آلودگی آب عبارت است از افزایش مقدار هر معرف اعم از شیمیایی، فیزیکی یا بیولوژیکی که موجب تغییر خواص و نقش اساسی آن در مصارف ویژه‌اش شود. آلودگی آب‌ها بوسیله ضایعات کارخانجات تولید پارچه، کاغذ، چرم و صنایع داروسازی بوجود می‌آیند که این پساب‌ها درصد حذف مواد آلی ( COD ) و رنگ بالایی داشته و محیط زیست را شدیدا آلوده می‌کنند]1[.
رنگ‌ها مهم ترین آلوده‌کننده‌ها هستند و علت بوجود آمدن مشکلات زیستی، بهداشتی و سلامتی برای انسان‌ها و سایر موجودات زنده می‌باشند. مصرف این آب‌های آلوده تهدیدی جدی برای محیط زیست است ]3،2[. برای مثال، صنایع نساجی باعث تولید آلودگی آب‌ها می‌شوند. پساب خروجی‌ صنایع نساجی شامل مواد رنگی، جامدات سوسپانسه، ترکیبات آلی کلردار و برخی فلزات سنگین است که دارای pH و دمای گوناگونی هستند]4[.
در طی فرآیند رنگ‌سازی %15-1 آلودگی رنگ وارد محیط زیست می‌شود. تصفیه این آب‌های آلودگی رنگی یک مسأله‌ی مهم برای صنایع می‌باشد. همچنین ترکیبات سمی بطور قابل توجهی از طریق فاضلاب‌های صنایع مختلف وارد محیط زیست می‌شود. این ترکیبات عمدتا قابلیت تجزیه حیاتی پایینی دارند و باعث آلودگی شدید محیط زیست می‌گردند]2،5،6[.
 3 نوع روش تصفیه آب‌های آلوده شناخته شده‌اند: فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی]7[ .
اغلب ترکیبات آلی آروماتیک نسبت به تخریب بیولوژیکی مقاوم هستد و روش‌های بیولوژیکی تصفیه مانند جذب سطحی توسط کربن فعال و یا روش انعقاد شیمیایی و لخته‌سازی و تکنیک اسمز معکوس بدین منظور چندان موثر نیستند چرا که این روش‌ها عمدتا آلودگی را از فاز آبی به پساب جامد انتقال می‌دهند و پسماند ثانویه‌ای تولید می‌شود که نیاز به تصفیه بیشتر دارد]8،9،6[ .
در دو دهه‌ی گذشته تلاش‌های زیادی برای حذف این ترکیبات آلاینده از محیط‌های آبی صورت گرفته است. از جمله‌ی این روش‌ها می‌توان به فرآیند‌های اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) و استفاده از روش امواج التراسونیک اشاره نمود]10 [.
سونوشیمی زیست‌محیطی به عنوان یک شاخه علمی رو به رشد می‌باشد که به بحث در مورد تخریب ترکیبات آلی در محلول‌های آبی توسط امواج ماورای صورت می‌پردازد، این روش به عنوان یکی از روش‌های اکسیداسیون پیشرفته طبقه‌بندی می‌شود]11[. کارایی امواج ماورای صوت (US) در حذف ترکیبات آلی به تنهایی قابل توجه نمی‌باشد، بنابراین تلاش‌های زیادی برای افزایش سرعت فرایند صورت گرفته است]12 [.

2-1- آلودگی آب ها
با توجه به مطالب فوق جلوگیری از آلودگی آب‌ها و تصفیه آب‌های آلوده به عنوان یک ضرورت حیاتی مطرح است که در قدم نخست باید عوامل آلوده‌کننده را شناخت که این عوامل در سه گروه اصلی طبقه‌بندی می‌شوند:
1- فاضلاب‌ها و پساب‌ها
2- آلودگی‌های کشاورزی
3- سایر آلوده‌کننده‌ها
3-1- روش‌های نوین تصفیه آب‌های آلوده
1-3-1- استفاده از فرایند‌های اکسیداسیون پیشرفته
محققین متعددی فعالیت خود را بر روی دسته‌ای از روش‌های اکسیداسیون تحت عنوان فرایند‌های اکسیداسیون پیشرفته متمرکز نموده‌اند. ویژگی عمده این فرآیند‌ها این است که در دما و فشار محیط قابل انجام هستند. اگرچه فرایند‌های اکسیداسیون پیشرفته به دستجات متعددی مانند: UV/O3، UV/H2O2، UV/TiO2، US و فتولیز مستقیم توسط اشعه UV تقسیم می‌شوند، ولی ویژگی مشابه عمده آن‌ها تولید حد واسط‌های فعال با عمر کوتاه حاوی اکسیژن مانند رادیکال هیدروکسیل می‌باشد. رادیکال‌های هیدروکسیل گونه‌های اکسیدکننده بسیار فعالی هستند که با ثابت سرعت بالا (106-109M-1s-1) به ترکیبات آلی حمله نموده و آن‌ها را تخریب می‌نمایند.
انتخاب‌گری رادیکال‌های هیدروکسیل در حمله به آلاینده‌های آلی خیلی کم است، این ویژگی در واقع یک خاصیت مفید برای یک اکسیدکننده است است که در تصفیه پساب و به منظور حل مسایل و مشکلات آلاینده‌ها استفاده می‌شود. از آنجا که فرایند‌های اکسیداسیون پیشرفته از واکنشگر‌های گران‌قیمتی نظیر H2O2 و یا O3 استفاده می‌کنند، بنابراین در مواقعی که از فرایند‌های اقتصادی‌تری نظیر تخریب بیولوژیکی نتوان برای حذف آلاینده‌ها بهره برد، می‌توان فرایند‌های اکسیداسیون پیشرفته را جایگزین فرایند‌های مذکور نمود.
همانطوریکه در شکل 1-1 نشان داده شده است فرایند‌های اکسیداسیون پیشرفته به سه دسته فرایند‌های اکسیداسیونی، فتوکسیداسیونی و فتوکاتالیستی تقسیم‌بندی می‌شوند. در فرایند‌های فتواکسیداسیونی از ترکیب اشعه فرابنفش با یک اکسیدکننده نظیر H2O2 و یا O3 استفاده می‌شود و در فرایند های فوتوکاتالیستی از ترکیبات اشعه فرابنفش و یک فتوکاتالیزور نیمه‌رسانا نظیر ZnO، TiO2 و… استفاده می‌شود. بطور کلی فرایند‌های اکسیداسیون پیشرفته بر واکنش‌های تخریبی اکسیداسیونی متکی هستند که در طی این فرایندها رادیکال‌های آلی در اثر فتولیز آلاینده آلی و یا از طریق واکنش با رادیکال هیدروکسیل تولید می‌گردند. در مرحله بعد این حد واسط‌های رادیکالی توسط اکسیژن محلول به دام افتاده و از طریق رادیکال‌های پراکسیل منجر به پیشرفت و در نهایت کامل شدن فرایند معدنی‌سازی می‌شوند]13،14[.
2-3-1- کاربرد امواج التراسونیک در تصفیه آب
در دهه‌های اخیر التراسوند در یک جایگاه مهمی در فرآیند‌های مختلف صنایع مثل تصفیه آب های آلوده ،پزشکی و … جای گرفته است و در حفاظت محیطی شروع به یک انقلاب جدیدی کرده است.
4-1- قوانین التراسوند
اثرات شیمیایی و بیولوژیکی التراسوند برای اولین بار در سال 1927 توسط لومیس ارائه شد. بطور معمول برای یک شیمیدان، صوت به عنوان اولین صورت از انرژی برای فعال کردن یک واکنش شیمیایی مورد توجه قرار نمی‌گیرد. امروزه دانشمندان زیادی به یک موضوع تحقیقاتی جدید به نام سونوشیمی[1] علاقمند شده اند. این اصطلاح اساساً برای توصیف تأثیر امواج ماورای صوت بر واکنش‌های شیمیایی، همچنین به فرایندهایی که انرژی ماورای صوت در آن‌ها مورد استفاده است، به کار می‌رود. این اسم از یک پیشوند به نام سونو که نشان‌دهنده‌ی صوت است مشتق شده است، مانند تکنیک‌های قدیمی‌تری نظیر فوتوشیمی و الکتروشیمی که نور و الکتریسیته را برای رسیدن به فعالیت شیمیایی مورد استفاده قرار می‌دهند. در هر حال برخلاف بسیاری از تکنولوژی‌های شیمیایی که نیاز به برخی خاصیت‌های خاص سیستم است تا مورد استفاده قرار گیرند، مانند استفاده از ماکروویو (گونه‌های دوقطبی)، الکتروشیمی (محیط هادی) و فوتوشیمی (حضور کورموفور: گروهی است که قادر است توسط تابش نور فعال شود)، در امواج ماورای صوت تنها نیاز به حضور یک مایع برای انتقال انرژی آن است. از این نظر سونوشیمی می‌تواند به عنوان یک روش عمومی فعالسازی مانند ترموشیمی (گرما) و پیزوشیمی (فشار) مورد توجه قرار گیرد]15[.
1-4-1- انرژی صوت
صوت با ایجاد حرکت ارتعاشی مولکول‌های محیطی که از آن گذر می‌کند انتقال می‌یابد. این حرکت می‌توانند مانند موج‌های ایجاد شده ناشی از انداختن سنگ کوچکی در استخر آب ساکن تجسم شود. امواج حرکت می‌کنند اما مولکول‌های آب که موج را تشکیل داده‌اند بعد از عبور موج به محل ابتدایی خود برمی‌گردند. امواج صوتی می‌تواند به صورت یک سری خطوط عمودی یا رنگ سایه‌زده‌شده نشان داده شود که فاصله بین خطوط یا میزان پررنگی سایه نشان‌دهنده شدت است یا ممکن است به صورت یک موج سینوسی نشان داده شود (شکل 2-1) در اینجا PA فشار محیطی در سیال و موج سینوسی تغییرات فشار نسبت به مکان را در یک زمان ثابت نشان می‌دهد. Pw دامنه موج و λ طول موج می‌باشد.
تاکنون سوت‌های دمشی در آزمایشگاه به هیچ وجه تأثیری روی واکنش‌های شیمیایی نداشته است، این به خاطر تولید انرژی صوتی در هوا و عدم انتقال صوت تولید شده در هوا به درون مایع است و همچنین از نظر تکنیکی به خاطر ممانعت بین دو ماده متفاوت می‌باشد. مواد مختلف مقاومت‌های متفاوتی در برابر عبور صوت دارند که توسط خواص الاستیکی و سطح مقطع نواحی تعیین می‌شود.
التراسوند شامل فرکانس‌هایی با طول موج بالاتر از kHz20 تا MHz10 را شامل می‌شود که خارج از قدرت شنوایی انسان است می‌تواند به دو ناحیه مشخص توانی و تشخیصی تقسیم شود، اولی معمولا در فرکانس‌های پایین‌تر را شامل می‌شود، جایی که انرژی صوتی بیشتری برای ایجاد حفره‌سازی در مایعات می‌تواند ایجاد شود (شکل 1-3). امواج ماورای صوت با فرکانس بالا در حدود MHz5 و بالاتر باعث حفره‌سازی نمی‌شوند و این محدوده‌ای است که برای عکس‌برداری در پزشکی استفاده می‌شود]15[.
2-4-1- اهمیت فراصوت توانی در صنعت
گذشت سالیان دراز نشان داده است که فراصوت توانی از قابلیت بالایی برای استفاده در گستره‌ی وسیعی از فرایندها در صنایع شیمیایی و صنایع مربوطه برخوردار است. برخی از این کاربردها سالها است که شناخت شده‌اند و استفاده می‌شوند، در حالی که بعضی دیگر دست‌خوش تغییر عمده شده‌اند و برای استفاده در زمینه‌های جدید و مهیجی مانند استفاده از فراصوت توانی در درمان بیماری‌ها (جدول 1-3) توسعه یافته‌اند. دو مورد از این کاربردها بعنوان مرجع اولیه‌ی انواع تجهیزاتی هستند که امروزه بشکل متداول برای سونوشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این دو کاربرد تحت عناوین جوش‌دهنده‌های[1] فراصوتی و حمام‌های تمیزکاری هستند.
[1] Welder
[1] Sonochemistry

تمام آبهای طبیعی دارای آلودگی هایی هستند که از فرآیند فرسایش، شستشو و هوازدگی خاک ها ناشی می شوند. یکی دیگر از مهمترین عوامل آلودگی های آب های سطحی، تخلیه پسابهای صنعتی و فاضلاب ها به محیط زیست می باشد که اگر بدون تصفیه به محیط زیست وارد شوند، می توانند به طرق مختلف اکوسیستم آبی را بطور نامطلوبی تحت تأثیر قرار دهند. لذا برای حفاظت منابع آبی و زیرزمینی و نیز برای دسترسی به آب آشامیدنی مطلوب لازم است این آلاینده ها را از منابع شان حذف کنیم. بسیاری از فرآیندها بمنظور تخریب یا تجزیه این عوامل آلاینده سالهاست بکار برده می شوند که از آنجمله می توان به فرآیندهای انعقاد، اکسیداسیون شیمیایی، جذب روی کربن فعال شده، اکسیداسیون کاتالیستی و … اشاره کرد[1،2]. لیکن اکثر این روشها غیرتخریبی بوده و فقط فاز آلاینده را تغییر داده و یک آلودگی

 ثانویه ایجاد می کنند[4،3]. از میان تکنیک های تصفیه، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفت (AOPs)[1] بعنوان یک تکنیک نوین و خوش آتیه مورد توجه ویژه واقع شده است، چراکه این فرآیندها قادرند تقریبا اکثر ترکیبات آلی را بطور کامل معدنی نمایند. روش هتروژن فتوکاتالیز یکی از فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته، ترکیبی از یک فتوکاتالیزور و اشعه فرابنفش یا اشعه نور طبیعی خورشید می باشد که در آن عمدتا دو نوع فاز جامد و مایع وجود دارد. بسته به محیط واکنش می توان از بسترهای ثابت از فتوکاتالیزورها یا از محلول های سوسپانسیونی در فتوراکتورها استفاده کرد که براساس تحقیقات آزمایشگاهی، راکتورهای نوع دوغابی کارآمدتر از راکتورهای با کاتالیزورهای تثبیت شده می باشند، در صورتی که در مقیاس صنعتی، راکتورهای با کاتالیزورهای تثبیت شده و با جریان پیوسته کاربردی تر هستند. با وجود استفاده بسیار زیاد از ترکیبات دارویی در دهه­های گذشته، تنها در چند سال اخیر است که حضور این ترکیبات بعنوان آلاینده در محیط زیست مورد توجه بسیار واقع شده است. یکدسته مهم از ترکیبات دارویی آنتی بیوتیک ها هستند که بعلت ماهیت پایداری که دارند در محیط های آبی خود را نشان می دهند. تلاش های بسیار زیادی برای حذف این ترکیبات در محیط های آبی صورت گرفته است که در این بین فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته بعنوان یک روش مؤثر مورد توجه بیشتری قرار گرفته است[5].

در کار پژوهشی حاضر  بمنظور کاربردی نمودن فرایند فتوکاتالیز ناهمگن در حذف آنتی بیوتیک ها از محیط های آبی، کارائی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم  تثبیت شده به روش اتصال حرارتی بر روی صفحات شیشه­ای Sand-Blast شده در حذف کلرامفنیکول بعنوان یک ترکیب آنتی بیوتیک بررسی شده است.
2-1- آلاینده های محیط زیست
با افزایش دانش بشری و گسترش تکنولوژی، معضلی به نام آلودگی محیط زیست مطرح می شود که نه تنها در کشور ما،  بلکه برای اکثر کشورهای پیشرفته دنیا از جمله مسائلی است که روز به روز ابعاد پیچیده تری به خود می گیرد. این آلودگی ها منابع آب را نیز تحت تأثیر قرار می دهند. بنابراین حفاظت از محیط زیست در هر کشوری مورد توجه جدی دولتمردان می باشد[6]. ترکیبات دارویی و محصولات بهداشتی از جمله آلاینده های آب هستند و بدلیل انتشار نامحدود و مداوم به داخل محیط آبی، تهدیدی جدی برای اکوسیستم و عموم بشمار می روند. در میان ترکیبات دارویی، آنتی بیوتیک ها بدلیل استفاده گسترده در ایالات متحده امریکا، اروپا و آسیا و … توجه بیشتری را به خود معطوف ساخته اند[7].
3-1- آنتی بیوتیک ها و مشکلات زیست محیطی
اگرچه ترکیبات دارویی قرون بسیاری است که مورد مصرف قرار گرفته اند، تنها طی چند سال اخیر رهاسازی آنها به داخل محیط آبی بعنوان یکی از اضطراری ترین مسائل شیمی محیط زیست شناخته شده است[8]. ترکیبات دارویی بویژه آنتی بیوتیک ها در آب های سطحی، آب های زیرزمینی، فاضلاب ها، رسوبات، خاک و حتی در آب های آشامیدنی شناسایی شده اند. این ترکیبات از طریق منابع مختلفی نظیر صنایع داروسازی، پساب بیمارستان ها و فضولات دامی و انسانی به محیط های آبی می رسند[7].
وجود ترکیبات دارویی در محیط های آبی ممکن است موجب تحمیل سمیت تقریبا بر تمام سلسله مراتب بیولوژیکی مانند سلول ها، ارگانیسم ها، جمعیت، اکوسیستم و یا اکوسفر شود. علاوه بر تأثیرات سمی، گروه خاصی از مواد دارویی نظیر آنتی بیوتیک ها ممکن است منجر به تغییر طولانی مدت و غیرقابل بازگشت در ژنوم[1](مجموعه كامل ژن ها) میکروارگانیسم ها، فرآیندهای غیرطبیعی فیزیولوژیکی در تکثیر و گسترش مقاومت آنتی بیوتیکی میکروارگانیسم ها حتی در غلظت های پایین شوند. نتایج نشان می دهد که حضور ترکیبات دارویی باقیمانده در محیط زیست و بخصوص در سیستم های آبی یک مشکل جدی محیطی بوجود می آورد از آنجاکه این ترکیبات: 1) فوق العاده مقاوم به پروسه های تخریب بیولوژیکی هستند و معمولا بطور کامل از سیستم های تصفیه رایج در امان می مانند، 2) احتمالا سمیت جدی و نیز تأثیرات دیگر بر انسان ها و دیگر ارگانیسم های زنده بوجود آورند و 3) در غلظت های کم موجودند، بنابراین نیاز به تجهیزات آنالیزی پیشرفته برای شناسایی دقیق دارند. سرنوشت احتمالی مواد دارویی، زمانیکه وارد محیط آبی می شوند عمدتا سه مورد است:
1- ترکیب مورد نظر نهایتا بصورت کربن دی اکسید و آب، معدنی می شود.
2- ترکیب مورد نظر بدلیل چربی دوست بودن به آسانی تخریب نمی شود و بصورت جزئی از لجن رسوبی باقی می ماند.
3- ترکیب مورد نظر به مولکول های آبدوست زیادی متابولیزه شده و از میان سیستم تصفیه آب و پساب عبور کرده و به آبهای سطحی و رودخانه ها منتهی می شود. این ترکیبات بالاترین مقاومت در محیط زیست را نشان می دهند.
4-1- تکنیک های تصفیه
از میان تکنولوژی های تصفیه، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته در مقایسه با سایر تکنیک هایی چون جذب سطحی بر روی کربن فعال، هوادهی و اسمز معکوس گزینه جالب توجهی به نظر می رسد. البته بسیاری از این تکنیک ها بدون تخریب آلاینده ها، آنها را از فازی به فاز دیگر انتقال می دهند. تصفیه بیولوژیکی محدود به پساب هایی است که حاوی مواد تخریب پذیر زیستی و مواد غیر سمی برای محیط زیست هستند[7‍]. بنابراین جای شگفتی نیست که اخیرا کارهای تحقیقی به سمت کاربرد پروسه های غیربیولوژیکی برای تخریب مواد دارویی در آب ها با تأکید بر فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) سوق یافته اند[9].
[1] . Genome
[1] . Advanced Oxidation Processes

امروزه در استفاده از سوخت‌­های فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین می­‌کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت‌­ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت‌های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه‌های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران‌های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و … هستند [1].
در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی‌های فراوان است. هیدروژن سبک‌ترین، تمیزترین و پر­بازده‌ترین سوخت به­حساب می­آید. یکی از ویژگی‌های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیل­های سوختی می­‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل می­کند. علاوه بر این

 سوخت، سوخت‌های دیگری نیز همچون الکل‌ها به­خصوص متانول و اتانول به­دلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره‌سازی و حمل آن­ها نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.

2-1- پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را به­طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می­کند. معمولاً فرآیند تولید انرژی الکتریکی از سوخت‌های فسیلی شامل چند مرحله تبدیل انرژی است:
– احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل می­کند.
– گرمای تولید شده برای به‌جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده می­شود.
– بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرآیند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل می­شود.
– انرژی مکانیکی باعث راه­اندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی می­شود.
در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمی‌­گیرد، به­عبارت دیگر به­جای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید می‌­شود (شکل1-1).
نکته مهم دیگر که به آن می‌توان اشاره داشت این است که این پیل‌ها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و به­همین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آن­ها بالا می­‌باشد.
مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:
– آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.
پیل­های سوختی که با هیدروژن کار می­کنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آن­ها هوای اضافی و آب می­‌باشد. این ویژگی نیز باعث شده پیل‌های سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگی‌هایی از جمله دی­ اکسید‌کربن تولید می­شود، ولی مقدار این آلودگی­ها کمتر از آلودگی­هایی است که وسایل معمول تولید انرژی به­وجود می­آورند.
– وابستگی کمتر به نفت.
هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی می­توان آن را از الکترولیز آب یا سوخت­های هیدروکربنی به­ دست آورد.
– عدم وجود بخش­های متحرک و طول عمر بالا.
از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایده­آل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن می­رسد می­‌تواند بی‌نهایت باشد.
– وزن و اندازه.
پیل‌های سوختی در ظرفیت­های متفاوتی ساخته می­شود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث می­شود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
– آلودگی صوتی بسیار پایین.
– راندمان بالا نسبت به فناوری‌های دیگر.
3-1- تاریخچه
در سال 1839 ویلیام گرو[1] فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته به­کار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچک‌تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌‌‎کرد [1].
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر می­گردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند[1] و چارلز لنجر[2] ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاش­هایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال 1995 پیل سوختی قلیایی پنج کیلو­واتی ساخته شد.
از سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیل­های مزبور در سفینه­های جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فن­آوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو به­کار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با سرمایه­گذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فن­آوری پیل سوختی توسعه چشم­گیری پیدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت زیردریایی که در آن از پیل سوختی استفاده می­شد به­عنوان پیش­رو این صنعت در دنیا معرفی شد.
هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال 2000 میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهره­برداری قرار گرفت که توان پرواز طولانی (شش ماه) بدون وقفه را دارد.
پیشرفت‌های بعدی همه در جهت بهینه کردن هر چه بیشتر این پیل‌ها و افزایش بازده کارآیی آنها می­باشد تا این پیل­ها را به شکل یک محصول تجاری در دسترس تبدیل کنند [2].
4-1- کاربردهای پیل سوختی
در شکل (1-3) منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای مورد استفاده از هیدروژن و سهم هر یک به صورت شماتیک رسم شده است.
همان‌طوری­که در شکل 1-4 مشخص است، می‌توان کاربردهای پیل سوختی را به سه بخش کاربرد وسایل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسایل متحرک و کاربرد­های نیرو­گاهی تقسیم نمود.
[1]Ludwig Mond
[2]Charles Lenjer
[1] William Grove

پیشرفت­های اخیر در تولید منعطف و تکنولوژی اطلاعات این امکان را فراهم کرده است که سیستم­های تولیدی بتوانند با هزینه پایین­تر طیف وسیع­تری از محصولات یا خدمات را ارائه نمایند. به­علاوه افزایش رقابت در سطح جهانی منجر به رویارویی صنایع با رویکرد افزایش ارزش مشتری در ارائه محصول یا خدمات شده است. بنابراین لزوم درنظر گرفتن نیازهای خاص هر کدام از مشتریان، تولید­کنندگان را به سمت دخالت دادن مشتریان در فرآیند تولید رهنمون شده است. در این میان سفارشی‌سازی در تولید انبوه[1] یکی از روش‌های نوین تولید است که هر روز مورد توجه تولیدکنندگان بیشتری قرار می‌گیرد. سفارشی‌سازی در تولید انبوه، توانایی تولید محصول یا خدمات مختص هر مشتری بر اساس سفارش یا نیازهای شناخته شده او از طریق یک فرآیند کاملاً انعطاف‌پذیر و یکپارچه با حفظ مزایای تولید انبوه است. سفارشی‌سازی در تولید انبوه یکی از فرصت‌هایی است که از طریق رشد و هماهنگی تکنولوژی‌های تولید و تکنولوژی اطلاعات در اختیار تولیدکنندگان قرار گرفته است.
واضح است فعالیت‌هایی که در سیستم‌های سفارشی‌سازی در تولید انبوه انجام می‌شوند نیازمند همکاری گسترده، تبادل اطلاعات و تعامل در محدوده سازمان و خارج از آن است. بخشی از این تعامل در جهت برنامه‌ریزی تخصیص وظایف به منابع و زمان‌بندی اجرای وظایف بر روی منابع است. مسئله برنامه­ریزی تخصیص وظایف به منابع و زمانبندی اجرای وظایف یکی از پیچیده­ترین مسائل بهینه­سازی ترکیبیاتی به­شمار می­آید که در این تحقیق سعی بر آن است که گسترشی در زمینه حل این دسته مسائل حاصل گردد.
در سیستم‌های سفارشی‌سازی در تولید انبوه، از آنجایی که هر کالای تولید شده دارای شرایط خاص خود، براساس نیاز اعلام شده مشتری خواهد بود، مسئله هماهنگی و تعامل اجزا در صحن کارخانه شکل پیچیده­تری به‌خود می‌گیرد. برای حل مسئله برنامه­ریزی در چنین شرایطی اجزای سیستم برنامه‌ریزی باید دارای ویژگی‌هایی همچون برقراری ارتباط با اجزای دیگر، واکنشی بودن و خودمختاری باشند. با توجه به این ویژگی‌ها بهره‌گیری از سیستم‌های تکاملی چندعاملی بعنوان یکی از راه‌حل‌های مناسب مطرح می‌گردد. در این روش با بهره‌گیری از اجتماعی از عامل‌ها که هر کدام دارای مجموعه‌ای از خصوصیات و منابع می‌باشند می‌توان راه‌حل‌هایی در محیط محاسباتی پویا بدست آورد.
 

1-2- نوآوری­های تحقیق

در این تحقیق با توجه به پیشینه تحقیقاتی که در زمینه حل مسئله برنامه­ریزی و زمانبندی کار کارگاهی منعطف صورت گرفته است، الگویی جدید و مؤثر برای مدل­سازی فضای جواب مسئله مطرح می­گردد. الگوی ارائه شده، دارای خصوصیات ویژه­ای است که از جمله مهم­ترین آن­ها می­توان به حل همزمان زیر مسئله­های برنامه­ریزی تخصیص وظایف به منابع و زمانبندی ترتیب اجرای وظایف، اشاره کرد. در ادامه پژوهش به معرفی الگوریتم بهینه­سازی حرکت جمعی ذرات پرداخته می­شود و شکل جدیدی از این الگوریتم برای حل مسائل بهینه­سازی چندهدفه، معرفی می­گردد که در آن انتخاب ذرات راهنما براساس چگالی ذرات در فضای اهداف صورت می­گیرد، سپس الگوریتم ارائه شده با یکی از الگوریتم­های مشابه مقایسه می­شود. بعد از آن، دو ایده ارائه شده، در حل مسئله  زمانبندی کار کارگاهی منعطف به­کار گرفته شده و نتایج آن مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
 

1-3- ساختار پایان­نامه

در ادامه مطالب پایان­نامه، در فصل دوم مفاهیم سفارشی‌سازی انبوه و سطوح پیاده‌سازی آن ارائه خواهد شد و  فاکتورهایی که منجر به پیاده‌سازی موفق آن می‌شوند از دیدگاه نویسندگان و محققین مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرند و مسئله برنامه­ریزی و زمانبندی تولید برای حصول به سفارشی­سازی در تولید انبوه به مسئله برنامه­ریزی و زمانبندی کارگاه تولید منعطف[2]  با چند هدف، کاهش[3] می­یابد. از اینجا به بعد رویكرد پژوهش به سوی حل مسئله زمانبندی چندهدفه در کار کارگاهی منعطف، خواهد بود. در فصل سوم، مفاهیم زمانبندی کارگاهی مطرح شده و با استفاده از آن­ها یک مدل ریاضی مناسب برای مسئله زمانبندی کار کارگاهی منعطف بدست می­آید. در ادامه پایان­نامه در فصل چهارم مروری کوتاه به مفهوم فرااکتشاف[4] و کاربرد آن در مسائل بهینه­سازی انجام می­گردد. در این فصل چند روش فرااکتشافی مهم که در بهینه­سازی به­طور گسترده­ای مورد استفاده قرار می­گیرند در قالب سه دسته معرفی می­شوند. در فصل پنجم روشهای بهینه­سازی چندهدفه با تکیه بر الگوریتم بهینه­سازی حرکت جمعی ذرات[5] بعنوان یک روش تکاملی[6] چندعاملی[7] مورد مطالعه قرار می­گیرد و الگوریتم جدیدی مبتنی بر چگالی هسته[8] ذرات در فضای اهداف، ارائه شده و با یکی از الگوریتم­های بهینه­سازی چندهدفه مبتنی بر حرکت جمعی ذرات مقایسه می­گردد. در فصل ششم، ابتدا نمایش جدیدی از فضای جستجوی مسئله زمانبندی کار کارگاهی منعطف معرفی می­گردد که قابلیت حل زیرمسئله­های تخصیص عملیات به ماشین­ها و زمانبندی ترتیب اجرای عملیات را بطور همزمان بدست می­دهد. سپس در ادامه این فصل، الگوریتم بهینه­سازی که در فصل پنجم معرفی شده است برای حل مسئله زمانبندی کار کارگاهی منعطف مورد استفاده قرار گرفته و نتایج آن با روش­های دیگر مقایسه می­شود. در نهایت در فصل هفتم به بحث و نتیجه­گیری درباره نتایج تحقیق انجام شده در این پایان­نامه پرداخته و پیشنهاداتی برای گسترش تحقیقات در این زمینه، ارائه می­شود

پیشرفت‌های اخیر در تولید منعطف و تكنولوژی اطلاعات، كه سیستم­های تولید را قادر به ارائه طیف وسیع­تری از محصولات با هزینه پایین‌تر می‌كنند، كوتاه شدن چرخه عمر محصول، و رقابت صنعتی فزاینده‌ای كه نیاز به استراتژی‌های تولیدی كه به نیازهای یكایك مشتریان توجه می‌كنند منجر به ظهور سفارشی‌سازی در تولید انبوه گردید.
یكی از اولین افرادی كه صحبت از سفارشی‌سازی در تولید انبوه را مطرح كرد آلوین تافلر بود. آلوین تافلر کار خود را به عنوان یک روزنامه نگار شروع کرد ولی با انتشار اولین کتاب خود به نام “ضربه آینده” [1] در سال 1970 به شهرت بین‌المللی رسید. “موج سوم” [2] ده سال بعد و “انتقال قدرت” [3] ده سال پس از آن منتشر شدند. منظور از موج سوم که در عنوان کتاب به آن اشاره شده، جامعه فوق صنعتی است که در اواخر قرن بیستم ظهور کرده و هنوز هم در حال شکل‌گیری است. این جامعه بعد از موج دوم، یعنی جامعه صنعتی به وجود آمد که خود ناشی از انقلاب صنعتی بود. جامعه صنعتی هم بعد از مرحله کشاورزی به وجود آمد که به عنوان موج اول شناخته شده است. هر موج جدید توسط توسعه فنآوری جدیدی ظاهر شد. بالاخره فنآوری الکترونیک موج سوم را به وجود آورد. توجه اصلی تافلر انتقال از موج دوم به موج سوم در جوامع پیشرفته است، گو اینکه البته حوزه احتمالی اصطکاک بین انسان‌هایی که در مراحل مختلف پیشرفت (شرایط امواج مختلف) قرار دارند و با هم همزیستی می‌کنند را نیز مورد بررسی قرار می‌دهد. به نظر تافلر، صفت مشخصه موج سوم به جای تولید انبوه، سفارشی سازی انبوه است.
وقتی به تاریخچه یا سوابق شركت‏های خودروساز مطرح نگاه می‏كنیم، می‏بینیم كه آن­ها نیز همین راه­بردها را به كار گرفته‏اند. آن‌ها در دوره‏ای، به تولید انبوه می‏پرداختند بعد از آن تولید ناب باب شد و اكنون در دوره‏ای هستیم كه تولید انبوه براساس نیاز و سلیقه مردم یا سفارشی­سازی در تولید انبوه اهمیت پیدا كرده است. انجام چنین كاری یعنی تولید براساس سفارش مشتری ـ آن هم با همه مزایای تولید انبوه ـ فقط زمانی ممكن است كه ابزارهای آن فراهم باشد.
مفهوم سفارشی‌سازی در تولید انبوه بطور رسمی تقریباً از اواخر دهه 1980 معرفی گردید و ادامه منطقی توسعه و پیشرفت در زمینه‌های مختلف تولید مانند تولید منعطف و بهینه‌سازی شده براساس كیفیت و قیمت است. طبق تعریفی كه دیویس[1] در 1989 ارائه نمود [4]، سفارشی‌سازی در تولید انبوه عبارت از فراهم­سازی محصولات یا سرویس‌های اختصاصی برای یك مشتری از طریق چابكی بالا در فرآیند، انعطاف‌پذیری و یك­پارچگی در سیستم تولید است.
بسیاری از نویسندگان این مفهوم را بصورت باریك‌تر و عملی‌تری مورد توجه قرار داده‌اند و تعریف دیگری را ارائه كرده‌اند. آنان معتقدند كه سفارشی‌سازی در تولید انبوه، استفاده از تكنولوژی اطلاعات، فرآیندهای انعطاف­پذیر و معماری سازمانی ویژه برای ارائه كردن طیف وسیعی از محصولات و سرویس‌هایی كه به نیازهای مخصوص هر كدام از مشتریان پاسخ می‌دهد (اغلب از طریق مجموعه‌ای از انتخاب‌ها) با هزینه‌ای نزدیك به تولید انبوه است [5].
در هر دو این دیدگاه‌ها سفارشی‌سازی در تولید انبوه بعنوان یك ایده سیستماتیك، همه جنبه‌های فروش محصول، توسعه، تولید و ارائه آن و بطور كلی زنجیره كاملی از انتخاب مشتری تا تحویل محصول را در بر می‌گیرد.
با وجود مشكلات زیاد پیاده‌سازی سیستم‌های تولید مبتنی بر سفارشی‌سازی در تولید انبوه، مشكلات زیر به­نظر اساسی‌تر جلوه می­كنند: الف) پایین نگه داشتن قیمت محصول سفارشی‌سازی شده متناسب با تولید انبوه محصول استاندارد. ب) دست­یابی به كیفیت بالا برای طیف وسیعی از محصولات و پ) ارتقا و تولید كالاهای سفارشی بصورت دوره‌ای برای جلب رضایتمندی مشتری و تمایل او برای سفارش محصولات جدیدتر. بنابراین سازمان‌های تولیدی برای پیاده‌سازی سیستم‌های مبتنی بر سفارشی‌سازی در تولید انبوه باید توانایی انجام تغییراتی همچون موارد زیر را داشته باشند: الف) پیمانه‌ای‌سازی محصولات و فرآیندها برای ایجاد قابلیت مدیریت تنوع محصولات ب) استفاده از سیستم‌های نرم‌افزاری مبتنی بر دانش[2] و پ) استفاده از سیستم‌های تولید و اتوماسیون منعطف.
بنابر موارد ذكر شده، تغییر سیستم تولیدی سازمان به سیستم  مبتنی بر سفارشی‌سازی در تولید انبوه پیامدهای بسیاری را در توسعه محصول و چرخه تولید ایجاد خواهد نمود. این پیامدها را می‌توان در قالب توانمندی در حوزه‌های محاسباتی[3]، ارتباطی[4] و اطلاعاتی[5] دسته‌بندی كرد كه موجب بروز نوآوری‌هایی در اتوماسیون منعطف، شبكه‌های كامپیوتری صنعتی و طراحی محصول بصورت الكترونیكی می‌شوند.

 
مطالات اخیر نشان می­دهد که فرآیند نفوذ مولکولی یک گاز مثل دی اکسید کربن، نقشی اساسی در فرآیندهای استحصال نفتی بازی می­کند. بنابراین مطالعه­ی انتقال جرم در سیستم­های گاز-نفت، در شرایط دمایی و فشاری مخزن ضروری به نظر می­رسد ]4-1[.
از نظر فیزیکی، فرآیند نفوذ مولکولی گاز در نفت طی سه مرحله صورت می­گیرد. ابتدا گاز تزریقی به سمت مرز گاز-نفت حرکت کرده و سپس در مرز نفوذ می­کند و در نهایت وارد فاز نفتی می­گردد. انتقال جرم گاز در نفت باعث می­شود خصوصیات مرزی بین نفت خام و گاز تزریقی تغییر کند. در گذشته مطالعات زیادی برای تعیین پارامترهای انتقال جرم در  سیستم­های مختلف گاز-نفت ارائه شده است. یکی از این روش­­ها استفاده از تغییر کشش سطحی دینامیکی سیستم است ]5[.
کشش سطحی در مرز دو سیال، نتیجه­ی انرژی اضافه­ای است که در اثر نیروهای بین مولکولی اشباع نشده در سطح به وجود می­آید ]6[. این پارامتر با روش­های گوناگونی قابل اندازه­گیری است که در فصل دوم به طور کامل در مورد آنها توضیح داده شده است.
طبق بررسی­های به عمل آمده، کشش سطحی احتمالا مهم­ترین عاملی است که سبب می­شود حدود یک­ سوم نفت درجا، پس از سیلاب­زنی با

 آب یا رانش با گاز، به صورت غیر قابل استحصال در بیاید ]8[.

از طرف دیگر مطالعه­ی کشش سطحی در فرآیندهای ازدیاد برداشت به روش سیلاب زنی با حلال اهمیت ویژه­ای می­یابد. یک حلال می تواند با تزریق به مخزن نفت را جا­به­جا کند. این تزریق می­تواند سبب جابجایی امتزاج پذیر (تک فازی) یا امتزاج ناپذیر (دو فازی) گردد ]7[.
مکانیزم های موثر در جا­به­جایی نفت به وسیله حلال عبارتند:
استخراج اجزای سبک[1](و حتی متوسط) نفت به وسیله­ی سیال
کاهش کشش سطحی بین حلال و نفت و کاهش ویسکوزیته نفت از طریق حل شدن حلال در نفت[2]

3. متورم شدن نفت از طریق نفوذ حلال درون نفت[3]

از بین روش­های موجود برای اندازه­گیری کشش سطحی، روش قطره معلق[4]، در دما و فشار بالا کاربرد بیشتری یافته است.
در این تحقیق، با استفاده از داده ­های آزمایشگاهی کشش سطحی تعادلی و دینامیک، برای سیستم­های گاز- نرمال پارافین، دو نوع مدل انتقال جرمی مختلف بر روی سیستم قطره­ی معلق بررسی، و روشی که نتایج آن منطبق بر نتایج آزمایشگاهی می­شود به عنوان مدل اصلی انتقال جرم معرفی ­گردید. همین طور نحوه­ی تاثیر دما، فشار، زمان و نوع مواد شرکت کننده در فرآیند، روی پروسه­ی انتقال جرم تعیین گردید.

فصل دوم

 
 
2- مبانی تحقیق
 
 
در این فصل و فصل بعدی، توضیحاتی در مورد واژه­های کلیدی موجود در عنوان پایان نامه داده خواهد شد. در ابتدا به تعریف کشش سطحی و روش­های اندازه گیری آن می­پردازیم.
 
 
2-1- کشش سطحی تعادلی و روش­های اندازه گیری آن
 
در درون یک فاز مایع، مولکول­ها به طور کامل توسط مولکول­های دیگر محاط می­شوند، به طوری که نیروی جذب در همه­ی جهت­ها یکسان است. اما در مرز، نیروهای بین مولکولی از یک جنس نیستند و در نتیجه همدیگر را خنثی نمی­کنند.این بر هم کنش سبب به وجود آمدن نیرویی به سمت داخل می­گردد. این پدیده دقیقا همان عاملی است که سبب می­گردد قطرات کوچک، شکل کروی به خود بگیرند. بنابراین می­توان گفت کشش سطحی[5] عبارت است از تمایل سطح به انقباض، برای حداقل کردن مساحت بین سطحی ]9[.
از نظر فیزیکی، برای کشیدن یک فیلم صابون روی یک قاب سیمی شکل، بایستی نیرویی به اندازه­ی F وارد شود تا از پارگی فیلم جلوگیری گردد. اگر فیلم به اندازه­ی dx جابجا شود، انرژی  آن به اندازه­ی Fdx بالا می­رود. اگر سیستم در حالت تعادل باشد، این تغییر انرژی بایستی دقیقا برابر با انرژی آزاد سطح گردد، یا به عبارتی
معادله (2-1) را می­­توان به صورت زیر ساده نمود
این عبارت دقیقا معادل با کاری است که بایستی انجام شود تا مساحت سطح مایع را افزایش دهد و باعث شود سطح مایع، مانند یک پوست کشیده شده عمل کند که در اصطلاح علمی به آن کشش سطحی گفته می­شود
هر چند در صنایع نفت و گاز کاهش کشش سطحی بین نفت خام و سیال تزریقی باعث افزایش تولید می­گردد، اما در مواردی مانند صنعت روغن خوراکی تلاش­ها برای افزایش کشش سطحی صورت می­گیرد تا با جذب کمتر این مواد، ضرر کمتری متوجه بدن گردد ]11[.
در چند دهه­ی گذشته روش­های مختلفی برای اندازه­گیری کشش سطحی بین مواد مختلف ارائه شده است. درلیخ و همکارانش، روش­های اندازه­گیری کشش سطحی را به پنج دسته­ی کلی تقسیم بندی کردند که عبارتند از:
اندازه­گیری مستقیم با استفاده از یک میکروبالانس که شامل روش صفحه­ی ویلهلمیوحلقه­ی دوندیا می­باشد.
اندازه­گیری فشار موئینه که شامل روش­های بیشترین فشار حباب و رشد قطره می­باشد.
آنالیز تعادل بین نیروهای گرانش و موئینه شامل روش­های حجم قطره و بالا رفتن در لوله­ی موئین.
آنالیز قطره­های منحرف شده بر اثر گرانش شامل قطره معلق و قطره چسبیده.
روش انحراف قطره تقویت شده شامل روش چرخش قطره و میکروپیپت ]6[.
 
 
2-1-1- دسته­ی اول: اندازه گیری با استفاده از یک میکروبالانس
 
برای اندازه­گیری مستقیم کشش سطحی با استفاده از یک میکروبالانس، یک صفحه، حلقه، یا هر وسیله­ی ساده­ی دیگر، در تماس با مرز دو سیال قرار می­گیرد. اگر میکروبالانس به طور کامل با یکی از این سیالات تر شده باشد، مایع به وسیله می­چسبد و در نتیجه­ی نیروی مویینگی از آن بالا می­رود و باعث افزایش مساحت مرزی شده و نیرویی ایجاد می­ نماید که سعی می­کند صفحه را به طرف مرز بکشد. این نیرو مستقیما با کشش سطحی ارتباط پیدا می­کند و می­تواند به وسیله­ی میکروبالانس اندازه­گیری شود. این نیرو به صورت معادله­ی (3-1) در کشش سطحی تاثیر می­گذارد.