فایل روش‏های بازیافت پسماند جامد حاصل از پالایش مجدد روغن ‏موتور کارکرده

توضیحات

فایل روش‏های بازیافت پسماند جامد حاصل از پالایش مجدد روغن ‏موتور کارکرده
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
چکیده:
در میان مراحل تصفیه روغن‏ها، فرایند رنگبری روغن، از مهم‏ترین بخش‏هاست که رنگبری با جذب سطحی، رایج‏ترین روش بوده و خاک رس، پرکاربردترین جاذب مورد استفاده در این مرحله می‏باشد. از طرفی، دفع رس رنگبر به‏عنوان پسماند کارخانه‏های تولیدکننده روغن، مشکلات زیاد زیست محیطی و اقتصادی را برای این کارخانه‏ها به همراه دارد. بنابراین، با بازیافت پسماندهای واحدهای تصفیه دوم روغن‏موتور مستعمل، علاوه‏بر بازگرداندن میزان قابل‏توجهی خاک رس به چرخه صنعت، صرفه‏جویی در مصرف آن و کاهش هزینه‏های مربوط به خریداری رس جدید، بر روی مقدار زیادی روغن موجود در آن نیز جداسازی صورت گرفته و حجم زیادی پسماند خطرناک با قابلیت اشتعال خودبه‏خودی نیز احیا خواهد شد. هدف تحقیق پیش رو، بررسی آزمایشگاهی پاک‏سازی خاک رس رنگبر استفاده شده در تصفیه روغن‏موتور، به روش استخراج با حلال بوده‏است. در این تحقیق، با استفاده از حلال متیل‏اتیل‏کتون (MEK)، به بررسی تأثیر عوامل احتمالی بر بازدهی این فرایند، از جمله SCR (نسبت حلال به خاک رس)، مدت‏زمان استخراج، دانه‏بندی و سرعت چرخش همزن مغناطیسی(درجه اختلاط) بر روی میزان روغن‏موتور استخراج‏شده پرداخته شده‏است. در بررسی‏های صورت‏گرفته، مهم‏ترین عامل تأثیرگذار در به‏دست‏آمدن بازده مناسب، میزانSCR بوده و در بررسی اثر دانه‏بندی بر راندمان، بیشترین بازده خروجی مربوط به نمونه دانه‏بندی‏نشده است. در نهایت با در نظر گرفتن دو عامل تأثیرگذار SCR با دامنه 52/9-48/2 میلی‏لیتر بر گرم و مدت‏زمان فرایند با محدوده 40-5 دقیقه، به روش رویه پاسخ (RSM)، دست به طراحی آزمایش زده و با استفاده از نرم‏افزار Minitab، مدل کلی این آزمایش‏ها، صحت و دقت مدل ارائه‏شده، مورد بررسی قرار گرفته‏اند. در بهترین بازده به‏دست‏آمده، در بالاترین میزان SCR و مدت‏زمان 5/22 دقیقه، %60/88 از روغن موجود در خاک استخراج شده‏ و دقت مدل خروجی، بالای %96 برآورد شده‏است.
کلمات کلیدی: پاک‏سازی خاک رس رنگبر، تصفیه دوم روغن‏موتور کارکرده، استخراج با حلال، روش رویه پاسخ، متیل‏اتیل‏کتون
فهرست مطالب
فصل اول 1
1-1- مقدمه 2
1-2- شرح و ضرورت مسأله 2
1-3- معرفی فصول تحقیق حاضر 4
فصل دوم 6
2-1- مقدمه 7
2-2- خصوصیات روغن موتور مستعمل 7
2-3- معرفی فرایند رنگبری روغن‏ها 8
2-3-1- عوامل مؤثر در رنگبري روغن‏ها 9
2-3-1-1- مدت‏زمان رنگبری 9
2-3-1-2- درجه حرارت 10
2-3-1-3- میزان رطوبت موجود در روغن و خاک رنگبر 10
2-3-1-4- اکسیژن 10
2-4- جذب سطحی در فرایند رنگبری 11
2-4-1- انواع جاذبهای مورد استفاده در فرایند رنگبری 11
2-4-1-1- خاک رنگبر طبیعی 11
2-4-1-1-1- خاک و طبقه بندی آن 11
2-4-1-1-2- خاک رس 13
2-4-1-2- خاک رس فعال‏شده 14
2-4-1-2-1- ترکیبات شیمیایی خاک رنگبر فعال‏شده با اسید 15
2-4-1-3- کربن فعال 15
2-4-1-4- سیلیکات های آمورف 16
2-4-2- مقایسه مواد رنگبر 16
2-4-3- سیستمهای مختلف اندازهگیری رنگ روغنها 17
2-4-3-1- سیستم لاویباند 17
2-4-3-2- استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتر 18
2-5- روش‏های پاکسازی خاک‏های آلوده به روغن 19
2-5-1- اصلاح شیمیایی 20
2-5-1-1- احیای اسیدی 20
2-5-1-1-1- اسیدهای معدني 21
2-5-1-1-2- اسیدهای آلی 23
2-5-1-2- احیای بازی 23
2-5-1-3- احیای آلی (احیا با سورفکتانت‏ها) 25
2-5-1-4- پیلارینگ 25
2-5-2- اصلاح فیزیکی 26
2-5-2-1- احیای حرارتی 26
2-5-2-2- احیا با مایکروویو 27
2-5-2-3- احیا به روش استخراج با حلال 28
2-6- طراحی آزمایش‏های اصلی با استفاده از روش آماری 29
2-6-1- روش طراحی آزمایش 29
2-6-2- کاربردهای طراحی آزمایش 30
2-6-3- مراحل طراحی آزمایش 30
2-6-4- بهینه‏سازی فرآیند 31
2-6-5- طراحی به روش RSM 32
2-6-5-1- تعریف برخی از اصطلاحات 32
2-6-5-2- طراحی فاکتوریل سه سطحی کامل (Full Three-level Factorial) 33
2-6-5-3- طراحی آزمایش به روش مربع بنکن (Box-Behnken) 34
2-6-5-4- طراحی آزمایش به روش طرح مرکب مرکزی(CCD) 35
2-7- مروری بر مطالعات انجام شده 37
فصل سوم 42
3-1- مقدمه 43
3-2- ویژگی های خاک مورد آزمایش 43
3-2-1- تهیه نمونه خاک آلوده 43
3-2-2- نگه‏داری نمونه‌ها 43
3-3- تعیین مقدار روغن جذب شده با استفاده از دستگاه سوکسله و روتاری 44
3-3-1- آزمایش سوکسله 44
3-3-1-1- آماده کردن لوازم و شیشه‏آلات آزمایشگاهی برای سوکسله 45
3-3-1-2- حلال مناسب برای سوکسله 45
3-3-1-3- راه‏اندازی سیستم و انجام آزمایش سوکسله 45
3-3-2- جداسازی حلال و روغن با استفاده از دستگاه روتاری 46
3-3-2-1- روش استفاده از دستگاه روتاری 46
3-3-3- استفاده از روش موازنه جرمی برای تعیین وزن روغن 47
3-4- انتخاب حلال مناسب 47
3-5- پارامترهای مؤثر در استخراج روغن 47
3-6- انجام آزمایشها 48
3-6-1- لوازم مورد نیاز برای آزمایش 48
3-6-2- انجام پیش‏آزمایشهای مختلف 49
3-6-3- انجام پیش‏آزمایش‏های مشابه با آزمایش‏های اصلی 51
3-6-4- انجام آزمایش‏های اصلی 52
3-7- طراحی آزمایش‏ها به روش RSM 53
3-7-1- مدل رگرسیون خطی 54
3-7-2- تخمین پارامترها در رگرسیون خطی 54
3-7-3- پیش‌گویی مشاهدات جدید از تابع پاسخ 61
3-7-4- بررسی صحت و دقت مدل 62
3-7-4-1- سنجش باقیمانده‌ها 62
3-7-4-2- مجموع توان‌های دوم خطاهای پیش‌بینی شده (PRESS) 63
3-7-4-3- آزمون نبود برازندگی 64
3-7-5- طراحی 66
فصل چهارم 68
4-1- مقدمه 69
4-2- تعیین میزان روغن موجود در خاک با استفاده از آزمایش سوکسله 69
4-2-1- نتایج آزمایش سوکسله و بررسی آن 69
4-2-2- نتایج روش وزنی حرارتی 70
4-3- تعیین میزان روغن موجود در خاک با استفاده از آزمایش کوره 70
4-4- نتایج پیش‏آزمایش‏های مختلف 73
4-4-1- بررسی اثر دانه‏بندی برروی میزان روغن استخراج‏شده 73
4-4-2- بررسی اثر درجه اختلاط برروی میزان روغن استخراج‏شده 74
4-5- نتایج پیش‏آزمایش‏های مربوط به آزمایش‏های اصلی 75
4-6- طراحی آزمایش‏های اصلی 76
4-6-1- انتخاب پارامترها، محدوده و سطوح آنها 76
4-6-2- طراحی و انجام آزمایش‌ها 77
4-6-3- مدل‏سازی با استفاده از مقادیر کدشده توسط روش رویه پاسخ 80
4-6-4- مقایسه نتایج به‏دست‏آمده از آزمایش‏ها و پیش‏بینی‏شده توسط نرم‏افزار 82
4-6-5- بررسی صحت و دقت مدل برازش‏شده 85
4-6-5-1- ضریب همبستگی 85
4-6-5-2- جدول آناليز واریانس 85
4-6-6- بررسی بازده به‏دست‏آمده از مدل 86
فصل پنجم 90
5-1- مقدمه 91
5-2- نتیجه گیری 91
5-3- پیشنهادات 93
فصل ششم 95
منابع و مراجع 96
فهرست شکل‌ها
شکل 2-1: مقایسه بنتونیت طبیعی و فعال‏شده 14
شکل 2-2: مراحل فعال کردن خاک رنگبر 15
شکل 2-3: نمونه ای از دستگاه لاویباند 18
شکل 2-4: تصویری شماتیک از دستگاه اسپکتروفوتومتر 18
شکل2-5: دسته‏بندی روش‏های احیای رس 20
شکل 2-6: نقاط انتخابی در روش FULL THREE-LEVEL FACTORIAL 34
شکل 2-7: نقاط انتخابی در روش BOX-BEHNKEN 35
شکل 2-8: نقاط انتخابی در روش CCD 36
شکل 3-1: آزمایش سوکسله 46
شکل 3-2: لوازم مورد نیاز آزمایش‏ها 48
شکل 3-3: همزن مغناطیسی مورد استفاده در آزمایش‏های انجام‏شده 49
شکل 3-4: ترازوی آزمایشگاهی مورد استفاده در آزمایش‏های انجام‏شده 49
شکل 3-5: نمونه‏های دانه‏بندی‏شده 50
شکل 3-6: آزمایش‏های حرارتی 51
شکل 3-7: نمونه‏های آزمایش‏شده در دسیکاتور 53
شکل 4-1: مقایسه بنتونیت طبیعی قبل و پس‏از حرارت‏دهی در کوره 71
شکل 4-2: مقایسه بنتونیت مصرف‏شده، قبل و پس‏از حرارت‏دهی در کوره 72
شکل 4-3: وضعیت بشرها و کاغذهای صافی اصلی آزمایش‏ها، پس‏از اتمام آزمایش 79
شکل 4-4: نمونه‏های اصلی آزمایش، پس‏از اتمام آزمایش 80
شکل4-5: مقایسه نتایج آزمایش‏های انجام‏شده و پیش‏بینی‏شده توسط نرم‏افزار 83
شکل4-5: مقایسه خطای آزمایش‏های انجام‏شده و پیش‏بینی‏شده توسط نرم‏افزار 84
شکل4-6: خطای آزمایش‏های انجام‏شده و پیش‏بینی‏شده توسط نرم‏افزار 84
شکل 4-7: نمودار کانتور مدل پیش‏بینی‏شده توسط نرم‏افزار 87
شکل 4-8: رویه پاسخ مربوط مدل پیش‏بینی‏شده توسط نرم‏افزار 87
شکل 4-8: 4 نقطه بهینه در نمودار کانتور مدل 88
فهرست جدول‌ها
جدول 2-1: درصد تقریبی انواع روغن روانکاری مصرفی در کشورهای عضو اتحدیه اروپا (1999) 7
جدول 2-2: خصوصیات کلی روغن مستعمل 8
جدول 2-3: کانی های اولیه عمومی در خاکها 12
جدول 2-4: حدود جداکننده اندازه خاک 13
جدول 2-5: مقادیر کدشده‏ دو و سه متغیره طرح BOX-BEHNKEN 35
جدول 2-6: مقادیر کدشده‏ دو و سه متغیره طرح مرکب مرکزی 36
جدول 3 1: داده‌ها در رگرسیون چندگانه خطی 55
جدول 3-2: آنالیز واریانس 60
جدول 3-3دامنه تغییر عوامل مؤثر بر فرآیند 67
جدول 4-1: درصد رطوبت نمونه خاک خام و مصرف‏شده 71
جدول 4-2: درصد روغن نمونه خاک مصرف‏شده 72
جدول 4-3: نمونه‏های دانه‏یندی‏شده با 2 SCR = 74
جدول 4-4: نمونه‏های دانه‏یندی‏شده با 4 SCR = 74
جدول 4-5: بررسی اثر درجه اختلاط بر راندمان 75
جدول 4-6: پیش‏آزمایش‏های اصلی استخراج با حلال 76
جدول 4-7: نتایج آزمایش‏های اصلی 78
جدول 4-8: مقادیر کدشده پارامترهای آزمایش‏های اصلی 81
جدول 4-9: مقایسه مقادیر مشاهده شده در آزمایش‌ها و پیش‏بینی‏شده توسط مدل 82
جدول 4-10: ضرایب همبستگی برای مدل برازش شده 85
جدول 4-11: جدول آناليز واريانس(ANOVA) مدل برازش‏شده 86
جدول 4-12: 4 نمونه از نقاط بهینه آزمایش حاصل از مدل برازش‏شده 88
جدول 4-13: مقایسه راندمان آزمايش‏های بهینه انجام‏شده حاصل از مدل 89
فصل اول
1-1- مقدمه
حفظ منابع تجدیدپذیر خصوصاً سوخت‌های فسیلی و کاهش آثار زیانبار ناشی از پدیده گرمایش جهانی، از جمله چالش‌های جدی پیش‌روی متخصصان زیست‌محیطی و مسئولین مدیریت شهری به شمار می‌رود. از آن‏جایی که پسماندهای صنعتی حاوی روغن‏موتور مستعمل دارای طیف گسترده‏ای از آلاینده‌های خطرناک بوده و بخش بزرگی از آن به‏دلیل قابلیت اشتعال خودبه‏خودی باید کاملاً حفاظت‏شده باشند و از طرف دیگر با توجه میزان بالای تولید این قبیل زایدات در صنایع، از جمله چالش‌های جدی پیش‏ روی جوامع صنعتی به شمار می‌آید. بازیافت روغن‏موتور مستعمل و تولید روغن تصفیه مجدد، ضمن احیای یک ماده با ارزش، به نوبه خود منجر به کاهش مصرف انرژی و به حداقل رساندن آثار گرمایش جهانی در مرحله تولید روغن‏موتور از نفت خام خواهد شد.
تا کنون روش‌های مختلفی همچون دفن در زمین، بازیابی انرژی از طریق سوزاندن در کارخانجات تولید سیمان و تولید روغن‏موتور پالایش مجدد، برای حل این مشکل زیست‌محیطی ارائه گردیده است. فرایند تصفیه مجدد روغن‏موتور مستعمل به ماهیت روغن و میزان ناخالصی‌های موجود در آن بستگی دارد. ناخالصی‌ها از طریق هوا یا طی عملکرد موتور وارد روغن شده و یا اینکه در نتیجه وقوع برخی واکنش‌های شیمایی در روغن، شکل می‌گیرند. به‏طور کلی کاربرد مجدد روغن یا اصطلاحاً بازیافت آن مستلزم حذف کامل ناخالصی‌های مذکور خواهد بود. روش‌های دیگر مدیریت روغن مستعمل در کشورهای توسعه‏یافته علاوه‏بر تصفیه مجدد شامل استفاده مجدد در صنایع، پس از انجام پردازش‌های اولیه، مصرف در بخش انرژی، گازی کردن (Gasification)، شکست حرارتی (Thermal Cracking) و دفن نیز می‌شود. در کشورهای اروپایی روش غالب مدیریت روغن روانکاری مستعمل مصرف در بخش انرژی است و علیرغم قوانین اتحادیه اروپا، تنها در برخی از کشورها اولویت اصلی خود را تصفیه مجدد روغن قرار داده‌اند. در این بین، بازیافت یا تصفیه مجدد روغن به دلیل پتانسیل کاهش آثار سوء زیست‌محیطی ناشی از دفع غیراصولی زایدات روغن مستعمل و نیز جذابیت‌های اقتصادی آن از دیدگاه حفظ منابع انرژی، از مناسب‌ترین روش‌های موجود به شمار می‌رود [1].
1-2- شرح و ضرورت مسأله
با توجه به ميزان بالای دور ريز روغن‌های روانکاری در جوامع صنعتی و نيز به‏دليل آثار سوء اين قبيل زايدات بر محيط‌زيست، در ساليان اخير، الزامات و دستورالعمل‌های سختگيرانه‌ای در اين خصوص، به تصويب مراجع قانونی کشورهای مختلف جهان رسيده‏است. در ادامه به برخی از اين قوانين اشاره شده‏است.
اولين قانون اروپا در زمينه مديريت روغن مستعمل در سال 1975(75/439/EC) تدوين گرديد که در آن بر الزام کاربرد روش‌هاي مديريتي دوستدار محيط‌زيست تأکيد شده بود. اين قانون از ميان روش‌هاي مختلف مديريتی، بيشتر بر تصفيه مجدد روغن نسبت به روش سوزاندن و استحصال انرژي تأکيد دارد. اگرچه قانون مذکور در سال 1987 مورد بازبيني و اصلاح قرار گرفت (87/101/EC)، ليکن مطالعات انجام‏شده حاکي از آن است که اعضاي اتحاديه اروپا تمايل چنداني به تصفيه مجدد روغن مستعمل نداشته و روغن‏های مستعمل را عمدتاً به عنوان سوخت در صنايع مورد استفاده قرار مي‌دهند [1].
یکی از روش‌هایی که امروزه به‏طور گسترده‌ای به منظور تصفیه روغن مستعمل در کشورهای صنعتی به کار گرفته می‌شود، تصفیه روغن مستعمل به کمک حلال‌ها می‌باشد. این روش بر خلاف روش اسیدشویی که بر پایه واکنش‌های شیمیایی استوار است، بر پایه فرایندهای جداسازی فیزیکی- شیمیایی انجام می‌شود. در این فرایند، بخش‌های نامطلوب موجود در روغن مستعمل در حلال حل شده و ناخالصی‌ها از روغن خارج می‌گردد. اما بخش‌های ضروری (به‏ویژه هیدروکربن‌های اصلی روغن پایه) به‏صورت یک فاز جداگانه در روغن خروجی باقی می‌ماند. در مقیاس تجاری و صنعتی، از حلال‌هایی نظیر بوتانول، بوتانون، پروپانول، متیل‏اتیل‏کتون (MEK)، استون در این فرایند استفاده می‌شود. از جمله مواردی که روش استخراج با حلال را از روش‌های دیگر متمایز می‌سازد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
 بهبود خصوصیات روغن نظیر ویسکوزیته، نقطه اشتعال و نیز پایداری در برابر اکسیداسیون،
 راندمان بالا در تولید روغن با کیفیت،
 قدرت بالای حلال‌ها در جذب ناخالصی‌های موجود در روغن مستعمل،
 سهولت جداسازی فاز هیدروگربن‌ها از فاز زایدات و ناخالصی‌ها،
 سهولت بازیابی حلال (نقطه جوش حلال همواره پایین‌تر از نقطه جوش روغن انتخاب می‌شود)،