دانشنامه جامع کمپرس یخ77
فصل ۷۷
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش استفاده از پلیآکریلات سدیم با آب کماملاح برای ساخت ژلپک اقتصادی؛ مقایسه آب مقطر، آب تصفیهشده و آب شهری، بررسی اثر EC و سختی آب بر جذب پلیمر و محاسبه هزینه تصفیه آب در تولید صنعتی ژلپک
77-1 ـ مقدمه
در تولید ژلپک بر پایه پلیآکریلات سدیم، آب فقط یک ماده ارزان و پرمصرف نیست؛ بلکه یکی از اجزای اصلی عملکرد محصول است.
نوع آب میتواند بر:
– میزان جذب پلیمر؛
– سرعت آبگیری؛
– قوام ژل؛
– مقدار آب آزاد؛
– یکنواختی محصول؛
– رفتار در انجماد و ذوب؛
– و حتی هزینه نهایی تولید
اثر بگذارد.
به همین دلیل، مقایسه آب مقطر، آب تصفیهشده و آب شهری میتواند به تعیین یک روش اقتصادی و قابل تکرار برای تولید صنعتی کمک کند.
—
77-2 ـ چرا آب کماملاح اهمیت دارد؟
پلیآکریلاتهای فوقجاذب معمولاً در آب کماملاح نسبت به آب دارای یونهای زیاد، تورم بیشتری نشان میدهند.
به زبان ساده، هرچه ترکیب یونی آب متفاوتتر باشد، رفتار پلیمر نیز میتواند تغییر کند.
بنابراین استفاده از یک آب مرجع ثابت برای توسعه فرمول اهمیت زیادی دارد.
—
77-3 ـ آب مقطر
آب مقطر از طریق تقطیر تولید میشود و مقدار زیادی از مواد محلول آن حذف میشود.
برای آزمایشهای آزمایشگاهی، آب مقطر میتواند شرایط نسبتاً مناسبی برای ایجاد یک نقطه مرجع فراهم کند.
اما استفاده از آن در تولید انبوه همیشه اقتصادیترین گزینه نیست.
—
77-4 ـ آب تصفیهشده
آب تصفیهشده میتواند با روشهایی مانند:
– اسمز معکوس؛
– تبادل یونی؛
– فیلتراسیون ترکیبی
تهیه شود.
میزان واقعی املاح پس از تصفیه باید اندازهگیری شود، زیرا عنوان «آب تصفیهشده» به تنهایی مشخصکننده کیفیت دقیق آب نیست.
—
77-5 ـ آب شهری
آب شهری معمولاً دارای املاح محلول و سختی مشخصی است.
اگر قرار است محصول صنعتی با آب شهری ساخته شود، بهتر است همان آب واقعی کارخانه به عنوان یکی از نمونههای آزمون بررسی شود.
—
77-6 ـ EC چیست؟
هدایت الکتریکی یا EC شاخصی برای ارزیابی میزان یونهای محلول در آب است.
به طور کلی:
EC بالاتر → معمولاً نشاندهنده مقدار بیشتر یونهای محلول
است.
اما EC به تنهایی مشخص نمیکند کدام یونها در آب وجود دارند.
—
77-7 ـ محدودیت EC
دو آب ممکن است EC مشابه داشته باشند ولی ترکیب یونی متفاوتی داشته باشند.
برای مثال مقدار کلسیم، منیزیم، سدیم و سایر یونها میتواند متفاوت باشد.
بنابراین EC ابزار غربالگری بسیار مفیدی است، اما برای بررسی دقیق مشکلات پلیمر، آنالیز یونها نیز ممکن است لازم باشد.
—
77-8 ـ سختی آب
سختی آب عمدتاً به حضور یونهایی مانند کلسیم و منیزیم مربوط است.
آب سخت میتواند رفتار پلیآکریلات را نسبت به آب کماملاح تغییر دهد.
پس ثبت سختی آب برای توسعه فرمول مفید است.
—
77-9 ـ pH آب
pH نیز باید در آزمایشها ثبت شود.
هدف لزوماً رسیدن به یک pH خاص نیست؛ بلکه مهم است که شرایط بین نمونهها قابل مقایسه باشد.
—
77-10 ـ مقایسه اولیه سه آب
یک طرح آزمایشی ساده:
نوع آب| هدف
آب مقطر| مرجع آزمایشگاهی
آب تصفیهشده| بررسی گزینه صنعتی
آب شهری| بررسی شرایط واقعی تولید
برای هر آب باید پلیمر یکسان و نسبت آب به پلیمر یکسان استفاده شود.
—
77-11 ـ آزمون ظرفیت جذب
برای هر نمونه:
[
A=\frac{M_{wet}-M_{dry}}{M_{dry}}
]
محاسبه شود.
مثلاً اگر ۱۰ گرم پلیمر خشک پس از آبگیری به ۸۱۰ گرم جرم مرطوب برسد:
[
A=\frac{810-10}{10}=80
]
یعنی ظرفیت جذب در آن شرایط آزمایش حدود ۸۰ گرم آب به ازای هر گرم پلیمر بوده است.
این عدد فقط نتیجه همان شرایط آزمایش است.
—
77-12 ـ اهمیت شرایط یکسان
اگر دمای آب، زمان آبگیری، روش اختلاط یا مقدار نمونه تغییر کند، مقایسه آبها ممکن است معتبر نباشد.
پس باید شرایط آزمون ثابت باشد.
—
77-13 ـ دمای آب
دمای آب را میتوان مثلاً در یک محدوده ثابت آزمایشگاهی تعیین کرد.
در تمام نمونهها باید همان دما استفاده شود.
ثبت دما در برگه آزمایش بسیار مفید است.
—
77-14 ـ زمان آبگیری
برای مقایسه بهتر میتوان زمانهای مختلف را بررسی کرد:
۵، ۱۵، ۳۰، ۶۰ و ۱۲۰ دقیقه
هدف مشخص کردن سرعت رسیدن به قوام پایدار است.
—
77-15 ـ جذب سریع
ممکن است دو پلیمر ظرفیت نهایی مشابهی داشته باشند اما یکی بسیار سریعتر آب بگیرد.
برای خط تولید، سرعت آبگیری اهمیت زیادی دارد زیرا زمان ماند در مخزن را تعیین میکند.
—
77-16 ـ آب آزاد
بعد از آبگیری باید مشخص شود چه مقدار آب به صورت آزاد باقی مانده است.
این شاخص برای ژلپک اهمیت زیادی دارد.
آب آزاد زیاد میتواند باعث:
– حرکت مایع؛
– تغییر شکل شدید؛
– افزایش فشار موضعی؛
– و احتمال نشتی
شود.
—
77-17 ـ آزمون ساده آب آزاد
نمونه ژل را پس از زمان مشخص روی یک توری یا سطح کنترلشده قرار دهید.
مایع جداشده را جمعآوری و وزن کنید.
سپس:
[
F=\frac{M_{free}}{M_{total}}\times100
]
را محاسبه کنید.
—
77-18 ـ اثر کلسیم
کلسیم میتواند تورم پلیآکریلات را کاهش دهد.
بنابراین اگر آب شهری کارخانه سخت باشد، نتیجه ممکن است با آب مقطر متفاوت باشد.
این تفاوت باید به صورت آزمایشگاهی اندازهگیری شود.
—
77-19 ـ اثر منیزیم
منیزیم نیز میتواند در رفتار تورمی پلیمر مؤثر باشد.
بنابراین در صورت وجود مشکل غیرمنتظره در جذب، بررسی سختی و ترکیب یونی آب مفید است.
—
77-20 ـ اثر نمکها
نمکهای محلول میتوانند بر فشار اسمزی و ساختار متورم پلیمر اثر بگذارند.
در بسیاری از سیستمهای پلیآکریلاتی، افزایش شوری با کاهش تورم همراه است.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
77-21 ـ چرا آب کماملاح همیشه ارزانتر نیست؟
آب کماملاح ممکن است مقدار پلیمر موردنیاز را کاهش دهد یا عملکرد آن را بهبود دهد.
اما تولید آب تصفیهشده نیز هزینه دارد.
پس باید هزینه کل سیستم بررسی شود، نه فقط قیمت هر لیتر آب.
—
77-22 ـ هزینه آب شهری
فرض کنید آب شهری بسیار ارزان باشد.
اگر استفاده از آن باعث افزایش اندک مصرف پلیمر شود، ممکن است همچنان از تصفیه آب ارزانتر باشد.
بنابراین باید اختلاف عملکرد با اختلاف قیمت مقایسه شود.
—
77-23 ـ هزینه آب تصفیهشده
هزینه آب تصفیهشده فقط قیمت آب خام نیست.
موارد زیر نیز اهمیت دارند:
– برق؛
– فیلتر؛
– ممبران؛
– تعویض قطعات؛
– پساب؛
– تعمیر و نگهداری؛
– نیروی انسانی.
—
77-24 ـ هزینه آب مقطر
تولید آب مقطر معمولاً برای حجمهای بسیار بزرگ اقتصادی نیست، مگر اینکه فرآیند خاصی به آن نیاز داشته باشد.
برای کارخانه ژلپک بهتر است ابتدا بررسی شود که آیا کیفیت آب RO برای محصول کافی است یا خیر.
—
77-25 ـ اسمز معکوس
سیستم RO میتواند بخش قابل توجهی از املاح آب را کاهش دهد.
اما میزان حذف به کیفیت آب ورودی و طراحی سیستم وابسته است.
بنابراین خروجی RO باید با EC و در صورت نیاز سایر پارامترها کنترل شود.
—
77-26 ـ انتخاب سطح تصفیه
سه سطح قابل بررسی:
آب شهری → آب RO → آب بسیار کماملاح
سپس باید بررسی شود که هر مرحله چه مقدار افزایش عملکرد ایجاد میکند.
ممکن است کاهش بیشتر املاح بعد از یک نقطه، سود اقتصادی محسوسی نداشته باشد.
—
77-27 ـ نقطه اقتصادی تصفیه
فرض کنیم:
– آب شهری: هزینه پایین؛
– آب RO: هزینه متوسط؛
– آب بسیار خالص: هزینه بالا.
اگر تفاوت عملکرد پلیمر بین RO و آب بسیار خالص ناچیز باشد، استفاده از آب بسیار خالص توجیه اقتصادی کمتری خواهد داشت.
—
77-28 ـ شاخص اقتصادی پلیمر
میتوان تعریف کرد:
[
I_p=\frac{M_p}{M_w}
]
که مقدار پلیمر مصرفی نسبت به آب را نشان میدهد.
هرچه I_p کمتر باشد، مصرف پلیمر نسبت به آب کمتر است؛ اما تنها در صورتی مطلوب است که کیفیت ژل همچنان قابل قبول باشد.
—
77-29 ـ هزینه پلیمر
هزینه پلیمر:
[
C_p=M_p\times P_p
]
است.
که:
– M_p: جرم پلیمر؛
– P_p: قیمت هر واحد جرم پلیمر.
—
77-30 ـ هزینه کل آب و پلیمر
[
C_{raw}=M_pP_p+M_wP_w
]
است.
در تولید واقعی باید فیلم، دوخت، نیروی انسانی، انرژی و ضایعات نیز به این مقدار اضافه شوند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
77-31 ـ مثال اقتصادی
فرض کنید برای تولید یک بسته:
– ۱ کیلوگرم آب؛
– ۱۰ گرم پلیآکریلات
استفاده شود.
اگر آزمایش نشان دهد با آب RO میتوان مقدار پلیمر را از ۱۰ به ۸ گرم کاهش داد، صرفهجویی پلیمر:
[
2g
]
برای هر بسته خواهد بود.
ارزش این صرفهجویی باید با هزینه تصفیه همان مقدار آب مقایسه شود.
—
77-32 ـ محاسبه در تولید ۱۰ هزار بسته
اگر صرفهجویی ۲ گرم برای هر بسته باشد:
[
10000\times2=20000g
]
یعنی:
۲۰ کیلوگرم پلیمر
صرفهجویی میشود.
اکنون باید هزینه تولید آب RO برای این مقدار تولید محاسبه شود.
—
77-33 ـ هزینه تصفیه به ازای هر کیلو آب
بهتر است هزینه سیستم تصفیه به صورت هزینه هر کیلو یا لیتر آب تصفیهشده محاسبه شود.
سپس:
[
C_{water,total}=M_w\times C_{water}
]
محاسبه میشود.
—
77-34 ـ نسبت صرفهجویی
یک شاخص ساده:
[
S=C_{polymer,saved}-C_{water,treatment}
]
است.
اگر S مثبت باشد، صرفهجویی مستقیم مواد اولیه بیشتر از هزینه اضافی تصفیه است.
اما هزینه سرمایهگذاری دستگاه نیز باید جداگانه بررسی شود.
—
77-35 ـ هزینه سرمایهای
خرید دستگاه RO یک هزینه اولیه ایجاد میکند.
برای محاسبه اقتصادی کامل باید هزینه سرمایهگذاری در طول عمر مورد انتظار دستگاه سرشکن شود.
مثلاً:
[
C_{capital/unit}=
\frac{C_{equipment}}{N_{lifetime}}
]
که N_{lifetime} تعداد واحدهای تولیدشده در دوره مورد بررسی است.
—
77-36 ـ ظرفیت دستگاه تصفیه
اگر کارخانه در ساعت ۵۰۰ لیتر آب مصرف کند، دستگاهی که توان واقعی آن فقط ۱۰۰ لیتر در ساعت است، نمیتواند به تنهایی نیاز خط را تأمین کند.
بنابراین ظرفیت مخزن و دستگاه تصفیه باید با مصرف تولید هماهنگ شود.
—
77-37 ـ مخزن آب تصفیهشده
وجود یک مخزن ذخیره میتواند تولید را از نوسانات لحظهای ظرفیت RO جدا کند.
اما مخزن باید:
– تمیز؛
– بسته یا محافظتشده؛
– قابل شستوشو؛
– و مناسب تماس با آب فرآیندی
باشد.
—
77-38 ـ کنترل EC مخزن
EC آب تصفیهشده باید به صورت دورهای کنترل شود.
اگر EC خروجی RO به تدریج افزایش پیدا کند، میتواند نشانه تغییر شرایط سیستم یا نیاز به سرویس باشد.
—
77-39 ـ تعریف مشخصات آب تولید
برای خط تولید بهتر است یک مشخصات داخلی برای آب تعریف شود.
مثلاً:
پارامتر| روش کنترل
EC| متر EC
pH| pH متر
سختی| کیت یا آزمایشگاه
ظاهر| مشاهده
بو| مشاهده
دما| دماسنج
مقادیر مجاز باید براساس آزمون واقعی محصول تعیین شوند.
—
77-40 ـ آب و تکرارپذیری تولید
اگر امروز آب شهری EC پایین و ماه بعد EC بالاتری داشته باشد، ممکن است رفتار پلیمر تغییر کند.
تصفیه کنترلشده میتواند یکی از ابزارهای افزایش تکرارپذیری تولید باشد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
77-41 ـ آیا همیشه باید از آب RO استفاده کرد؟
خیر.
اگر آزمون نشان دهد آب شهری عملکرد موردنیاز را ایجاد میکند و تغییرات آن قابل کنترل است، استفاده مستقیم از آب شهری میتواند از نظر اقتصادی مناسب باشد.
تصمیم باید بر اساس داده باشد.
—
77-42 ـ آیا آب مقطر بهترین گزینه است؟
برای آزمایش مرجع، آب مقطر میتواند بسیار مفید باشد.
اما برای تولید انبوه، ممکن است آب RO یا حتی آب شهری کنترلشده اقتصادیتر باشد.
—
77-43 ـ طراحی آزمون مقایسهای
سه نمونه با پلیمر یکسان تهیه کنید:
نمونه A: آب مقطر
نمونه B: آب RO
نمونه C: آب شهری
برای هر نمونه:
– جرم پلیمر؛
– جرم آب؛
– EC؛
– pH؛
– زمان آبگیری؛
– ظرفیت جذب؛
– آب آزاد؛
– قوام
ثبت شود.
—
77-44 ـ مرحله دوم آزمون
پس از انتخاب دو آب مناسبتر، نسبتهای مختلف پلیمر را آزمایش کنید.
مثلاً:
آب| پلیمر
۱۰۰۰ گرم| ۵ گرم
۱۰۰۰ گرم| ۷.۵ گرم
۱۰۰۰ گرم| ۱۰ گرم
۱۰۰۰ گرم| ۱۲.۵ گرم
۱۰۰۰ گرم| ۱۵ گرم
هدف تعیین حداقل پلیمر قابل قبول در هر نوع آب است.
—
77-45 ـ مرحله سوم: انجماد
فرمولهای منتخب را داخل کیسه واقعی قرار دهید.
سپس:
1. جرم بسته را ثبت کنید؛
2. دمای اولیه را اندازه بگیرید؛
3. در شرایط ثابت منجمد کنید؛
4. دمای مرکز را ثبت کنید؛
5. زمان رسیدن به دمای هدف را مشخص کنید.
—
77-46 ـ مرحله چهارم: ذوب
پس از انجماد، بستهها در شرایط یکسان قرار داده شوند.
ثبت کنید:
– دمای سطح؛
– دمای مرکز؛
– زمان رسیدن به دمای مشخص؛
– مدت حفظ دمای هدف؛
– آباندازی؛
– تغییر شکل.
—
77-47 ـ مقایسه نهایی
در پایان باید به جای یک شاخص، مجموعهای از شاخصها مقایسه شود:
شاخص| آب مقطر| RO| شهری
جذب| ثبت| ثبت| ثبت
زمان آبگیری| ثبت| ثبت| ثبت
آب آزاد| ثبت| ثبت| ثبت
هزینه آب| ثبت| ثبت| ثبت
مصرف پلیمر| ثبت| ثبت| ثبت
زمان انجماد| ثبت| ثبت| ثبت
ظرفیت سرمایشی| ثبت| ثبت| ثبت
—
77-48 ـ فرمول انتخاب آب اقتصادی
میتوان تابع هزینهای مانند زیر تعریف کرد:
[
C_{total}=C_p+C_w+C_t+C_e+C_f+C_l+C_q
]
که شامل:
– پلیمر؛
– آب؛
– تصفیه؛
– انرژی؛
– فیلم؛
– نیروی کار؛
– کنترل کیفیت
است.
آب مناسب، آبی است که در کنار کیفیت موردنیاز، هزینه کل سیستم را نیز منطقی نگه دارد.
—
77-49 ـ دستورالعمل پیشنهادی برای تولیدکننده
برای شروع یک پروژه واقعی:
مرحله ۱: آب شهری را آزمایش کنید.
مرحله ۲: EC، pH و سختی را ثبت کنید.
مرحله ۳: همان آب را با آب RO مقایسه کنید.
مرحله ۴: ظرفیت جذب پلیآکریلات را در هر دو آب اندازه بگیرید.
مرحله ۵: آب آزاد و قوام را مقایسه کنید.
مرحله ۶: چند نسبت آب به پلیمر را آزمایش کنید.
مرحله ۷: نمونهها را داخل فیلم واقعی تولید کنید.
مرحله ۸: انجماد، ذوب، نشتی و دوام را بررسی کنید.
مرحله ۹: هزینه تمامشده را محاسبه کنید.
مرحله ۱۰: مشخصات آب فرآیندی را در دستورالعمل تولید قفل کنید.
—
77-50 ـ جمعبندی فصل
آب یکی از مهمترین متغیرهای تولید ژلپک پلیآکریلاتی است و انتخاب آن نباید فقط براساس قیمت هر لیتر انجام شود.
سه گزینه اصلی برای بررسی عبارتاند از:
آب شهری، آب تصفیهشده مانند RO و آب مقطر یا بسیار کماملاح.
آب کماملاح میتواند در بسیاری از سیستمهای پلیآکریلاتی باعث افزایش تورم و جذب نسبت به آب دارای املاح بیشتر شود، اما این موضوع باید برای پلیمر و آب مورد استفاده در کارخانه به صورت آزمایشگاهی تأیید شود.
از طرف دیگر، استفاده از آب بسیار خالص ممکن است هزینه تصفیه را افزایش دهد بدون اینکه مزیت اقتصادی قابل توجهی ایجاد کند.
بنابراین بهترین روش، طراحی یک آزمون مقایسهای است.
در این آزمون باید حداقل موارد زیر ثبت شوند:
EC، pH، سختی، ظرفیت جذب، زمان آبگیری، آب آزاد، قوام، مقدار پلیمر، زمان انجماد، عملکرد حرارتی و هزینه.
معادله ساده هزینه مواد اولیه:
[
C_{raw}=M_pP_p+M_wP_w
]
و در حالت کاملتر:
[
C_{total}=C_p+C_w+C_t+C_e+C_f+C_l+C_q
]
است.
همچنین باید توجه داشت که کاهش مصرف پلیمر همیشه به معنی افزایش سود نیست؛ زیرا اگر آب نامناسب باعث افت شدید جذب شود، ممکن است برای رسیدن به قوام موردنیاز مجبور به افزایش پلیمر شوید.
برای یک تولیدکننده، راهبرد منطقی این است که ابتدا آب شهری موجود را آزمایش کند، سپس آن را با آب RO مقایسه کند و تنها در صورتی سرمایهگذاری در تصفیه بیشتر را انجام دهد که دادههای واقعی نشان دهند این کار باعث کاهش هزینه یا افزایش قابل توجه تکرارپذیری و کیفیت محصول میشود.
در نهایت، مشخصات آب باید مانند سایر مواد اولیه در سیستم کنترل کیفیت ثبت شود؛ زیرا تغییر کیفیت آب میتواند بدون تغییر فرمول اعلامشده، عملکرد واقعی ژلپک را تغییر دهد.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۷۸
روش تعیین دقیق مقدار پلیآکریلات سدیم برای هر کیلوگرم آب در ژلپک؛ طراحی جدول نسبتهای ۳، ۵، ۷، ۱۰، ۱۲، ۱۵ و ۲۰ گرم پلیمر، اندازهگیری جذب واقعی، آب آزاد، قوام، زمان انجماد و تعیین فرمول اقتصادی نهایی برای تولید انبوه
۰ دیدگاه