عنوان
طراحي، سنتز و مشخصه‌يابي مايع يوني وظيفه ويژه به‌منظور جداسازي ايزوتوپ كلسيم-48
نويسنده اصلي
قره داغي، طيبه
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
مقطع تحصيلي
دكتري
چكيده
هدف از انجام اين پژوهش يافتن مايع يوني وظيفه‌ويژه مناسب جهت غني‌سازي كلسيم-48 است. با توجه به اهميت جداسازي يوني به‌عنوان مقدمه‌اي جهت غني‌سازي و جداسازي ايزوتوپي، شبيه‌سازي و غربال‌گري مايع يوني با استفاده از مدل COSMO-RS جهت يافتن ساختاري مناسب براي استخراج يون كلسيم انجام شد. در ابتدا 27 كاتيون و 10 آنيون انتخاب و آناليز صورت‌بندي و محاسبات DFT براي يافتن ساختار بهينه آنها انجام شد. پتانسيل شيميايي نمك‌هاي كلسيم نيترات و كلسيم كلريد در مايع‌هاي يوني به‌عنوان معيار و شاخص اصلي براي قابليت جداسازي مايع‌هاي يوني در نظر گرفته شد. با توجه به اين معيار و آب‌گريزي، دماي ذوب و گرانروي، يك مايع يوني به‌عنوان مايع يوني موثرتر و يك مايع يوني ديگر جهت مقايسه و راستي‌آزمايي روند محاسبات انتخاب، سنتز و مشخصه‌يابي شدند. به‌دليل مقدار اندك مايع يوني استفاده شده در فرآيند استخراج و گرانروي بالاي آنها، رقيق‌كننده‌اي مناسب براي فاز آلي با استفاده از مدل COSMO-RS انتخاب شد. به‌منظور بررسي اثر متغيرهاي مختلف (غلظت مايع يوني در فاز آلي، نسبت حجمي فازها و دما) بر استخراج كلسيم و يافتن شرايط عملياتي بهينه، طراحي آزمايش با استفاده از روش سطح-پاسخ انجام شد. با توجه به اهميت افزايش مقياس و زنجيره‌سازي در جداسازي ايزوتوپي، استخراج يون كلسيم در دستگاه ريزسيال نيز بررسي شد. به اين منظور الگوهاي جريان دو فازي در ريزكانال و نقش نرخ جريان و نسبت جريان بر استخراج يون مورد ارزيابي قرار گرفت. در انتها جداسازي ايزوتوپي كلسيم با دو روش استخراج ناپيوسته سنتي و استخراج براي مايع يوني موثرتر در دستگاه ريزسيال با يكديگر مقايسه شد. بازيابي مايع يوني و قابليت استفاده مجدد آن در فرآيند استخراج بررسي شد. سازوكار احتمالي استخراج يون و ماهيت كمپلكس استخراجي نيز با استفاده از آناليز شيب و FTIR مشخص شد. علاوه بر كلسيم، آزمايش‌هاي جداسازي يوني و ايزوتوپي ليتيم نيز با هدف ارزيابي دقيق‌تر عملكرد مايع يوني وظيفه‌ويژه در جداسازي ايزوتوپي انجام شد.
از ميان مايع‌هاي يوني پيشنهادي در مدل COSMO-RS، ساختارهاي داراي آنيون فسفات نسبت به ساير ساختارها نتايج قابل قبول‌تري را براي استخراج كلسيم و ليتيم از خود نشان دادند. تترابوتيل آمونيوم بيس(2-اتيل هگزيل)فسفات [N4444][DEHP] و تترابوتيل فسفونيوم بيس(2-اتيل هگزيل)فسفات [P4444][DEHP] به‌عنوان مايع‌هاي يوني موثر سنتز شدند. درصد استخراج يون كلسيم با استفاده از محلول 1/0 مولار [N4444][DEHP] در تولوئن برابر با 67/82 به‌دست آمد كه به‌صورت مشخصي بيشتر از 60/52 درصد حاصل از [P4444][DEHP] بود كه اين روند با داده‌هاي شبيه‌سازي نيز تطابق داشت. پس از انجام آزمايش‌هاي طراحي شده، مدلي با ضريب تعيين 98 درصد براي هر دو مايع يوني به‌دست آمد كه نشان‌دهنده دقت مناسب مدل در پوشش داده‌هاي استخراج كلسيم است. غلظت مايع يوني 1 مولار، نسبت حجمي 1 و دماي 298 كلوين به‌عنوان شرايط عملياتي بهينه با استفاده از مدل تعيين گرديد. يون كلسيم در دستگاه ريزسيالِ طراحي‌شده در چند ثانبه و با درصد استخراج نزديك به تعادلي و راندمان 100 درصد جدا شد كه نشان‌دهنده عملكرد عالي اين روش در جداسازي يوني و توانايي بالقوه آن در جداسازي ايزوتوپي است. ضريب تفكيك ايزوتوپي 48Ca/44Ca با استفاده از [N4444][DEHP] با دستگاه ICP-MS اندازه‌گيري شد و براي روش استخراج سنتي و ريزسيالي به‌ترتيب برابر 0078/1 و 0067/1 با تغليظ ايزوتوپ كلسيم-48 در فاز آلي به‌دست آمد. با توجه به مقدار عدم قطعيت 0045/0 مي‌توان چنين نتيجه گرفت كه اين مايع يوني توانايي غني‌سازي ايزوتوپي را داراست. تفكيك ايزوتوپي ليتيم 6 و 7 نيز با استفاده از اين مايع يوني در روش استخراج سنتي برابر با 02/1 به‌دست آمد كه تاييد‌كننده اين نتيجه‌گيري است. به‌منظور بررسي سازوكار جداسازي يوني، استوكيومتري مايع يوني- يون فلزي با كمي تقريب براي مايع يوني [P4444][DEHP] برابر 1:2 و براي مايع يوني [N4444][DEHP] برابر 1:3 به‌دست آمد. براساس آناليز FTIR چنين مشخص شد كه گروه P═O مربوط به آنيون [DEHP]¯ نقش كليدي را در كمپلكس استخراجي ايفا مي‌كند. مقايسه استخراج كلسيم با مايع‌هاي يوني تازه و مايع يوني بازيابي‌شده نشان‌دهنده حفظ عملكرد و قابليت استخراجي مايع يوني بود.
شماره ركورد
215816
گرايش رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
دانشكده
مهندسي شيمي
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان
استاد مشاور
سوده سادات سجادي، مريم سادات مطلبي
استاد داور
احمد محب، محمد ديناري، مجيد مقدم
استاد راهنما
محمد قريشي، جواد كريمي ثابت