خواص پورفیرین­ها می­شود [6]. ترکیبات پورفیرینی که دارای دو هیدروژن بر روی نیتروژن­ها هستند، باز آزاد[4] نامیده می­شوند (شکل ١-2 الف). افزایش یک پروتون، منجر به تشکیل مونواسید[5] یا مونوکاتیون (شکل ١-2 ب) می­شود و افزایش یک پروتون دیگر، تشکیل دی­اسید[6] یا دی­کاتیون (شکل ١-2 ج) را می­دهد که در آن پورفیرین دارای بار ٢+ است. پورفیرین­ها می­توانند با از دست دادن دو هیدروژن خود در حالت باز آزاد، به صورت دی آنیون درآیند که در فرم دی­آنیون قادرند با یون­های فلزی ٢+ و ٣+ کمپلکس­های فلزی پورفیرین­ها را تشکیل دهند.
3-1- پورفیرین­ ها و ترکیبات مرتبط
پورفیرین بدون فلز در حفره اش نیز باز آزاد نامیده می­شود. بعضی از پورفیرین­های حاوی آهن هم نامیده می­شوند. هم حاوی پروتئین ها هموپروتئین­ها می­باشد که به طور گسترده­ای در طبیعت یافت می­شود. هموگلوبین و میوگلوبین دو پروتئین پیوندی اکسیژن هستند که حاوی پورفیرین­های آهن دار می­باشند. چندین هتروسیکل دیگر در ارتباط با پورفیرین وجود دارد. این هتروسیکل­ها شامل کورین­ها، کلرین­ها، باکتریو­کلرفیل­ها و کورفین­ها می­باشد.
از شبه پورفیرین­های طبیعی می­توان به کورین­ها[1] شکل(١-3) اشاره کرد. کورین­ها ماکروسیکل­هایی متشکل از چهار حلقه پیرولی هستند که از چهار اتم نیتروژن خود برای اتصال به فلز استفاده می­کنند. کورین­ها در این حالت تقریبا شکل مسطح مربعی دارند.  تفاوت اصلی کورین با پورفیرین، نبود یک اتم کربن متین است که اتصال دهنده دو تا از حلقه­­های پیرول است. این عامل، سبب به هم ریختن هندسه فلز مرکزی است و نیز باعث به وجود آمدن برخی خواص جالب برای کمپلکس مذکور است.
کلرین­ها بیشتر احیا شده، هیدروژن بیشتری نسبت به پورفیرین دارند و زیر واحد پیرولینی دارند. این ساختار در کلروفیل رخ می­دهد. جایگزینی دو زیر واحد از چهار زیر واحد پیرولی با زیر واحد پیرولینی، منجر به باکتریوکلرین­ها می­شود که در باکتری­های فتوسنتز کننده یافت می­شود. پروتوپورفیرین[1] (شکل١- 4) یکی از فراوان­ترین پورفیرین­های موجود در طبیعت است. از جانشین کردن کربن­های ٥، ١٠، ١٥و٢٠ پورفین با نیتروژن و اتصال حلقه­های پیرول با چهار حلقه بنزن ترکیب معروف رنگی، به نام فتالوسیانین (شکل١-5) حاصل می­شود. دو ترکیب مهم دیگر موجود در طبیعت کلروفیل[2] (شکل١-6) و ویتامین B12 [7] (شکل١-7) می­باشند.
ماکروسیکل­های تتراپیرولی، که پورفیرین­ها دسته­ای از آنها هستند، در طبیعت جهت اتصال فلز در سیستم­های آنزیمی و کمپلکس­های مربوطه استفاده می­شوند و عهده­دار کارهای زیادی هستند. توانایی کاتالیزوری پورفیرین­ها به وضعیت الکترونی فلز مرکزی، هندسه حلقه پورفیرین و طبیعت لیگاندهای محوری بستگی دارد [8].
کمپلکس­های پورفیرین با آهن، کبالت، منگنز، مس و نیکل به عنوان فعال کننده O2 شناخته می­شوند و فعالیت آنها در شیمی آلی فلزی بررسی شده است. به عنوان مثال می­توان از سیستم­های پورفیرینی استفاده ­شده در اکسایش کاتالیزوری از طریق اتصال با O2 نام برد. سیتوکروم ٤٥٠P-، یک پورفیرین آهن موجود در سیستم­های زیستی، از مهم­ترین آنزیم­های اکسنده مورد مطالعه ­است. این آنزیم مدلی برای اکسایش­های شبه­زیستی[1] است [8].
با در نظرگرفتن مطالعات مربوط به مشتقات گوناگون پورفیرین­ها، فاصله­ ها و زاویه ­ها در اسکلت پورفیرین مقدار تقریبا ثابتی می­باشد. پورفیرین مسطح با توجه به قاعده زاویه و فاصله یک محور تقارن درجه چهار دارد.
پورفیرین­ها شامل انواع مسطح و تغییرشکل­یافته می­باشند. این ماکرومولکول­ها دارای خاصیت انعطاف­پذیری هستند. پورفیرین در حالت مسطح در پایین­ ترین سطح انرژی خود قرار دارد. از آنجا که انرژی کمی برای تغییر شکل پورفیرین لازم است، تحت شرایط مختلف نمی­توان ساختار آن را به سادگی پیش­بینی کرد. همچنین ساختار پورفیرین در محلول به دلیل نامشخص بودن برهم­کنش­های دقیق آن با حلال قابل پیش­بینی نیست.
4-1- یونیزه شدن پورفیرین ­ها
با افزایش قدرت الکترون کشندگی زنجیره­های جانبی پورفیرین خاصیت بازی آن کاهش می یابد. هسته پورفیرین با دو اتم نیتروژن پیرولینی (=N–) که توانایی جذب پروتون را دارند، به عنوان یک مرکز بازی دو ظرفیتی و با دواتم نیتروژن NH) –) پیرولی، که توانایی از دست دادن پروتون را دارند، به عنوان یک مرکز اسیدی دو ظرفیتی عمل می­کند. بنابراین هسته پورفیرین می­تواند هر دو نقش اسیدی و بازی را ایفا کند.
پورفیرین­ها به عنوان اسیدهای خیلی ضعیف عمل می­کنند. حالت­های خنثی حتی درمحلول های هیدروکسید سدیم غلیظ پایدارند ولی در حضور سدیم آلکوکسیدها، طیف جذبی حضور دی­آنیون را نشان می­دهد. قدرت بازی نیتروژن­های پیرولینی، از طریق یک ساختار رزونانسی، تحت تاثیر زوج الکترون­های غیر پیوندی نیتروژن­های پیرولی قرار می­گیرد.

5-1- عوامل موثر بر فعالیت پورفیرین­ ها

بسیاری از مطالعات انجام شده که به بررسی تاثیر عوامل موثر بر فعالت پورفیرین ها پرداخته است. تقریباً تمام واکنش‌هایی که توسط آنزیم­ها کاتالیز می‌گردند توسط متالوپورفیرین‌ها نیز کاتالیز می‌شوند. گزارش­های زیادی در مورد واکنش‌های هیدروکسیل­دار کردن هیدروکربن‌های اشباع، اپوکسایش آلکن‌ها، اکسیژن­دار کردن آلکین‌ها، اکسایش سولفیدها، هیدروکسیل­دار کردن ترکیبات نیتروژن‌دار، اکسایش الکل‌ها و آلدئیدها و بسیاری از واکنش‌های دیگر وجود دارد. مهم‌ترین این عوامل موثر عبارت است از پایداری متالو پورفیرین، نوع گونه حدواسط تشکیل شده، تاثیر استخلافات گروه های مختلف با وضعیت‌های متنوع الکترونی و فضایی بر روی حلقه پورفیرین  که ممکن است اتصال به حلقه‌های پیرولی یا حلقه‌های فنیلی باشد، اثر فلز مرکزی، تاثیر نوع اکسنده، – اثر لیگاندهای محوری[1] متفاوت از نظر الکترونی و فضایی و همچنین اثر غلظت لیگاند محوری به ‌کار رفته و اثر حلال که مورد توجه زیادی قرار دارد.
6-1- تجمع پورفیرین
فرایند تجمع ملکول­های رنگ دانه مربوط به طبقه­ی پورفیرین­ها و فتالو سیانین­ها در زمینه­های مختلف شامل فوتو­شیمی، بیوشیمی و الکترونیک نوری توجه زیادی را به خود جلب کرده است ].10-16.[ کنترل تجمع رنگدانه با هندسه­ی سازمان یافته خاص یکی از اهداف پیشرفت دانش بسیاری از واحد­های جمع آوری نور در فتوسنتز است. معیار اصلی برای فرآیند تجمع، نوع بر هم کنش­های غیر کووالانسی شامل تاثیرات خارجی و محیطی است که فرایند رخ می­دهد. توازن این بر هم کنش­ها می­تواند نوع تجمی که رنگدانه می­تواند در مجموعه­ی سوپرا ملکول مفروض فرض کند را تعیین کند.
دریافته اند که باز آزاد و متالو پورفیرین می تواند تجمعات مختلفی را شکل دهد و نیروی پیش برنده برای این کمپلکس­های ملکولی غیر کووالانسی می­تواند پیوند­های هیدروژنی، بر هم کنش­های واندر والسی، الکترواستاتیکی و تاثیرات هیدروفوبی باشد. این بر هم کنش ها نو آرایی ساختاری مونومر­هایی از قبیل بلوک­های ساختمانی برای ساختن تجمعات پورفیرینی را اجرا می­کند ]17[.

بنابر این تجمع می­تواند از طریق خود تجمعی در محلول هموژن شکل گیرد یا توسط تجمع در بعضی از محیط­های هتروژن مثل مایسل­ها  لیپوزوم­ها، پروتئین­ها، دندریمر­ها، مونو لایر­ها یا فیلم­های بولجت-لانگمویر القا شود.

این مطلب را هم بخوانید :

در ساختار ملکولی تجمع یافته، ملکول­های مونومر به شیوه­ای آرایش می­یابند که ممان دو قطبی گذار بتواند به شدت بر هم کنش کرده و ودر نهایت باعث تغییر برجسته­ای در طیف الکترونی تجمع می­شود. در حقیقت طبق تئوری تهییج کاشا، جفت شدن ممان­های گذار دو قطبی ملکول­ها که موازی با خط اتصال مراکز ملکولی تراز یافته در تجمع است منجر به تجمع از نوعJ  می­شود. از طرف دیگر، تجمع نوع H زمانی سبقت می­گیرد که ممان­های گذار دو قطبی عمود به خط مراکز منجر به گذار الکترونی شیفت آبی مربوط به باند جذبی مونومر شود.

2-4- مروری بر مطالعات انجام شده در مورد استفاده از ضایعات چای به عنوان جاذب…………. 29
فصل سوم: مواد و روش­ها
3-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………. 33
3-2-  تجهیزات…………………………………………………………………………………………… 33
3-3- مواد مصرفی…………………………………………………………………………………….. 33
3-4- روش آماده سازی جاذب …………………………………………………………………………34
3-5- فرآیند استخراج……………………………………………………………………………………. 34
3-6- مدل شبکه عصبی مصنوعی ……………………………………………………………………..35
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………..40
4-2- مدلسازی با شبکه عصبی مصنوعی………………………………………………………… 40
4-3- بهینه سازی استخراج فاز جامد………………………………………………………………. 41
4-4- آنالیز حساسیت ……………………………………………………………………………….48
4-4- مقایسه دادههای آزمایشگاهی و شبکه عصبی…………………………………………… 50
4-4-1- اثر pH بر استخراج………………………………………………………………………….. 50
4-4-2- اثر مقدار جاذب………………………………………………………………………………… 51
4-4-3- اثر غلظت شوینده بر استخراج………………………………………………………………. 52
4-5- بررسی عملکرد روش…………………………………………………………………………….. 53
4-5-1- منحنی کالیبراسیون………………………………………………………………………….. 54
4-5-2- حد تشخیص……………………………………………………………………………………. 54
4-5-3- فاکتور تغلیظ…………………………………………………………………………………… 55
4-6- آنالیز نمونه های واقعی…………………………………………………………………………. 55
4-6- نتیجه گیری………………………………………………………………………………………… 56

چکیده:

در این پژوهش، استفاده از ضایعات چای به عنوان جاذب ارزان قیمت و فراوان، جهت استخراج منگنز از نمونه­های غذایی مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از اسید استیک 5 مولار منگنز از نمونه­های غذایی استخراج و با اضافه کردن مقدار کمی از ضایعات چای به عنوان جاذب، منگنز آن استخراج شد. سپس با اسید نیتریک به عنوان حلال شوینده واجذب منگنز صورت گرفت. از طیف سنجی جذب اتمی شعله(FAAS) جهت تعیین مقدار یون منگنز استفاده شد. شبکه مصنوعی عصبی (ANN) جهت مدل سازی و بهینه سازی فرآیند استخراج مورد استفاده قرار گرفت. عوامل مؤثر بر استخراج از قبیل pH، مقدار جاذب، زمان استخراج و غلظت شوینده برای شویش منگنز از جاذب، پارامترهای ورودی بوده و پس از آموزش پس انتشار خطا (BP)، مدل ANN قادر به پیش بینی راندمان استخراج منگنز با یک تابع انتقال تانژانت سیگموئید در لایه پنهان و تابع انتقال خطی در لایه خروجی بود. حد تشخیص برای منگنز ng.g-16/0 بدست آمد. سپس از این روش تحت شرایط بهینه، برای تعیین مقدار منگنز در نمونه­های حقیقی استفاده گردید.

این مطلب را هم بخوانید :

فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه
فلزات سنگین به دو طبقه فلزات واسطه و شبه فلزات تقسیم بندی می­شوند. فلزات واسطه برای عامل زیستی اعضاء در غلظت­های پائین ضروری بوده و در غلظت­های بالا سمی هستند (الصاق،1390).
اندازه­گیری و تعیین دقیق یون­های فلزی در مقادیر ناچیز در نمونه­های گوناگون محیطی، آبی، غذایی و بیولوژیکی بخاطر نقش مهم آنها در زندگی امروز بشر از مهمترین اهداف شیمیدانان تجزیه، به شمار می­رود. جایی که مرز بین ضروری بودن میزان یون­های فلزی و میزان مضر بودن آنها بسیار محدود است، یون­های فلزات واسطه باید با دقت و نیز صحت تجزیه­ای مورد نیاز، به منظور جلوگیری از ایجاد خسارات زیان بار مورد ارزیابی واقع شوند (Afkhami et al., 2011). یکی از زمینه­هایی که امروزه بسیاری از تحقیقات، بویژه در حیطه­ی انواع سرطان­ها مورد توجه قرار گرفته است، بررسی نقش عناصر کمیاب در ایجاد و پیشرفت بیماری­های سرطانی است (مزدک و همکاران، 1387).

2-2-6- تقسیم بندی شبکه‌های عصبی…………………………………….27
2-2-6-1- تقسیم بندی داده ها در شبکه عصبی مصنوعی……………. 28
2-2-7- کاربرد شبکه‌های عصبی…………………………………………… 29
2-2-7-1-کاربرد شبکه عصبی مصنوعی در این تحقیق………………….. 30
2-2-8- معایب شبکه‌های عصبی………………………………………….. 31
2-3- سیستم استنتاج تطبیقی عصبی- فازی (انفیس) ………………..31
2-3-1- دسته بندی  قواعد انفیس……………………………………….. 32
2-3-1-1- مدل تاکاگی- سوگنو-کانگ……………………………………..32
2-4- شاخص های ارزیابی مدل های بدست آمده………………………. 34
فصل سوم: بحث و نتیجه گیری
3-1-هدف تحقیق ……………………………………………………………36
3-2- مدل های نیمه تجربی ارائه شده…………………………………… 36
3-2-1- مدل ارائه شده برای دمای بحرانی……………………………….. 37
3-2-2- مدل ارائه شده برای حجم بحرانی………………………………. 37
3-2-3- مدل ارائه شده برای فشار بحرانی……………………………….. 38
3-3- مقایسه مدل های ارائه شده با داده های تجربی…………………. 38
3-3-1- مقایسه مدل ارائه شده  برای دمای بحرانی با داده های تجربی..38
3-3-2- مقایسه مدل ارائه شده  برای حجم بحرانی با داده های تجربی..39
3-3-3- مقایسه مدل ارائه شده  برای فشار بحرانی با داده های تجربی..40
3-4- توزیع خطای نسبی مدل های ارائه شده……………………………. 41
3-5- مدل های ارائه شده توسط شبکه عصبی مصنوعی……………….. 42
3-5-1- مدل ارائه شده توسط شبکه عصبی مصنوعی برای دمای بحرانی..42
3-5-1-1- مقایسه مدل ارائه شده توسط شبکه عصبی مصنوعی برای دمای بحرانی…46
3-5-2- مدل ارائه شده توسط شبکه عصبی مصنوعی برای حجم بحرانی…47
3-5-2-1-مقایسه مدل ارائه شده توسط شبکه عصبی مصنوعی برای حجم بحرانی..51
3-5-3- مدل ارائه شده توسط شبکه عصبی مصنوعی برای فشار بحرانی…52
3-5-3-1- مقایسه مدل ارائه شده توسط شبکه عصبی مصنوعی برای فشار بحرانی..56
3-6- مدل های ارائه شده توسط انفیس……………………………………. 57
3-6-1- مدل ارائه شده توسط انفیس برای دمای بحرانی…………………. 57
3-6-1-1- مقایسه مدل ارائه شده توسط انفیس باداده های تجربی برای دمای بحرانی…59
3-6-2- مدل ارائه شده توسط انفیس برای حجم بحرانی…………………59
3-6-2-1- مقایسه مدل ارائه شده توسط انفیس با داده های تجربی برای حجم بحرانی…61
3-6-3- مدل ارائه شده توسط انفیس برای فشا ر بحرانی……………… 61
3-6-3-1- مقایسه مدل ارائه شده توسط انفیس باداده های تجربی برای فشار بحرانی…63
3-7- مقایسه مدل های ارائه شده با مدل های دیگر…………………. 63
3-7-1- مقایسه مدل ارائه شده برای دمای بحرانی………………….. 64
3-7-2- مقایسه مدل ارائه شده برای حجم بحرانی…………………….. 65
3-7-3- مقایسه مدل ارائه شده برای فشار بحرانی………………….. 66
3-8- نتیجه گیری………………………………………………………… 68
3-9- پیشنهادات…………………………………………………………. 69
3-10- منابع……………………………………………………………… 70

جدول ضمیمه…………………………………………………………….. 74

چکیده:
مشخصات بحرانی برای مواد از قبیل دمای بحرانی، حجم بحرانی و فشار بحرانی مشخصات مهمی برای پیش گویی بسیاری از خواص ترمودینامیکی مواد مختلف هستند. در کلیه عملیات های تولید و فرآیند هیدروکربن ها دانستن خواص بحرانی نقش اساسی دارد. زیرا این عملیات ها در شرایط بسیار نزدیک به نواحی نقاط شبنم و حباب صورت می گیرد و اغلب با پدیده های هم دما یا هم فشار همراه است.
تاكنون روش های مختلفی برای تخمین خواص بحرانی مواد آلی ارائه شده كه اساس كار آنها با هم متفاوت می باشد.
در این تحقیق با در دست داشتن 7000 مشخصه ی بحرانی مواد آلی، مدلهای نیمه تجربی جدید برای خواص بحرانی ارائه شده است. در ادامه، مدلهایی برگرفته از هوش مصنوعی یعنی شبکه عصبی مصنوعی و سیستم استنتاج تطبیقی عصبی- فازی ارائه شده اند.
در مدلهای نیمه تجربی ارائه شده با در دست داشتن نقطه جوش نرمال و جرم مولکولی ماده (ورودی های دمای بحرانی)، تعداد اتم و جرم مولکولی ماده (ورودی های حجم بحرانی) و دمای بحرانی و حجم بحرانی ماده (ورودی های فشار بحرانی)، می توانیم خواص بحرانی را تخمین بزنیم.
مدلهای پیشنهادی در عین سادگی خطای کمی دارند. از دیگر مشخصات مدلها می توان به عمومیت معادلات و قابل دسترس بودن پارامترهای ورودی نیز اشاره کرد.
در پایان تحقیق با مقایسه بین مدل های پیشنهادی و مدل های برگرفته از هوش مصنوعی و نیز 4 رابطه نیمه تجربی، مشخص می شود که مدلهای پیشنهادی دقت خوبی جهت تخمین خواص بحرانی مواد دارند.
میانگین خطای نسبی مدل نهایی برای دمای بحرانی، حجم بحرانی و فشار بحرانی به ترتیب برابر با 86/3 ، 06/5 و 57/5 می باشد که حاکی از دقت کافی مدلها می باشد.
فصل اول
مشخصات بحرانی: مباحث تئوری
1-1- مقدمه
پیش بینی درست خواص بحرانی در تعیین خواص فازی سیستم ها اهمیت زیادی دارد. حالت بحرانی تنها شرایطی است که فازهای مایع و بخار را شناسایی می کند و در تئوری و عمل به یک اندازه مهم می باشد. در کلیه عملیات تولید و فرآیند هیدروکربن ها دانستن شرایط بحرانی نقش اساسی دارد. زیرا این عملیات ها در شرایط بسیار نزدیک به نواحی نقاط شبنم و حباب صورت می گیرد و اغلب با پدیده های هم دما یا هم فشار عقب روی[1]همراه است]1[. پیش بینی خواص سیالات و طراحی محاسبات در این ناحیه بسیار مشکل است و دانستن نقطه بحرانی در حل این مشکل به ما کمک می کند.
از دید تئوری، بسیاری از خواص ترمودینامیکی با استفاده از خواص بحرانی تعیین می گردند و از دید عملی بسیاری از روابط تجربی بر پایه این خواص سیستم های مورد مطالعه، بنا نهاده شده است.
هر چند داشتن خواص بحرانی در تئوری و عمل بسیار مهم می باشد ولی تعیین این خواص از طریق آزمایش بسیار مشکل است و از لحاظ اقتصادی نیز روش آزمایشگاهی برای تعیین خواص بحرانی مناسب نمی باشد]2.[

مشخصات بحرانی برای مواد خالص از قبیل فشار بحرانی، دمای بحرانی و حجم بحرانی مشخصات مهمی برای پیش گویی رفتار فازی مواد هستند. همچنین این مشخصات 

این مطلب را هم بخوانید :

برای تخمین تعادل بین فاز گاز و مایعVLE)) به همراه معادله حالت اندازه گیری می شوند. به عنوان مثال این مشخصات برای صنعت گاز و نفت و پتروشیمی پارامترهای مهمی هستند و نیز برای توصیف فرایند اجزا نفتی تعریف نشده ضروری هستند.

1-1-1- هدف از انجام تحقیق
با توجه به اهمیت مشخصات بحرانی مواد خالص شامل دمای بحرانی، فشار بحرانی و حجم بحرانی در صنعت به ویژه در صنعت نفت و پتروشیمی و همچنین با توجه به این که اندازه گیری این پارامترها توسط آزمایشگاهی کاری دشوار و هزینه بر است، لذا بر آن شدیم تا مدل های مختلفی برای تخمین مشخصات بحرانی مواد خالص ارائه کنیم. همچنین با توجه به حجم کم کارهای پیشین در ارائه ی مدل های جامع، این تحقیق مدل سازی را براساس 7000 ماده آلی صورت داده است. در عین عمومیت داشتن مدل ها، مدل های موجود دارای سادگی و خطای ناچیزی می باشند.
2-1- تاریخچه
اولین روش های یافتن خواص بحرانی، تجربی بوده اند که در مورد سیستم های هیدروکربنی به کار می رفته است. میان این روش ها، کاتز[1] و کاراتا[2] در سال 1942 شناخته شده تر می-باشد]3.[ همچنین شرایط ریاضی نقطه بحرانی اولین بار توسط گیبس ارائه شد و بعدها در سال 1954 تصحیحاتی توسط دیفای[3] و پریگاگین[4] و در سال 1977 توسط رید[5] و بیگل[6] روی آن صورت گرفت]5-

بدیهی است كه خداوند معلمی است كه دانش آموزش، انسان را از طریق نشانه­هایش در طبیعت به طور كامل هدایت می­كند.
هم اكنون كار روی توسعه سیستم­های هوشمند با الهام از طبیعت، از زمینه­های پرطرفدار هوش مصنوعی است. الگوریتم ژنتیك[1] كه با استفاده از ایده تكامل داروینی و انتخاب طبیعی مطرح شده روش بسیار خوبی برای یافتن مسائل بهینه­سازی است. ایده تكاملی داروینی بیانگر این مطلب است كه هر نسل نسبت به نسل قبل دارای تكامل است و آنچه در طبیعت رخ می­دهد، حاصل میلیون­ها سال تكامل نسل به نسل موجوداتی مانند مورچه است.
حشراتی مانند مورچه، موریانه، زنبور كه به صورت كلونی زندگی می­كنند، بر رفتار به ظاهر بی­نظم­شان نظم و قانونمندی خاصی حكمفرماست كه دانشمندان و محققان را به خاطر این پیچیدگی منظم و راهگشا در حل مسائل بهینه­ سازی، شیفته خود ساخته است.
2-1- كمومتریكس
بدست آوردن داده تجزیه­ای یكی از مراحل اصلی تجزیه می­باشد، تا اواخر دهه پنجاه قرن بیستم این مرحله به عنوان مشكل­ترین بخش یك تجزیه به حساب می­آمد، همچنین زمان عمده یك تجزیه شیمیائی مربوط به جمع­آوری داده­های تجزیه­ای می­شد.
اما ازآغاز دهه شصت قرن بیستم، زمانی كه دستگاه­های مدرن وارد آزمایشگاه­ها و مراكز تحقیقاتی گردید، این مشكل برطرف شد و در نتیجه استفاده از چنین دستگاه­های پیشرفته تعداد زیادی داده از یك نمونه بدست می­آید. جهت ثبت و ذخیره­سازی چنین داده­های وسیعی نیاز به وسیله­ای بود كه بتواند از عهده چنین كاری برآید، به طور همزمان با ظهور دستگاه­های پیشرفته تعداد زیادی داده از یك نمونه بدست آمد و استفاده از كامپیوتر نیز به عنوان ابزاری جهت ثبت و ذخیره داده­های حاصل از یك تجزیه شیمیائی رشد چشمگیری یافت، در نتیجه اتصال كامپیوتر به دستگاه­های آزمایشگاهی ثبت و ذخیره نمودن داده­ها كه قبلاً به عنوان مشكل­ترین بخش یك تجزیه بوده تبدیل به ساده­ترین مرحله گردید. ولی مشكل دیگری كه به دنبال چنین پیشرفتی، ظاهر گردید، نحوه برخورد با چنین حجم وسیعی از داده بود كه باید به اطلاعات تبدیل می­شدند.
برای مدت­های طولانی، ریاضی و آمار برای تفسیر نتایج آزمایش­ها به كار گرفته می­شدند. ولی با ظهور نرم­افزارهای پیشرفته رایانه ای تحول شگرفی در نحوه استفاده ریاضی و آمار در حل مسائل شیمیایی به وجود آمد. به طوری كه استفاده از ریاضی ، آمار و كامپیوتر در شیمی منجر به ظهور شاخه­ای جدید به نام كمومتریكس[1] گردید. اگرچه شیمی­دانهای تجزیه بیش از سایر همکارانشان با این شاخه آشنا هستند و از آن بهره می­برند، ولی در رشته­های مرتبط با شیمی از جمله علوم داروئی، بیوشیمی و غیره نیز كاربردهای فراوانی دارد ]5-1[.
برای اولین بار در سال 1971 سوانت ولد[2] اصطلاح “كمومتریكس” را به كار برد و آن را هنر استخراج اطلاعات شیمیائی از داده­های تجزیه­ای دانست . در سال 1974 با همكاری كوالسكی[3] انجمن بین­المللی كمومتریكس تأسیس شد ]6[.
در سال 1982 كوالسكی و فرانك[4] كمومتریكس را شاخه­ای از علم شیمی كه در طراحی آزمایش­های بهینه­سازی، برقراری ارتباط بین نتایج تجربی با متغیرهای آزمایش و همچنین استخراج اطلاعات از سیستم­های شیمیایی با استفاده از ریاضی، آمار و كامپیوتر تعریف كردند ]7[.
ماسارت[5]، كمومتریكس را یك روش شیمیائی می­داند كه از منطق ریاضیات و آمار برای رسیدن به اهداف زیر بهره می­جوید ]8[:
1) طراحی با انتخاب فرآیندهای تجربی بهینه شده
2) دسترسی به حداكثر اطلاعات مناسب شیمیائی از طریق داده­ های تجربی
3) بدست آوردن اطلاعات در زمینه سیستم­های شیمیائی
براون[1] سردبیر مجله كمومتریكس معتقد است كمومتریكس قسمتی از علم شیمی است كه كوشش در پاسخگوئی به سوالات مربوط به سنجش­های شیمیائی دارد ]9[. سوالاتی از قبیل:
1) اندازه ­گیری كجا و چگونه باید انجام پذیرد؟
2) سیگنال[2] و نویز[3] كدامند؟
3) چگونه می­ توان از اندازه­گیری، اطلاعات مناسب را بدست آورد؟

4) منشأ خطاها در نتایج حاصل از اندازه ­گیری­ها چیست؟

انجمن بین­المللی كمومتریكس (ICS) تعریف جامعی از كمومتریكس ارائه می­دهد. براساس تعریف این انجمن كمومتریكس علم برقراری ارتباط بین سنجش­های انجام شده بر روی یك سیستم یا فرایند شیمیائی و حالتی از سیستم می­باشد. این ارتباط از طریق كاربرد روش­های آماری و ریاضی صورت می­پذیرد.
به هر حال، شاید بتوان اهداف كمومتریكس را چنین بیان نمود كه:
با استفاده از کمومتریکس، عوامل موثر و بر همكنش آن­ها در یك فرایند شیمیائی (اعم از یك فرایند تجزیه­ای و غیره) مورد شناسائی قرار گرفته و با حداقل آزمایش­ها، بهینه­سازی می شوند. بدست آوردن ارتباط بین عوامل موثر و پاسخ سیستم از دیگر اهداف كمومتریكس می­باشد. در نهایت، تبدیل داده­های حاصل به اطلاعات نیز هدف نهائی كمومتریكس می­باشد. واضح است رسیدن به چنین اهدافی نیازمند كمك گرفتن از ریاضی، آمار و كامپیوتر است ]10[.
بسیاری از مسائلی که در کمومتریکس با آنها مواجه می شویم به دلیل پیچیدگی فوق العاده با روش های دقیق قابل حل نیست به زبان علوم کامپیوتر، چنین مسائلی را “چند جمله ای نامعین سخت[4]” می گویند.
زمان لازم برای حل دقیق چنین مسائلی با زیاد شدن تعداد ورودی ها ، به شدت زیاد می­شود ، در چنین مواردی لازم است از “تقریب های خوب[5]” استفاده کنیم، یکی از این تقریب­های خوب الگوریتم های هیوریستیک می باشند که از آن برای برقراری رابطه ساختار – خاصیت بهره خواهیم جست ]11[.
3-1- الگوریتم هیوریستیك

هیوریستیك­ها[1] عبارت از معیارها، روش­ها یا اصولی برای تصمیم­گیری بین چندین خط مشی و انتخاب اثربخش­ترین آن ­ها برای دستیابی به اهداف مورد نظر می باشند. سیستم­های پیچیده اجتماعی، تعداد زیادی از مسائل دارای طبیعت تركیباتی را پیش روی ما قرار می­دهد. به عنوان مثال مسیر كامیون­های حمل و نقل باید به شکل بهینه تعیین شود. تئوری پیچیدگی[2] به ما می­گوید كه مسائل تركیباتی اغلب چند جمله­ ای[3] نیستند. این مسائل در اندازه­های كاربردی و عملی خود به قدری بزرگ هستند كه نمی­توان جواب بهینه آنها را در مدت زمانی قابل قبول به دست آورد. با این وجود، این مسائل باید حل شوند و بنابراین چاره­ای نیست كه به جواب­های با تقریب بهینه بسنده نمود.

این مطلب را هم بخوانید :

الگوریتم­هائی داریم كه می­توانند یافتن جواب­های خوب در فاصله مشخصی از جواب بهینه را تضمین كنند كه به آن­ها الگوریتم­های تقریبی می­گویند. الگوریتم­های دیگری هستند كه تضمین می­دهند با احتمال بالا جواب “نزدیك بهینه[4]” تولید كنند كه به آن­ها الگوریتم­های احتمالی گفته می­شود. جدای از این دو دسته، می­توان الگوریتم­هائی را پذیرفت كه هیچ تضمینی در ارائه جواب ندارند اما بر اساس شواهد و سوابق نتایج آن­ها، به طور متوسط بهترین تقابل كیفیت و زمان حل برای مسئله مورد بررسی را به همراه داشته­اند. به این الگوریتم­ها، الگوریتم­های هیوریستیك گفته می­شود.
هیوریستیك­ها نتیجه برقراری اعتدال بین دو نیاز هستند: نیاز به ساخت معیارهای ساده و تمایز درست بین انتخاب­های خوب و بد.
خاصیت هیوریستیك­های خوب این است كه ابزار ساده­ای برای تشخیص خط مشی­های بهتر ارائه می دهند. در حالی كه این الگوریتم­ها الزاما، تشخیص خط مشی­های اثربخش را تضمین نمی­كنند اما اغلب به صورت شرط كافی این تضمین را فراهم می­آورند.

3. فصل سوم…………………………………………………………………………….. 41
3-1 دینامیک سیالات محاسباتی…………………………………………………….. 42
3-2 تشریح فرآیند……………………………………………………………………… 42
3-3 فرضیات…………………………………………………………………………….. 43
3-4 معادلات برای درون الیاف………………………………………………………… 45
3-5 معادلات برای غشاء ……………………………………………………………….46
3-6 معادلات برای پوسته……………………………………………………………….47
3-7 مکانیزم واکنش……………………………………………………………………. 48
3-8 معادله حاکم بر تانک خوراک ……………………………………………………. 49
3-9 معادله حاکم بر تانک سلولی……………………………………………………..49
4. فصل چهارم…………………………………………………………………………. 50
4-1 مقدمه…………………………………………………………………………….. 51
4-2 نحوه انجام شبیه سازی به کمک نرم افزار ………………………………….. 51
5. فصل پنجم………………………………………………………………………… 59
5- 1 مقدمه ……………………………………………………………………………60
5-2 توزیع غلظت …………………………………………………………………….. 60
5-2-1 توزیع غلظت درون الیاف……………………………………………………… 60
5-2-2 توزیع غلظت در پوسته………………………………………………………. 61
5-3 توزیع سرعت……………………………………………………………………. 62
5-3-1 توزیع سرعت درون الیاف……………………………………………………. 62
5-3-2 توزیع سرعت درون پوسته………………………………………………….. 63
5-4 تأثیر شرایط عملیاتی بر بازدهی حذف فنل…………………………………. 64
5-4-1 تأثیر غلظت اولیه…………………………………………………………….. 65
5-4-2 تأثیر دبی جریان‌ فاز سلولی……………………………………………….. 65
5-4-3 تأثیر شعاع خارجی غشاء………………………………………………….. 66
5-4-4 تأثیر شعاع داخلی غشاء…………………………………………………… 67
6. فصل ششم………………………………………………………………………. 68
6-1 نتیجه گیری………………………………………………………………………..69
6-2 پیشنهادات ………………………………………………………………………..69
7. مراجع……………………………………………………………………………… 70
چکیده:
تاکنون روش های زیادی برای حذف فنل از پساب ارائه شده که از بین آنها، فرآیند بیوراکتور غشایی در یک دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از تماس دهنده غشاء الیاف توخالی در این فرآیند، برای جلوگیری از تماس مستقیم دو فاز و افزایش نسبت سطح به حجم است. در پروژه حاضر به مدل سازی و شبیه سازی حذف فنل از پساب با بکارگیری این تماس دهنده پرداخته شده است. همچنین اثر پارامترهایی همچون دبی فازها، غلظت اولیه، طول غشاء و شعاع داخلی و خارجی غشاء بر بازدهی حذف فنل از پساب مورد بررسی قرار گرفته است.
دستگاه معادلات دیفرانسیل پاره ای ارائه شده در مدل همراه با شرایط مرزی آن بوسیله ی شبیه سازی توسط نرم افزار COMSOL، به روش المان محدود حل شده اند. نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی موجود مقایسه گردیده و انطباق نسبتا مناسبی مشاهده شده است. با افزایش غلظت اولیه، بازدهی حذف فنل کاهش‌ می یابد. افزایش دبی فاز سلولی، بازدهی حذف فنل را اندکی افزایش می دهد. همچنین افزایش طول غشاء تا حدودی سبب بهبود بازدهی حذف می شود. با افزایش تعداد الیاف غشاء درون تماس دهنده بازدهی ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد.
پیشگفتار:

با افزایش جمعیت و گسترش روزافزون کارخانجات صنعتی، میزان مصرف آب در سطح جهان افزایش یافته است. با توجه به کمبود آب آشامیدنی در دسترس، یکی از راه های تامین آب، استفاده مجدد از آب های سطحی و پساب ها است. اما به علت وجود مواد آلاینده و سمی در پساب ها، نمی توان از آن ها بطور مستقیم استفاده کرد. فنل 

یکی از آلاینده های بسیار خطرناک است که در پساب خروجی صنایع مختلفی از جمله پالایشگاه های نفت و  کارخانجات پتروشیمی، رزین و پلاستیک، پارچه و کاغذ وجود دارد. روش های زیادی برای حذف فنل ارائه شده است اما بسته به غلظت و میزان آن، از هر کدام از روش ها در جای خود استفاده می شود.

بیوراکتورغشایی، روشی جدید برای حذف فنل از پساب ها به شمار می آید. در این فرآیند از تماس دهنده غشایی الیاف توخالی برای جلوگیری از ممانعت کنندگی فنل، تماس مستقیم دو فاز، تولید کف و طغیان  و تشکیل امولسیون استفاده می شود. همچنین تماس دهنده های غشایی الیاف توخالی به علت فشردگی و نسبت سطح به حجم بالایی که دارند، می توانند ضمن ارائه کارایی مناسب، صرفه جویی قابل توجهی در وزن دستگاه ها و همچنین فضای موردنیاز ایجاد کنند. این روش در مواردی که نسبت حلال به خوراک خیلی بالا یا خیلی پایین باشد مفید است. در حقیقت در بیوراکتورغشایی، مزایای بیوراکتور و فناوری غشایی با یکدیگر ترکیب شده اند.
با در نظر گرفتن ویژگی های فرآیند بیوراکتورغشایی در مقایسه با سایر روش ها جداسازی، در پروژه حاضر به مدل سازی و شبیه سازی حذف فنل از پساب توسط بیوراکتورغشایی پرداخته می شود، تا شناخت بهتری از عملکرد آن حاصل گردد.
در فصل اول از پروژه حاضر، ابتدا کلیاتی راجع به فنل و مضرات آن، روش های حذف و جداسازی آن، مزایا و معایب هر یک از آن ها و سینتیک واکنش های بیولوژیکی اشاره می شود.
در فصل دوم ابتدا فرآیند بیوراکتورغشایی به اختصار معرفی می شود و در ادامه به بررسی پژوهش های انجام شده در زمینه حذف فنل از پساب توسط بیوراکتور و نتایج آن ها پرداخته می شود.
در فصل سوم، مدل سازی فرآیند و معادلات حاکم بر هر سه قسمت درون الیاف، غشاء و پوسته و همچنین تانک ها، به همراه شرایط مرزی مناسب آن ها ارائه می شود.
در فصل چهارم، ابتدا نرم افزار COMSOL معرفی شده و سپس مراحل انجام شبیه سازی و پیاده سازی معادلات حاکم بر فرآیند به همراه شرایط مرزی آن ها در نرم افزار، گام به گام توضیح داده می شود.

در فصل پنجم، نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی حاصل از آزمایشات مقایسه می گردد. همچنین در انتهای فصل، اثر تغییر پارامترهای مختلف بر بازدهی حذف فنل بررسی می گردد.

این مطلب را هم بخوانید :

در فصل ششم نیز جمع بندی از نتایج انجام شده و پیشنهادهایی برای مطالعات آینده ارائه می گردد.
فصل اول: حذف فنل از پساب
1-1- مقدمه
کمبود میزان آب آشامیدنی در دسترس و افزایش روزافزون گازهای گلخانه‌ای در جو زمین، سبب شده تا دانشمندان و پژوهشگران به دنبال راه‌حلی اساسی برای رفع این مشکل باشند؛ زیرا این گازها موجب افزایش دمای سطح زمین و به‌تبع آن، آب شدن یخچال‌های طبیعی و تبخیر آب‌های سطحی خواهند شد.
با توجه به کمبود آب آشامیدنی، محققان در تلاش هستند که برای آبیاری زمین‌های کشاورزی یا در کارخانه‌های صنعتی از پساب های موجود استفاده کنند. اما نمی‌توان از فاضلاب‌ها به‌طور مستقیم استفاده کرد زیرا برخی از آن‌ها حاوی مواد سمی، خطرناک و مضر برای سلامتی انسان ها و محیط زیست هستند. همچنین بعضی از پساب‌ها را نمی‌توان مستقیماً دفن و یا وارد محیط‌زیست کرد، خصوصاً پساب‌ مربوط به بیمارستان‌ها، کارخانه‌های مواد شیمیایی و تسلیحات نظامی و شیمیایی زیرا میزان آلاینده‌های موجود در این پساب بسیار بالاست. با این تفاسیر قبل از استفاده، بایستی تصفیه بر روی آن ها انجام شود و مواد آلاینده، میکروب‌ها و مواد مضر آن ها از بین برود. اما بسته به نوع و کیفیت پساب، روش‌های مختلفی ارائه‌شده است که در این فصل به برخی از آن ها اشاره خواهد شد.