنهاد شده است. در مدل پیشنهادی جدید برای پیشبینی مقدار تراوایی موثر در ذرات مرکب، از مدل ارائه شدهای موسوم به مدل پیوسته که برای پیشبینی ضریب هدایت حرارتی موثر مواد مرکب ارائه شده است استفاده گردیده و سپس مدل نهایی برای پیشبینی تراوایی موثر در غشاهای مرکب از جایگزینی تراوایی موثر ذرات مرکب و تراوایی پلیمر در مدل مکسول - گارنت حاصل گردید. در ادامه با استفاده از روش دیفرانسیلی بروگمن، عدم دقت کافی مدل مکسول – گارنت برای پیشبینی تراوایی موثر غشاء مرکب در نسبتهای حجمی بالای ذرات برطرف گردید. مدل جدید اثرات شکل ذرات و همچنین فاز میانی تشکیل شده بین ذرات و پلیمر را در نظر میگیرد. آنچه در مدلهای ارائه شده پیشین که بر اساس فرض وجود سه فاز در غشاهای مرکب قابل توجه است، عدم توانایی این مدلها در محاسبه ویژگیهای فاز میانی مانند جزء حجمی این فاز در ذرات مرکب و تراوایی آن می باشد. که در همه مدلهای ارائه شده برای پیشبینی ویژگیهای این فاز میانی از روش مطابقت نمودار با دادههای تجربی استفاده میشود. در حالیکه مدل ارائه شده جدید با توجه به فرضیاتی که برای تخمین جزء حجمی فاز میانی به عمل آورده، و با تعیین یک عامل تجربی برای تخمین تراوایی گازهای مختلف از درون فاز میانی از طریق تنها یک داده آزمایشگاهی، توانایی برآورد این ویژگیها را بطور مستقل و بدون نیاز به انطباق نمودار و فقط بر اساس دادههای اولیه شامل تراوایی پلیمر و ذرات و همچنین جزء حجمی ذرات در غشاء دارا میباشد. برای ارزیابی دقت مدل از چندین داده تجربی موجود در مراجع معتبر استفاده گردید که حداکثر خطای نسبی متوسط مشاهده شده بین پیشبینی مدل و دادههای تجربی، مربوط به تراوایی نیتروژن از درون غشاء مرکب اولتم و زئولیت 4 آنگستروم میباشد که برابر 65/10 درصد است. و کمترین خطای نسبی متوسط مشاهده شده مربوط به تراوایی نیتروژن از درون غشاء مرکب ماتریمید و مواد غربال مولکولی کربنی است که برابر 8/2 درصد میباشد. مدل نوین دیگری نیز برای پیشبینی تراوایی موثر در غشاهای مرکب حاوی ذرات استوانهای شکل، به مانند نانولوله های کربنی بسط و توسعه یافت. برای استخراج این مدل، در ابتدا یک مدل بر اساس مفهوم خودسازگاری برای پیشبینی تراوایی موثر ذرات مرکب ارائه و سپس در مدل مکسول- گارنت جایگذاری گردید. در این مدل نیز از روش دیفرانسیلی بروگمن برای بهبود دقت مدل در نسبتهای حجمی بالای ذرات استفاده شده است. با استفاده از مدل نوین پیشنهادی، از تعدادی داده تجربی منتشر شده برای تخمین تراوایی ذاتی نانولولههای کربنی برای گازهای مختلف استفاده شد. به این صورت که ابتدا با استفاده از مدل، تراوایی ذاتی گازهای مختلف از درون ذرات نانولولههای کربنی به روش مطابقت نمودار و با استفاده از شیوه ارائه شده برای تخمین ویژگیهای فاز میانی در مدل قبل، بر آورد گردیده. در ادامه از دادههای تخمینی به دست آمده برای تراوایی ذرات نانولولههای کربنی، جهت پیشبینی تراوایی موثر در مراجع دیگر استفاده گردیده که نتایج بدست آمده بیانگر وجود حداکثر خطای نسبی3/7 درصد بین نتایج تجربی و مقادیر پیش بینی شده توسط مدل جدید پیشنهادی است.