مطالعه‌ فرایند استخراج مایع - مایع کلسیم در میکروکانال های موازی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش الگوهای جریان در شش سامانه جریان مایع-مایع شامل کلروفرم/بوتیل­استات/اتیل­استات/کروسن/بوتانول/اکتانول-آب در یک سامانه افزایش­ مقیاس ­یافته­ میکروفلوئیدیک مورد مطالعه قرار گرفت. سه الگوی جریان اصلی شامل اسلاگ، قطره­ای و موازی در میکروکانال­ های موازی مشاهده شد. الگوی جریان یکنواخت با درصد غیر یکنواختی کم‌تر از 10 درصد در میکروکانال­ های موازی نشان دهنده­ کیفیت بالای میکروکانال­ ها و افزایش­ مقیاس موفق در سامانه یاد شده دارد. با تحلیل الگوهای جریان گوناگون، الگوی جریان موازی با جداسازی کامل فازی به عنوان الگوی جریان ایده­آل برای انجام آزمایش ­های جداسازی انتخاب شد. با استفاده از سامانه آب-کلروفرم و اترتاجی  بالاترین درصد استخراج در میان حلال­ های آلی و اترهای تاجی گوناگون به‌دست آمد. اثر غلظت کلسیم، غلظت اترتاجی و pH با استفاده از سامانه یاد شده بر روی جداسازی کلسیم بررسی و شرایط بهینه جداسازی با استفاده از روش سطح پاسخ محاسبه شد. محاسبه­ بازده استخراج در شرایط بهینه با استفاده از زنجیره­ سه­ تایی میکروفلوئیدیک نشان می ­دهد درصد جداسازی در مدت زمان حدود 5/3 ثانیه به بیش از 60 درصد از غلظت تعادلی می­رسد. اضافه کردن مایع یونی  به حلال­ های آلی نشان می ­دهد که بهبودی شگرفی در میزان استخراج کلسیم در مورد ترکیب بوتیل استات و  ایجاد می‌شود. بنابراین جداسازی کلسیم به کمک ترکیب یاد شده با استفاده از زنجیره­ سه­ تایی میکروفلوئیدیک انجام شد. محاسبه­ زمان اقامت در زنجیره­ سه ­تایی میکروفلوئیدیک در این حالت نشان می ­دهد که در مدت زمان اقامت حدود 6/1 ثانیه می­ توان به بیش از 95 درصد از غلظت تعادلی رسید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Su Y., Zhao Y., Chen G., Yuan Q., Liquid–Liquid Two-Phase Flow and Mass Transfer Characteristics in Packed Microchannels, Chem. Eng. Sci., 65(13): 3947-3956 (2010).
[3] Van Gerven T., Stankiewicz A., Structure, Energy, Synergy, Time-The Fundamentals of Process Intensification, Ind. Eng. Chem. Res, 48(5): 2465-2474 (2009).
[4] Ge H., Chen G., Yuan Q., Li H., Gas Phase Catalytic Partial Oxidation of Toluene in a Microchannel Reactor, Catal. Today, 110(1): 171-178 (2005).
[5] Hessel V., Löwe H., Microchemical Engineering: Components, Plant Concepts user Acceptance–Part I, Chem. Eng. Technol., 26(1): 13-24 (2003).
[6] Jähnisch K., Hessel V., Löwe H., Baerns M., Chemistry in Microstructured Reactors, Angew. Chem. Int. Ed., 43(4): 406-446 (2004).
[7] Odedra A., Geyer K., Gustafsson T., Gilmour R., Seeberger P.H., Safe, Facile Radical-based Reduction and Hydrosilylation Reactions in a Microreactor using Tris (Trimethylsilyl) Silane, Chem Comm., (26): 3025-3027 (2008).
[8] Ciceri D., Perera J.M., Stevens G.W., The use of Microfluidic Devices in Solvent Extraction, J. Chem. Technol. Biotechnol., 89(6): 771-786 (2014).
[9]  هجیر کریمی؛ محمدمهدی سبزه میدانی، مطالعه عددی تأثیر عامل‌های هندسی بر انتقال گرمای نانو سیال آب ـ Al2O3 در یک میکروکانال، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 35(4): 137-150 (1395).
[10] صفورا جلیل زاده؛ ندا عظیمی، مدل سازی CFD تشدید اختلاط در میکرومخلوط کننده ها با تحریک نانوذره‌های مغناطیسی تحت تاثیر میدان مغناطیسی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 38(1): 267-279 (1398).
[11] علی پوراصغر محمدی؛ علی اصغر محمدی؛ داریوش باستانی، یک تراشه میکروسیالی برای انجام پیوسته واکنش تبادل برم ـ لیتیم و جداسازی فازهای واکنش، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 40(2): 231-238 (1400).
[12] Assmann N., Ładosz A., Rudolf von Rohr P., Continuous Micro Liquid‐Liquid Extraction, Chem. Eng. Tech., 36(6): 921-936 (2013).
[13] Asadi-Saghandi H., Karimi-Sabet J., Ghorbanian S., Moosavian S.M.A., Dimensionless Analysis on Liquid–Liquid Two-Phase Flow Patterns in a Numbered-Up Microfluidic Device, Chem. Eng. J., 429: 132428 (2022).
[14] Umehara S., Kishimoto T., Kakubata H., Nomura M., Kaneshiki T., Suzuki T., Fujii Y., Nemoto S., A Basic Study on the Production of Enriched Isotope Formula Ca by using Crown-Ether Resin, Prog. Theor. Exp. Phys., 2015(5): 053C03 (2015).
[15] Okumura S., Umehara S., Fujii Y., Nomura M., Kaneshiki T., Ozawa M., Kishimoto T., Separation of Calcium-48 Isotope by Crown ether Chromatography using Ethanol/Hydrochloric Acid Mixed Solvent, Journal of chromatography. A, 1415: 67-72 (2015).
[16] Kockmann N., Gottsponer M., Roberge D.M., Scale-Up Concept of Single-Channel Microreactors from Process Development to Industrial Production, Chem. Eng. J., 167(2-3): 718-726 (2011).
[17] Kashid M.N., Gupta A., Renken A., Kiwi-Minsker L., Numbering-Up and Mass Transfer Studies of Liquid–Liquid Two-Phase Microstructured Reactors, Chem. Eng. J., 158(2): 233-240 (2010).
[18] Khuri A.I., Mukhopadhyay S., Response Surface Methodology, Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Statistics, 2(2): 128-149 (2010).
[19] Azarang A., Rahbar-Kelishami A., Norouzbeigi R., Shayesteh H., Modeling and Optimization of Pertraction Performance of Heavy Metal Ion from Aqueous Solutions using M2EHPA/D2EHPA: Application of Response Surface Methodology, Environ. Technol. Innov., 15: 100432 (2019).
[22] اسماعیل عیوضی؛ سید محمدعلی موسویان؛ پریسا تاجرمحمد قزوینی؛ علیرضا کشتکار؛ هژبر صحبت زاده لنبر، بهینه‌سازی جذب‌زیستی تلوریم توسط باکتری سودوموناس پوتیدا به روش سطح پاسخ (RSM)، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 41(1): 247-258 (1401).
[23] ساناز محمدپور ولنی؛ حسین بنی اسدی؛ شیما افشار، ساخت فیلم‌های نانوکامپوزیت آلیاژی بر پایه نشاسته/ ژلاتین/ نانورس به روش ریخته‌گری و تحلیل ویژگی‌های آن‌ها با روش سطح پاسخ، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 38(3): 33-46 (1398).
[24] Abdollahi P., Karimi-Sabet J., Moosavian M.A., Amini Y., Microfluidic Solvent Extraction of Calcium: Modeling and Optimization of the Process Variables, Sep. Purif. Technol., 231: 115875 (2020).
[25] Foroozan Jahromi P., Karimi-Sabet J., Amini Y., Ion-Pair Extraction-Reaction of Calcium using Y-Shaped Microfluidic Junctions: An Optimized Separation Approach, Chem. Eng. J., 334: 2603-2615 (2018).
[26] Sattari-Najafabadi M., Esfahany M.N., Hexavalent Chromium Extraction from Aqueous Solutions in a Liquid-Liquid Slug Flow Microreactor, Chem. Eng. Process. -Pro. Int., 157108156 (2020).
[27] Okubo Y., Maki T., Aoki N., Khoo T.H., Ohmukai Y., Mae K., Liquid–liquid Extraction for Efficient Synthesis and Separation by Utilizing Micro Spaces, Chem. Eng. Sci., 63(16): 4070-4077 (2008).
[28] Novak U., Pohar A., Plazl I., Žnidaršič-Plazl P., Ionic liquid-based Aqueous Two-Phase Extraction within a Microchannel System, Sep. Purif. Technol., (97): 172-178 (2012).
[30] Mourabet M., El Rhilassi A., El Boujaady H., Bennani-Ziatni M., Taitai A., Use of Response Surface Methodology for Optimization of Fluoride Adsorption in an Aqueous Solution by Brushite, Arab. J. Chem., 10: S3292-S3302 (2017).
[31] Liyana-Pathirana C., Shahidi F., Optimization of Extraction of Phenolic Compounds from Wheat using Response Surface Methodology, Food Chem., 93(1): 47-56 (2005).
[32] Benatti C.T., Tavares C.R.G., Guedes T.A., Optimization of Fenton's Oxidation of Chemical Laboratory Wastewaters using the Response Surface Methodology, J. Environ. Manage., 80(1): 66-74 (2006).
[33] Chowdhury S., Yusof F., Faruck M.O., Sulaiman N., Process Optimization of Silver Nanoparticle Synthesis using Response Surface Methodology, Procedia Eng., 148: 992-999 (2016).
[34] Wu Z., Cao Z., Sunden B., Flow Patterns and Slug Scaling of Liquid-Liquid Flow in Square Microchannels, Int. J. Multiph. Flow, 11(22): 37-39 (2019).
[35] Dessimoz A.-L., Cavin L., Renken A., Kiwi-Minsker L., Liquid–liquid Two-Phase Flow Patterns and Mass Transfer Characteristics in Rectangular Glass Microreactors, Chem. Eng. Sci., 63(16): 4035-4044 (2008).
[36] Darekar M., Singh K.K., Mukhopadhyay S., Shenoy K.T., Liquid–liquid Two-Phase Flow Patterns in Y-Junction Microchannels, Ind. Eng. Chem. Res., 56(42): 12215-12226 (2017).
[37] Foroozan Jahromi P., Karimi-Sabet J., Amini Y., Fadaei H., Pressure-Driven Liquid-Liquid Separation in Y-Shaped Microfluidic Junctions, Chem. Eng. J., 3281075-1086 (2017).
[39] Heumann K.G., "Isotopic Separation in Systems with Crown Ethers and Cryptands", Organic Chemistry, Springer, 77-132 (1985).
[40] Mcdowell a., Crown Ethers as Solvent Extraction Reagents: where do We Stand?, Sep. Sci. Technol., 23(12-13): 1251-1268 (1988).
[43] Tamagawa O., Muto A., Development of Cesium Ion Extraction Process using a Slug Flow Microreactor, Chem. Eng. J., 167(2-3): 700-704 (2011).
[44] Muto A., Hirayama Y., Tokumoto H., Matsuoka A., Noishiki K., Liquid–Liquid Extraction of Lithium Ions using a Slug Flow Microreactor: Effect of Extraction Reagent and Microtube Material, Solvent Extr. Ion Exch., 35(1): 61-73 (2017).
[45] Kurniawan Y.S., Sathuluri R.R., Ohto K., Iwasaki W., Kawakita H., Morisada S., Miyazaki M., A Rapid and Efficient Lithium-Ion Recovery from Seawater with Tripropyl-Monoacetic Acid Calix [4] Arene Derivative Employing Droplet-based Microreactor System, Sep. Purif. Technol., 211: 925-934 (2019).
[46] Marsousi S., Karimi-Sabet J., Moosavian M.A., Amini Y., Liquid-Liquid Extraction of Calcium using Ionic Liquids in Spiral Microfluidics, Chem. Eng. J., 356: 492-505 (2019).