فصل سوم: مواد و روش انجام آزمایش‌ها                                                                                                                               28
3-1 مواد مورد استفاده……………………………………………………………………………………………………………………………….. 28
3-1-1 پارچه پنبه-پلی‌استر و پنبه خالص……………………………………………………………….. 28
3-1-2 کربنات سدیم………………………………………………………………………………………………………………………………… 29
3-1-3 آنزیمهای مورد استفاده در هیدرولیز آنزیمی…………………………………………………………………………………………. 29
3-1-4 مخمر استفاده شده  در تخمیر…………………………………………………………………………………………………………….. 29
3-1-5 کیت گلوکز…………………………………………………………………………………………………………………………………… 29
3-1-6 سایر مواد مورد نیاز…………………………………………………………………………………………………………………………. 29
3-2 مخلوط میکروبی…………………………………………………………………………………………………………………………………. 29
3-3 تجهیزات به کار رفته…………………………………………………………………………………………………………………………….. 30
3-3-1 حمام روغن…………………………………………………………………………………………………………………………………… 30
3-3-2 حمام آب……………………………………………………………………………………………………………………………………… 30
3-3-3 اتوکلاو………………………………………………………………………………………………………………………………………… 30
3-3-4 کوره……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 30
3-3-5 آون…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 30
3-3-6 راکتور…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 30
3-3-7 شیکر انکوباتور………………………………………………………………………………………………………………………………. 30
3-3-8 سانتریفوژ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 31
3-3-9 اسپکتروفوتومتر………………………………………………………………………………………………………………………………. 31
3-3-10 دستگاه کروماتوگرافی گازی…………………………………………………………………………………………………………… 31
3-3-11……… دستگاه کروماتوگرافی مایع با بازده بالا                                     31
3-3-12……… سایر تجهیزات مورد نیاز……………………………………………………………………… 32
3-4 روش انجام آزمایش‌ها…………………………………………………………………………………………………………………………. 32
3-4-1 تعیین مقدار جامدات کل و جامدات فرار……………………………………………….. 32
3-4-2 آنالیز ترکیب‌ها……………………………………………………………………………………………………….. 33
3-4-3 ……… عملیات پیش‌فرآوری……………………………………………………………………………………… 33
3-4-4 آزمایش تولید بیوگاز در سیستم ناپیوسته…………………………………………….. 34
3-4-5 اندازه‌گیری و آنالیز بیوگاز تولید شده…………………………………………….. 35
3-4-6 هیدرولیز آنزیمی…………………………………………………………………………………………………….. 36
3-4-7 ……… تعیین میزان قند آزاد شده از هیدرولیز آنزیمی                   36
3-4-8 تخمیر…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 37
3-4-9 ظرفیت جذب آب…………………………………………………………………………………………………………………………… 37
3-4-10 ……. بررسی ساختار ترکیب‌ها…………………………………………………………………………… 37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل چهارم: ارائه و تحلیل نتایج                                                                           Error! Bookmark not defined.
4-1 مشخصات مخلوط میکروبی…………………………………………………………………………………………………………………… 38
4-2 پیش‌فرآوری………………………………………………………………………………………………………………………………………… 39
4-2-1 ……… مقدار جامدات کل و جامدات فرار پنبه و پارچه                      39
4-2-2 ……… بررسی تغییرات سطح پنبه در اثر پیش‌فرآوری با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی رویشی…………………………………………………………………………………………….. 40
4-2-3 نتایج حاصل از FTIR و بررسی بلورینگی و ساختار سلولز………………………………………………………………………. 42

 

 

 

 

 

 

 

 

نه

 

4-2-4 ……… نتایج میزان جذب آب نمونه ها………………………………………………………… 44
4-3 ترکیب درصد فاز جامد و مایع بدست‌آمده‌از پیش‌فرآوری…………………………………………………………………………. 46
4-3-1 موازنه جرم کلی فرآیند……………………………………………………………………………………….. 46
4-3-2 ……… ترکیبات محلول حاصل از پیش‌فرآوری……………………………………………… 46
4-3-3 ترکیبات جامد باقی‌مانده از پیش‌فرآوری……………………………………………….. 46
4-3-4 ……… بررسی ساختار پلی‌استر…………………………………………………………………………… 47
4-4 تولید بیوگاز……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 48
4-4-1 ……… مقادیر متان حاصل از هضم بی‌هوازی……………………………………………… 48
4-4-2 کیفیت بیوگاز تولیدی………………………………………………………………………………………….. 52
4-5 نتایج تولید اتانول…………………………………………………………………………………………………………………………………. 53
4-5-1 ……… نتایج حاصل از هیدرولیز آنزیمی…………………………………………………… 53
4-5-2 ……… نتایج حاصل از تخمیر……………………………………………………………………………… 55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل پنجم:نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات
5-1 مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 57
5-2 نتایج کلی حاصل از تحقیق……………………………………………………………………………………………………………………. 57
5-3 پیشنهاد ها…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 59
مراجع…………………………………………. 60
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
فهرست شکل‌ها
 
 
عنوان…………………………………………. صفحه
 
شکل ‏1‑1-مراحل انجام این پروژه 4
شکل ‏2‑1-مراحل کلی تولید بیوگاز 9
شکل ‏2‑2-روند کلی مدیریت ضایعات نساجی 13
شکل ‏2‑3- نمودار طبقه بندی الیاف 14
شکل ‏2‑4- ساختمان شیمیایی پلی‌استرهای مورد استفاده در تهیه لیف 16
شکل ‏2‑5-مکانیزم هیدرولیز قلیایی پلی‌استر 17
شکل ‏2‑6- گیاه پنبه 18
شکل ‏2‑7- تصویر سطح مقطع طولی و عرضی الیاف پنبه 19
شکل ‏2‑8- ساختار لیف پنبه 19
شکل ‏2‑9- شمایی از پیوند هیدروژنی و اتصالات (1→4) بتا گلوکوسایدی 21
شکل ‏2‑10-ساختار سلولز 22
شکل ‏2‑11- واحد تکرارشونده تشکیل‌دهنده سلولز 22
شکل ‏3‑1- تصویر پارچه و پنبه مورد استفاده در پیش‌فرآوری قلیایی 28
شکل ‏3‑2- طراحی آزمایش به شکل فاکتوریل کامل برای پیش‌فرآوری قلیایی 34
شکل ‏3‑3-منحنی برازش خطی استاندارد متان و CO₂ 35
شکل ‏4‑1-تصویر SEM از نمونه  پنبه خام  با بزرگنمایی 500 و 1000 40
شکل ‏4‑2-تصویر SEM از نمونه پنبه پیش‌فرآوری شده 41
شکل ‏4‑3-تصویر SEM از نمونه الیاف پنبه موجود در پارچه پنبه-پلی‌استر 42
شکل ‏4‑4- تصویر SEM از نمونه الیاف پنبه باقیمانده از پارچه پنبه-پلی‌استر پیش‌فرآوری شده 41
شکل ‏4‑5- نمودار جذب بر حسب عدد طول موج حاصل از آنالیز FTIR نمونه‌های پنبه 42
شکل ‏4‑6- نمودار جذب حاصل از آنالیز FTIR نمونه‌های پلی‌استر 47
شکل ‏4‑7-نمودار میله‌ای تجمعی میزان تولید متان از نمونه پارچه 49
شکل ‏4‑8-نمودار میله‌ای تجمعی میزان تولید متان از نمونه پنبه 50
شکل ‏4‑9-نمودار  میله ای تجمعی تولید متان نمونه های پارچه، پنبه و نمونه ویسکوز 50
شکل ‏4‑10-نمودار میزان تجمعی متان تولیدی از نمونه پارچه 51
شکل ‏4‑11-نمودار میزان تجمعی متان تولیدی از نمونه پنبه 51
شکل ‏4‑12- بازده هیدرولیز آنزیمی نمونه‌های پیش‌فرآوری شده پارچه 63
شکل ‏4‑13- بازده هیدرولیز آنزیمی نمونه‌های پنبه 63
شکل ‏4‑14- بازده اتانول حاصل از تخمیر نمونه‌های پارچه و پنبه 56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

یازده

 

 
فهرست جداول
 
عنوان…………………………………………. صفحه
 
جدول ‏2‑1- جدول گروه‌بندی حلال‌های سلولز[52] 23
جدول ‎4‑1-غلظت و درصد جامدات کل و فرار مخلوط میکروبی.. 39
جدول ‎4‑2-درصد جامدات کل و جامدات فرار مربوط به پنبه و پارچه پیش‌فرآوری شده و خام. 39
جدول ‎4‑3- میزان جذب بدست‌آمده از نمودار FTIR مربوط به گروه‌های عاملی مختلف…. 43
جدول ‎4‑4 شاخص بلورینگی نمونه‌های پیش‌فرآوری شده و پیش‌فرآوری نشده -. 44
جدول ‎4‑5- ظرفیت جذب آب مربوط به پنبه پیش‌فرآوری شده و خام. 45
جدول ‎4‑6- ظرفیت جذب آب مربوط به پارچه پیش‌فرآوری شده و خام. 45
جدول ‎4‑7- نتایج حاصل از آنالیز FTIR نمونه‌های پلی‌استر. 47
جدول ‎4‑8- نسبت‌های جذبی نمونه‌ِ‌‌های  پلی‌استر. 48
جدول ‎4‑9- کیفیت بیوگاز تولیدی از پارچه، پنبه و نمونه ویسکوز. 52
جدول ‎4‑10- غلظت اتانول تولیدی پس از 24 ساعت تخمیر پارچه و پنبه پیش‌فرآوری شده و نشده. 55

 

 

 

 

 

 

 

 

دوازده

 

 

1        فصل اول

 

 

فصل اول: مقدمه

 

 

1-1              اهمیت پروژه

 

 

بشر از هزاران سال پیش از میلاد مسیح با اهداف گوناگونی از الیاف نساجی استفاده می‌کند. گرچه تاریخچه مستندی از تکامل صنعت نساجی در دست نیست اما در ابتدا الیاف نساجی برای حمل مواد غذایی و در تهیه حصیر به عنوان سرپناه به‌کار می رفتند. در مراحل بعدی تکامل، الیاف نساجی به عنوان البسه مورد استفاده قرار‌گرفتند و امروزه در زمینه‌های گوناگونی چون پوشاک، وسایل خانه و صنایع کاربرد دارند[1].
به دلیل افزایش جمعیت و ارتقاء سطح استانداردهای زندگی مصرف الیاف[1] در چند دهه اخیر به شدت افزایش یافته است. به طوری که در سال 2012 حجم تولیدات نساجی با 9/1 % افزایش به 5/88 میلیون تن رسید.گرچه ممکن است این الیاف پس از پایان طول عمر به نحوی دوباره در غالب محصولی دیگر مورد استفاده قرار گیرند، اما در نهایت دیر یا زود به عنوان زباله دور ریخته می‌شوند و الیاف جدید جایگزین الیاف فرسوده و کهنه می شوند]2و3[.
تولید بیشتر به معنی مواد پسماند بیشتر، و همچنین اثرات زیست‌محیطی مخرب‌تر است. امروزه مواد پسماند نساجی[2] عمدتا توسط: استفاده مجدد(کالاهای نساجی دست دوم)[3]، استفاده مجدد در تولیدات(به عنوان ماده پرکنندهو استفاده در سایر بخش‌های صنعت نساجی)[4]، بازیافت[5](پلی استر)، تهیه کود کمپوست، دفن و یا سوزاندن [6]مدیریت می‌شوند. برخی از کارشناسان روش سوزاندن را برای تبدیل مواد پسماند به انرژی پیشنهاد می کنند، اما این روش با آزادسازی مواد سمی چون دیوکسین‌ها[7]، فلزات سنگین، اسید، گاز و ذرات گرد و غبار همراه است که همگی برای سلامت انسان و محیط زیست مضر هستند. همچنین سوزاندن مواد پسماند نیاز به تجهیزات پیشرفته دارد و حذف کامل مواد خطرناک نیز غیر ممکن است. دفن مواد پسماند به سبب ایجاد گازهای سمی آلوده کننده محیط زیست و هزینه بالایی که دربر دارد، آخرین و ناکارآمدترین راهکار جهت دفع مواد پسماند نساجی است[2]. بیش از 90%  الیاف نساجی قابل بازیافت اند که یکی از راهکارهای دوستدار محیط زیست جهت دفع مواد پسماند نساجی است. اما فقدان روش مقرون به صرفه بازیافت در مقیاس وسیع و همچنین تنوع زیاد الیاف و رنگ های به کار رفته در پارچه از جمله محدودیت های این روش محسوب می شوند[3].
به دلیل نگرانی های اقتصادی و زیست محیطی در چند دهه اخیر تحقیقات بسیاری جهت یافتن منابع انرژی تجدید پذیر قابل جایگزینی با سوخت های فسیلی صورت گرفته است. بیوگاز یکی از سوخت های زیستی است که از طریق هضم بی‌هوازی[8] بسترهای آلی بدست می‌آید و می‌تواند در تولید حرارت و نیرو جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی باشد یا حتی به عنوان سوخت وسایط نقلیه گازسوز مورد استفاده قرار گیرد. این سوخت بیولوژیک مزایای فراوانی از جمله قابلیت تجدیدپذیری، کاهش آزادسازی گازهای گلخانه‌ای[9] و تخفیف گرم شدن زمین در اثراین گازها، کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، انعطاف‌پذیری در مصرف نهایی و استفاده از مواد پسماند به عنوان ماده اولیه به‌همراه دارد[4].
حدود 6/31 % از الیاف تولیدی نساجی را الیاف پنبه ای[10] تشکیل می دهند. الیاف جامدهای غنی از سلولز هستند که می توانند به عنوان خوراک در فرآیند هضم بی‌هوازی مورد استفاده قرار گیرند. با این وجود، تولید مناسب بیوگاز از مواد پسماند نساجی نیازمند توسعه فرآیند مناسب می‌باشد[5].
اگر مواد پسماند پنبه‌ای به طور مستقیم در فرآیند بیوگاز به عنوان خوراک استفاده شود به بازده تولید متان مطلوبی بدست نمی‌آید. بنابراین جهت افزایش بازده لازم است که فرآیند‌های مقدماتی پیش‌فرآوری[11] روی مواد پسماند صورت گیرد[6].
به کمک انجام عملیات پیش‌فرآوری مناسب بر روی مواد پسماند نساجی می‌توان به اهدافی چون تشکیل ساختاری سلولزی با بلورینگی کمتر، کاهش ناخالصی‌های موجود در کالا و همچنین افزایش سطح در دسترس سوبسترا دست یافت[7].

 

 

1-2               هدف

 

 

در این تحقیق پیش‌فرآوری کربنات سدیم جهت بهبود تولید بیوگاز از پارچه پنبه-پلی‌استر به عنوان هدف اصلی مورد نظر قرارگرفت و شرایط بهینه تولید بیوگاز حاصل گردید. نمونه پنبه‌ای جهت مقایسه تحت شرایط دمایی و غلظتی مشابه پارچه پنبه-پلی‌استر پیش‌فراوری شد. بررسی میزان بهبود تولید اتانول و افزایش سطح در دسترس آنزیمی نمونه‌های پنبه و پارچه در اثر اعمال پیش‌فرآوری از اهداف فرعی پروژه بود. بررسی میزان جداسازی جزء پنبه از پلی‌استر در عملیات پیش‌فرآوری در دمای 150درجه سانتی‌گراد و غلظت 5/0 مولار نیز از اهداف فرعی پروژه بود. نوآوری این پروژه اثر محلول قلیایی بر کاهش بلورینگی و ناخالصی جزء پنبه‌ای و همچنین هیدرولیز همزمان بیش از 97 درصد بخش پلی‌استری در دمای 150 درجه است. مراحل انجام کار در شکل ‏1‑1 ملاحظه می‌شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

پنبه

 

 

 

 

 

 

 

 

پارچه

 

 

 

 

 

 

 

 

پیش‌فرآوری

 

 

 

 

 

 

 

 

تولید بیوگاز

 

 

 

 

 

 

 

 

هیدرولیز آنزیمی