استراتژی مورد استفاده در غشاهای بستر آمیخته مربوط به ترکیب خواص غشاهای پلیمری و غشاهای معدنی در یک غشا است و این کار با پخش پرکننده ها در بستر پلیمرها انجام می شود. همانطور که قبلا هم بیان شد سه نوع غشای بستر آمیخته داریم : جامد – پلیمر ، مایع – پلیمر و جامد – مایع – پلیمر. بستر پلیمر از پلیمرهای شیشه ای که ارزان هستند (مثل پلی ایمید ، پلی سولفون ، پلی اتر سولفون یا سلولوزاستات) یا پلیمرهای لاستیکی (کائوچویی ) ، (مثل silicone rubber) انتخاب می شوند. در غشاهای بستر آمیخته جامد – پلیمر پرکننده های جامدی که در پلیمر پخش می شوند شامل غربال های مولکولی ریزتخلخل مثل زئولیت ها ، کربن فعال ، غربال مولکولی کربنی ، سیلیکا ، C60 ، TiO2 و… می شوند. امروزه غشاهای بستر آمیخته پلیمر – زئولیت به صورت گسترده و با صرفه اقتصادی با ذرات پر کننده درشت زئولیت که در اندازه میکرون می باشند مورد استفاده قرار می گیرند. اخیرا استفاده از ذرات زئولیتی در اندازه نانو هم به عنوان پر کننده در غشاهای بستر آمیخته گزارش شده است[۱۹].
در غشاهای بستر آمیخته پلیمر – مایع ، پلی اتیلن گلیکول (PEG) با فاز پیوسته ترکیب می شود. نوع جدید غشاهای بستر آمیخته جامد – مایع – پلیمر هستند که اخیرا گسترش پیدا کرده اند. فاز جامد مانند کربن فعال با پلیمر مایع مانند PEG اشباع می شود که به عنوان تثبیت کننده ی پلیمر مایع در فاز پلیمر پیوسته می باشد. از طرفی کربن فعال کارایی غشاهای بستر آمیخته را افزایش می دهد. با تجاری شدن فرایندهای جداسازی غشایی در اواسط ۱۹۸۰ دو نوع از غشاهای بستر آمیخته گسترش یافتند. نوع اول غشاهای بستر آمیخته جامد – پلیمر با جاذب جامد معدنی که در بستر پلیمر جاسازی شده است می باشد. پلیمر می تواند سلولوز استات ، پلی سولفون ، پلی اتر سولفون یا پلیمرهای مرکب پلی الکترولیت باشد. جاذب جامد می تواند زئولیت هایی مانند NaA ، NaY ، NaX ، AgX ، سیلیکالیت ، آلومینا یا کربن فعال باشد. نوع دوم غشاهای بستر آمیخته پلیمر مایع هستند که از ریخته گری PEG یا پرکننده های مایع دیگر بر روی پایه سلولوز استات یا پلی سولفون باشد[۱۹].
هر دو نوع غشاهای بستر آمیخته برای جداسازی گازهای قطبی و غیرقطبی ، دی اکسید کربن از نیتروژن و متان و پارافین های سبک از اولفین های سبک مورد ارزیابی قرار گرفتند[۱۸].
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
اخیرا نوع سومی گسترش یافته که ترکیبی از جامد – مایع – پلیمر است. در این نوع جامد مانند کربن فعال با پلیمر مایع مانند پلی اتیلن گلیکول اشباع می شود. کربن اشباع شده سپس در بستر پلیمر که پیوسته است پخش می شود. مخلوط حاصل بر روی غشای پلیمری متخلخل نشانده می شود. این نوع ترکیب دارای خواص فاز پیوسته پلیمری ، پرکننده های جامد و فاز مایع می باشد[۱۹].
۱-۹-ساختار شیمیایی پلی سولفون
بخش دوم
مواد، تجهیزات و کارهای تجربی
قلب یک فرایند غشایی، غشای به کار گرفته شده در آن فرایند می باشد. برای پوشش دادن همه فرصت های پیش رو فرآیندهای جداسازی غشایی، بایستی بتوان از مواد مناسب تر و بهتری بهره گرفت. معیارهای انتخاب یک ماده مناسب برای ساخت غشا برای یک جداسازی از پیش تعیین شده فراوان می باشد. اما از میان این معیارها، تراوایی و گزینش پذیری غشا در درجه اهمیت بالاتری قرار دارند. تراوایی و گزینش پذیری بالا، انعطاف پذیری دیگر پارامترهای سیستم، مانند سطح مورد نیاز کمتر برای دستیابی به یک جداسازی مشخص را بیشتر می کنند بنابراین جداسازی کاراتری بدست خواهد آمد.
۲-۱-انتخاب مناسب فاز پلیمری
۲-۱-۱- غشای پلیمر پلی سولفون
پلی سولفون به عنوان ترموپلاست (پلاستیک گرما نرم) استفاده می شود. نام های دیگر آن عبارتند از لاسولف، ادل، التراستون. این پلیمر دارای گروه های آروماتیکی و سولفون (SO2) است و در سال ۱۹۶۵تولید شد، این پلیمر از واکنش دی فنل و بیس (۴-کلرو فنیل) سولفون بدست می آید.ضریب تراوش پذیری پایین، انتخابگری بالا قابلیت خوب شکل پذیری بصورت فیلم و پایداری حرارتی از جمله خواص پلی سولفون برای کاربردهای جداسازی گازها می باشد.
به واسطه خواص خوب مکانیکی، مقاومت شیمیایی بالا و دمای تبدیل شیشه ای بالا پلیمر پلی سولفون به مقدار زیادی در تهیه غشاهای نامتقارن (معمولاً در محدوده الترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون) مورد استفاده قرار می گیرد. از غشاهای پلی سولفونی همچنین به عنوان لایه حفاظتی در تهیه غشاهای نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس استفاده می شود [۲۰] غشاهای الترافیلتراسیون پلی سولفونی، ترشوندگی بسیار پایینی را دارند. بواسطه برهمکنشهای هیدروفوبی بین غشا و حل شوندهای آبگریز این خاصیت در غشاهای پلی سولفونی مشکلات انسداد زیادی را در پی خواهد داشت [۲۲] بطور کلی افزودنی ها باعث تشکیل روزنه ها، افزایش آبدوستی غشا و ایجاد ساختار اسفنجی در غشا می شود [۲۱] به منظور آبدوست تر نمودن غشاهای پلی سولفونی روش های متعددی مورد استفاده قرار گرفته است این روشها شامل ترکیب پلیمرها [۲۳] اصلاح شیمیایی [۲۴] استفاده از پلاسما به منظور اصلاح [۲۵] گرافت پلیمری با بهره گرفتن از اشعه ماوراء بنفش[۲۶] و استفاده از نانو مواد مانند دی اکسید تیتانیوم و اکسیدآلومینیوم در تهیه غشاهای الترافیلتراسیون می باشد [۲۷] .
یکی از مزایای پلی سولفون حسایست آن نسبت به نور می باشد بطوریکه غشاهای پلی سولفونی تحت تابش نور ماوراءبنفش تولید رادیکالهای آزاد می نماید. انجام گرافت با بهره گرفتن از تابش اشعه ماورابنفش بطور کنترل شده ای خصوصیات سطحی غشا را اصلاح می کند، بطوریکه با گرافت مونومرهای مشخص بر سطح غشا، به راحتی می توان غشاهایی با خصوصیات ویژه تولید نمود. نوع مونومر در این زمینه نقش مهمّی را بازی می کند[۲۸] یاماگیشیو همکارانش گرافت مونومرهای وینیلی بر سطح غشاهای پلی سولفونی و پلی اترسولفونی را با بهره گرفتن از ترکیب موادهای مختلف مورد مطالعه قرار دادند[۲۹]. با بهره گرفتن از این روش در ابتدا با تابش اشعه ماوراءبنفش به سطح غشا، رادیکالهای آزاد بوجود می آید. رادیکالهای بوجود آمده واکنش پذیر می باشد و پلیمراسیون مونومرهای وینیلی در این موفقیت ها صورت می پذیرد. در تابشهای شدیدتر و غلظتهای بالا از مونومر، بوسیله گرافت زنجیره پلیمری بر دیواره روزنه ها، روزنه های غشایی اولترافیلتراسیون تبدیل به روزنه هایی در محدوده نانوفیلتراسیون خواهد شد. از سویی دیگر مطابق با نوع مونومروینیلی، عوامل فعال شیمیایی همچون گروه های کربوکسیل و سولفات بردهانه دیواره روزنه هایی غشا شکل می گیرد. از طریق این دو واکنش یعنی کاهش حجم آزاد روزنه ها و باردار کردن دیواره روزنه ها، غشاهای الترافیلتراسیون اولیه تبدیل به غشاهای نانوفیلتراسیون می شود[۳۰و۳۱و۳۲].
یاکسین ما و همکارانش غشاء نانوکامپوزیتی پلی سولفون - خاک رس را با درصدهای وزنی مختلفی از خاک رس به روش وارونگی فاز ناشی از غیر حلال آماده کرده اند. N-Nدی متیل استامید ،LiCl و آب مقطر به ترتیب به عنوان حلال، یک ماده منعقد کننده و یک عامل تشکیل منافذ، استفاده شده. مورفولوژی و ساختار غشاء توسط اسکن میکروسکوپ الکترونی مورد بررسی قرار گرفته، عملکرد غشا در شرایط عبور پروتئین، تخلخل، زاویه تماس، شار عبوری آب خالص، مقاومت کششی ارزیابی شده است. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که خاک رس پراکندگی خوبی در پلی سولفون داشته و افزودن خاک رس باعث افزایش آبدوستی غشا و افزایش مقاومت کششی غشا می شود [۳۳].
آرش ملاحسینی و همکارانش غشای اولترافیلتراسیون پلی سولفون ضد باکتری را با بهره گرفتن از نانوذرات نقره تولید کرده اند. جهت توصیف مورفولوژی غشا ، آزمونهای پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی (SEM)، میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)، و زاویه تماس انجام گرفته. مطالعات SEM نشان داده که اندازه منافذ سطح با اضافه کردن نانوذرات نقره در محلول ریخته گری شده،کاهش یافته. پارامترهای زبری سطح به دست آمده از تصاویر AFM مشخص می کند که نانوذرات نقره با اندازه۷۰ نانومتر باعث به وجود آمدن سطحی ناهموارتر برای غشاء می شوند.این نوع غشا دارای خاصیت ضد باکتری بسیار بالایی می باشد[۳۴و۳۵و۳۶].
احمد اکبری و همکارانش غشاهای پلی سولفون اولترافیلتراسیون که از طریق فرایند وارونگی فاز تهیه کردند، با تابش اشعه UV در حضور مونومر اسید اکریلیک(AA) بهینه کرده و به فرم نانوساختاری تبدیل کرده اند.در محلول پلیمری اولیه % ۱۷ پلی سولفون، % ۷۵ ، حلال-n متیل پیرولیدون و % ۸ پلی اتیلن گلایکول (PEG) با اوزان مولکولی ۲۰۰ ، ۴۰۰و ۶۰۰ به عنوان افزودنی استفاده شده. همه غشاها دارای ساختار غیرمتقارن میباشند. نتایج مربوط به آنالیزهای SEM بیانگر این موضوع می باشد.با افزایش وزن مولکولی PEG در محلول پلیمری، نفوذپذیری غشاها (PWF)افزایش می یابد. در عملیات گرافت با افزایش غلظت AA و زمان تابش ، PWF کاهش می یابد و میزان جداسازی نمکهایی چون سدیم کلرید و سدیم سولفات و اتیلن دی آمین تترا استیک اسید(EDTA) و ماکرومولکولهایی نظیر PEG بهبود می یابد. آستانه شکست غشاها به میزان ۱۰۰۰۰ دالتون اندازه گیری شده که دلالت بر اندازه روزنه هایی در محدوده ۶/۴ نانومتر دارد. آنالیز FTIR ،گرافت AA روی پلی سولفون را ثابت می کند [۳۷].
یاکینگ ژانگ و همکارانش ذرات فسفریله TiO2 و SiO2 (PTS) را با خاصیت آبدوستی بالایی برای اولین بار با روش سل ژل ساخته اند و سپس برای آماده سازی یک غشای کامپوزیتی PTS/PSF از طریق فرایند وارونگی فاز به یک غشای پلی سولفون (PSF) اضافه کرده اند. خواص ذرات غشا توسط اسکن میکروسکوپ الکترونی (SEM) ، طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه، زاویه تماس آب، نفوذ شار، مقاومت کششی مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج نشان می دهد که ذرات PTS به صورت یکنواخت در غشا کامپوزیت PTS/PSF پراکنده شده اند و زاویه تماس آب از ۰/۷۸ به ۵/۴۵ درجه کاهش می یابد که خاصیت آبدوستی ذرات PTS را نشان می دهد و همچنین این نوع غشا خاصیت ضد رسوب و ویژگی های ضد تراکم نسبت به سایر غشاها، مانند SiO2/PSF را دارا می باشد. نتایج حاصل شده این می باشد که غشاء کامپوزیت PTS/PSF برای تصفیه فاضلاب حاوی روغن مطلوب هستند[۳۸].
۲-۱-۲-دلایل انتخاب نانو مواد
موضوع فناوری نانو طی سالهای اخیر بطور فزایندهای مطرح شده است. عرصه نانو، محدودهای بین ابعاد میکرو و ابعاد مولکولی است و این محدودهای است که دانشمندان مواد و شیمیدانها در آن به مطالعاتی پرداختهاند و اتفاقاً مورد توجه آنها نیز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولی تکنولوژی که توسط علوم مواد و شیمی توسعه یافته و به نانومقیاس معروف است، نباید به عنوان نانوتکنولوژی تلقی شود. هدف اصلی در نانوتکنولوژی ایجاد کاربردهای انقلابی و خواص فوقالعاده مواد، با سازماندهی و جنبش آنها و همچنین طراحی ابزار در مقیاس نانو میباشد. نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر یک مثال موردی از نانوتکنولوژی هستند. در این نوع مواد، از خاک رسهای نوع اسمکتیت ( Smectite ) از قبیل هکتوریت، مونت موریلونیت و میکای سنتزی، به عنوان پرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده میشود. خاک رسهای نوع اسمکتیت، ساختاری لایهای دارند و هر لایه، از اتمهای سیلیسیم کوئورانیه شده بصورت چهار وجهی که به یک صفحه هشت وجهی با لبههای مشترک از Al(OH) 3 یا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکیل شده است. با توجه به طبیعت پیوند بین این اتمها، انتظار میرود این مواد خواص مکانیکی فوقالعادهای را در جهت موازی این لایهها نشان دهند ولی خواص مکانیکی دقیق این لایهها هنوز شناخته نشدهاند. اخیراً با بهره گرفتن از روش های مدلسازی تخمین زده شده که ضریب یانگ در راستای لایهها، پنجاه تا چهارصد برابر بیشتر از یک پلیمر عادی است. لایهها نسبت صفحهای (aspect ratio) بالایی دارند و هر لایه تقریباً یک نانومتر ضخامت دارد، در حالیکه شعاع آن از سی نانومتر تا چند میکرون، متفاوت میباشد. صدها یا هزاران عدد از این لایهها بوسیله یک نیروی واندروالسی ضعیف، روی هم انباشته میشوند تا یک جزء رسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب این امکان وجود دارد که رسها را به اشکال و ساختارهای گوناگونی، درون یک پلیمر، به شکل سازمانیافته قرار دهیم. اصلی که در نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر رعایت میشود، این است که نه تنها دانههای رسی را از هم جدا میکنند، بلکه لایههای هر دانه را نیز از هم جدا میکنند با انجام این عمل، خواص مکانیکی فوقالعاده هر لایه نیز بطور موثر بکار میآید و این در حالی است که در اجزای تقویت شده نیز بطور چشمگیری افزایش پیدا میکند، زیرا هر جزء رسی خود از صدها تا هزاران لایه تشکیل شده است. امتیاز نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر این است که تاثیر قابل توجهی بر خواص اپتیکی پلیمر ندارند. ضخامت یک لایه رس منفرد، بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است، بنابراین نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتیکی شفاف میباشد. با این دلایل، نتیجه میگیریم که نانوکامپوزیتهای خاک رس/ پلیمر نمایش خوبی از نانوتکنولوژی میباشد. با سازماندهی و چینش ساختار کلی در پلیمرها در مقیاس نانومتر، مواد جدید با خواص نو یافت شدهاند. نکته دیگر در توسعه نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر این است که این تکنولوژی، فوراً میتواند کاربرد تجاری پیدا کند، در حالیکه بیشتر نانوتکنولوژیهای دیگر، هنوز در مرحله مفاهیم و اثبات هستند.
۲-۲-کارهای تجربی
۲-۲-۱-مواد و تجهیزات
در این پژوهش برای ساخت غشا نانوکامپوزیتی از پلیمر پلیسولفون (PSf) استفاده شدهاست. دیگر مواد مورد استفاده عبارتاند از حلال N-متیلپیرولیدون[۱] (NMP) از شرکت LOBA Chemie، آبمقطر، نانوسیلیکا (Nano SiO2) و نانوکلی (Nano Clay) از شرکت پیشگامان نانومواد ایران.
تجهیزات مورد استفاده در این پژوهش عبارتانداز: ترازو، هیتر با همزن مغناطیسی، آون و حمام فراصوت[۲].
۲-۲-۲-ساخت غشا
۲-۲-۲-۱- ساخت فیلم غشای پلیمری اولترافیلتراسیون PSf
به منظور ساخت غشای پلیمری اولترافیلتراسیون با پلیمر PSf در ابتدا پلیمر به مدت ۱۲ ساعت در آون (شکل ۲-۱) تحت دمای °C70 خشک شده است تا رطوبت و حلالهای باقیمانده از آن خارج شود. سپس مقدار معینی از پلیمر برای ساخت محلول ۱۵% وزنی به حلال NMP اضافه شده است. پس از آن محلول در حمام آب قرار داده شده و در دمای محیط به مدت ۱روز همزده شده است تا پلیمر به طور کامل حل شود (شکل ۲-۲). محلول حاصل به مدت ۵ دقیقه در حمام فراصوت قرار داده شده تا یک محلول کاملا یکنواخت بهدست آید. محلول پایانی به دست آمده توسط فیلمکش بر روی شیشه ریختهگری شده و پس از۳۰ ثانیه در حمام آبمقطر در دمای محیط (ضدحلال) فرو برده می شود تا لایه غشایی شکل گرفته و از شیشه جدا گردد. غشای بهدست آمده بهمدت ۱۲ ساعت در آبمقطر باقی میماند تا حلال بهطور کامل از غشا خارج شود. حمام فراصوت استفاده شده در این پژوهش در شکل ۲-۳ نشان داده شده است.
شکل ۲-۱- آون مورد استفاده بهمنظور ساخت و خشک کردن غشا
شکل۲-۲- حمام آب و سیستم بازگشتی در ساخت غشا
شکل۲-۳-حمام اولتراسونیک مورد استفاده برای پخش کردن یکنواخت ذرات
۲-۲-۲-۲- ساخت غشاهای نانوکامپوزیتی PSf
در پژوهش حاضر به منظور ساخت غشای نانوکامپوزیتی، به محلول آماده شده برای ساخت غشای اولترافیلتراسیون نانوذرات نانوسیلیکا و نانوخاک رس اضافه میشوند. مقدار مشخصی از نانوسیلیکا به محلول اضافه میشود و بهمدت ۱۲ساعت در دمای محیط ۲۴ درجه روی دور تند همزده میشود. سپس ۵دقیقه در حمام فراصوت در دمای محیط قرار میگیرد تا یک محلول کاملاً یکنواخت و همگن حاصل شود. محلول پایانی به دست آمده توسط فیلمکش بر روی شیشه ریختهگری شده و پس از۳۰ ثانیه در حمام آبمقطر در دمای محیط (ضدحلال) فرو برده می شود تا لایه غشایی شکل گرفته و از شیشه جدا گردد. مراحل اضافه کردن نانوکلی مشابه مراحل ذکر شدهاست با این تفاوت که برای بهتر پخش شدن ذرات کلی، پودر نانوکلی اندازهگیری شده به ۵ قسمت مساوی تقسیم شده و در فاصلههای زمانی مناسب به محلول اضافه میشود. غشاهای حاصل تا زمان استفاده در آبمقطر نگهداری میشود.
۲-۲-۳- شار آب خالص
۲-۲-۳-۱- مدول غشایی
مدول استفاده شده در آزمایشها، مکعب مستطیل میباشد. این مدول با مساحت موثر ۷۸۵/۲۰ سانتیمترمربع تهیه شده است و جنس آن فولاد ضدزنگ میباشد. مدول در شکل ۲-۴ نشان داده شده است.
شکل ۲-۴- مدول غشایی استفاده شده جهت اندازه گیری میزان تراوایی
۲-۲-۳-۲- آزمون تراوش
در آزمایشهای تراوش، آب خالص در فشارهای مختلف وارد مدول غشایی شدهاست مقدار آب عبوری از غشا با ترازو اندازه گیری شده است. مقدار آب عبوری از غشا پس از رسیدن به حالت پایا[۳] اندازه گیری شده است. به علت شدت جریان مناسب جریان تراوش کرده، نیازی به ایجاد خلا در سمت تراوه و یا استفاده از جریان جاروکننده[۴] نبوده است.
۲-۲-۳-۳-نحوه انجام آزمایشها
بهمنظور انجام آزمایشهای شار آب خالص، غشاهای تهیه شده که در آب مقطر قرار دارند را در مدول غشایی قرار داده میشوند. سپس فشار ۵/۰ Bar بر روی غشا اعمال میگردد و به مدت ۱۵دقیقه در این فشار باقی میمانند تا به حالت پایا برسند. سپس فشار تا فشارهای بالاتر افزایش داده می شود. این کار در هر غشا تکرار می شود و جریان عبوری از غشا با دقت gr/min 01/0 ثبت میگردد.
۲-۲-۳-۴- محاسبه میزان آب خالص عبوری غشا
در شرایط پایا، شار آب خالص از غشا با بهره گرفتن از رابطه ( ۲-۱ ) محاسبه شده است. واحد شار kg/m2h است. از این رو شار آب خالص بهصورت مقدار آب عبوری از غشا بر واحد سطح بر واحد زمان اندازهگیری شدهاست.
) (۲-۱
که در این رابطه m جرم آب عبوری از غشا، A مساحت غشا و t مدت زمانی است که جرم m از غشا عبور میکند.
۲-۳- روشهای ارزیابی ساختاری
آزمونهای انجام گرفته جهت ارزیابی ساختاری غشاهای سنتز شده عبارتند از:
۱- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
عکسبرداری SEM جهت بررسی ریختشناسی سطح مقطع غشاها و توزیع نانوذرات در ساختار غشای بستر آمیخته و بررسی چسبندگی نانوذرات با پلیمر انجام گرفت.
۲-طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه(FTIR)
آزمون FTIR جهت تجزیه و شناسایی پیوندهای پلیمر و مقایسه آن با نمونه استاندارد به منظور اطمینان از عدم تخریب در ساختار پلیمر در حین عملیات ساخت غشا انجام شد.
۳-میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)
برای مطالعه ریخت شناسی سطح غشاهای ساخته شده و بررسی تأثیر حضور نانوذرات برروی سطح غشاها آزمون AFM انجام شده است. در ادامه نتایج ارزیابی های عملیاتی و ساختاری آورده شده و برروی نتایج حاصل شده بحث می شود.
[دوشنبه 1400-09-29] [ 02:09:00 ق.ظ ]
|