۳-۵ اصلاح غشا با بهره گرفتن از نانوذرات

همان­طور که در فصل۱ مطرح گردید حضور پلی­اکریل آمید در محلول خوراک سبب گرفتگی در غشاها می­ شود که این گرفتگی بطور معمول در سطح غشا به صورت لایه کیک ظاهر می­گردد. یکی از روش­های کاهش گرفتگی غشاهای مختلف افزایش آبدوستی سطح آن می­باشد زیرا در این حالت جریان عبوری از سطح قادر به شستشوی بهتر لایه کیک می­باشد و از طرف دیگر تمایل سطح غشا به جذب گرفتگی کاهش می­یابد]۳۷[. یکی از این روش­های نوین افزایش آبدوستی سطح غشا افزودن نانوذرات به ساختار غشاها می­باشد. در این پژوهش از نانوذرات تیتانیوم دی­اکسید با اندازه ذرات ۲۵ نانومتر جهت افزایش آبدوستی سطح غشا به دو روش خودآرایی و مخلوط کردن استفاده شده است. در ادامه به شرح و نتایج این دو روش پرداخته خواهد شد.

۳-۵-۱ اثر خودآرایی نانوذرات تیتانیوم دی­اکسید بروی سطح غشا

نانوذرات به دلیل اندازه بسیار کوچک­شان در فضاهای خالی بین زنجیره­های پلیمر در ساختار غشا قرار می­گیرند. همچنین از آنجائیکه غشاها هیدرولیز شده ­اند و دارای گروه ­های کربوکسیلات می­باشند امکان تثبیت نانوذرات را بروی سطح غشا فراهم می­سازند. حضور این گروه­ ها سبب تشکیل هرچه بیشتر پیوندهای قوی داتیو و در نتیجه تثبیت نانوذرات تیتانیوم دی­اکسید بروی غشا ساخته شده می­ شود. غشاهای تهیه شده پس از هیدرولیز و عملیات حرارتی بهینه شده در محلول ۱/۰% نانوذرات تیتانیوم دی­اکسید غوطه­ور می­گردند.
نانوذرات تیتانیوم دی­اکسید، پس از غوطه‌وری غشا ساخته شده در محلول ۱/۰% وزنی از تیتانیوم دی­اکسید، به مرور زمان و با تشکیل پیوندهای هیدروژنی و داتیو با گروه ­های کربوکسیلات موجود در سطح غشا تثبیت می­شوند. شکل ۳-۹ نحوه هیبرید شدن نانوذرات را بروی ساختار پلیمر پلی­اکریلو نیتریل نشان می­دهد.
شکل۳-۹: خودآرایی نانوذرات تیتانیوم دی­اکسید بروی سطح غشا ]۷۰[
برای افزودن نانوذرات به غشا با روش خودآرایی در ابتدا باید نانوذرات تیتانیوم دی­اکسید بخوبی در محیط آبی پخش و همگن شوند که برای این منظور از دستگاه حمام اولتراسونیک استفاده شده‌است. نانوذرات تیتانیوم دی­اکسید در آب، اگرچه با بهره گرفتن از دستگاه حمام اولتراسونیک کاملاً پخش می­شوند، اما به مرور زمان در کف ظرف ته نشین می­شوند. جهت به حداقل رساندن ته ‌نشینی در این پرژه غلظت نانوذرات بسیار اندک (۱/۰ % وزنی) انتخاب شد و اثر زمان های متفاوت (۵، ۱۵، ۳۰ و ۶۰ دقیقه) به روی خواص غشا مورد بررسی قرار گرفت. در غلظت حاضر، سوسپانسیون محلول تا بیش از یک ساعت به خوبی یکنواخت و شیری رنگ باقی می­ماند و ته نشینی بسیار اندک رخ می­دهد.

(( اینجا فقط تکه ای از متن 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. ))

شکل۳-۱۰ اثر تغییر زمان غوطه­وری غشاها را در محلول تیتانیوم دی­اکسید بروی خواص غشا نشان می­دهد.
شکل۳-۱۰: اثر زمان غوطه­وری غشا در محلول نانوذرات TiO₂ بر میزان احتباس و شار پلی­اکریل آمید (غلظت پلی‌اکریل‌آمید ppm10، سرعت جریانL/min ۵/۶ و فشار ۳ بار)
همان­طور که مشاهده می­ شود زمان غوطه­وری بروی میزان احتباس پلی­اکریل آمید اثر بسیار ناچیزی دارد (۶/۰%) که قابل صرف نظر کردن می­باشد. در مقابل نانوذرات بروی شار عبوری از غشاها بطور چشمگیری اثر بخش می­باشند. شار غشا تا زمان ۱۵ دقیقه ۳۳% افزایش نشان می­دهد و پس از آن با افزایش بیشتر زمان غوطه­وری کاهش شار مشاهده می­ شود. علت این کاهش شار را می­توان تجمع بیش از حد نانوذرات در سطح غشا عنوان کرد به گونه­ایی که نانوذرات در اثر تجمع بر روی سطح مانند یک سد عمل کرده و مانع عبور مولکول­های آب می­گردند]۷۱[. از اینرو زمان ۱۰ دقیقه بدلیل حداکثر افزایش شار عبوری و بدون کاهش احتباس به‌عنوان زمان غوطه­وری بهینه انتخاب می­گردد.

۳-۵-۲ اثر مخلوط کردن نانوذرات تیتانیوم دی­اکسید در محلول پلیمری

در این روش نانوذرات در محلول پلیمری اولیه پلی­اکریلو نیتریل با غلظت­های مختلف قرار می­گیرند. مهم­ترین نکته‌ایی که باید در این روش مورد توجه قرار گیرد پخش شدن مناسب نانوذرات در محلول پلیمری می­باشد. برای این منظور نانوذرات پس از حذف رطوبت در آون، در حلال دی‌متیل‌فرمآمید توسط حمام اولتراسونیک پخش شده و سپس با نسبت مشخص با پلیمر مورد نظر مخلوط می­ شود. به دلیل حضور کمتر نانوذرات روی سطح غشا در این روش سعی شده‌است غلظت­های بالاتری از نانوذرات نیز استفاده شود. نانوذرات با درصدهای مختلف ۰۱/۰، ۰۵/۰ و ۱/۰ درصد با ۱۶% پلی­اکریلو نیتریل مخلوط شده ­اند و پس از تهیه فیلم و فرایند وارونگی فاز غشاهای ساخته شده در این روش مورد ارزیابی قرار گرفتند.
تفاوتی که در روش مخلوط کردن با روش خودآرایی دارد، در میزان نانوذراتی است که در سطح غشا قرار می­گیرند. زیرا در این روش پیوند شیمیایی بین نانوذرات و زنجیره­های پلیمر وجود ندارد و نانوذرات تنها در محلول پلیمری مخلوط می­گردند. درحالیکه در روش خودآرایی با عمل هیدرولیز گروه ­های کربوکسلیک اسید در طول زنجیره پلیمر افزایش می­یابد و پیوند شیمیایی بین نانوذره و پلیمر برقرار می­ شود. در حقیقت در روش مخلوط کردن نانوذرات در ماتریکس غشا قرار می­گیرند، اگرچه در ادامه و در طول فرایند هیدرولیز و تشکیل کربوکسیلات قادر به پیوند شیمیایی با زنجیره­های پلیمر نیز می­باشند. نتایج ارزیابی غشاهای ساخته شده با روش مخلوط کردن در شکل ۳-۱۱ نشان داده شده است.
شکل۳-۱۱: اثر نانو ذرات بروی احتباس و شار عبوری پلی­اکریل آمید در روش مخلوط کردن (غلظت پلی‌اکریل‌آمید ppm10، سرعت جریانL/min ۵/۶ و فشار ۳ بار)
همان­طور که از شکل۳-۱۱مشخص است روند نتایجی که از روش مخلوط کردن با روش خودآرایی بدست آمده است متفاوت می­باشد. در روش مخلوط کردن بر خلاف روش خودآرایی با افزایش غلظت نانوذرات شار عبوری از غشا بیشتر می­ شود. البته با افزایش بیشتر نانوذرات شیب افزایش شار روندی کاهشی نشان می­دهد و میزان احتباس پلی­اکریل آمید پس از غلظت ۰۵/۰% بطور چشمگیر و غیر قابل قبولی افت می­ کند.
با توجه به نتایج می­توان دریافت که غلظت بهینه در این روش غلظت ۰۵/۰% از نانوذرات در محلول پلیمری است چرا که در غلظت های کمتر از این مقدار میزان شار خروجی با رشد کمی همراه خواهد بود و در غلظت های بالاتر از ۰۵/۰% نانوذره، علاوه بر مشکلات هموژن کردن تیتانیوم دی­اکسید در محلول پلیمری، با کاهش احتباس پلی­اکریل آمید مواجه خواهیم شد.

۳-۶ مقایسه بین دو روش افزودن نانوذرات

به منظور تعیین روش بهتر جهت افزایش عملکرد غشاهای تهیه شده با دو روش خودآرایی و مخلوط کردن باید به نتایج در حالت بهینه آن توجه نمود چرا که هریک از روش­ها همان­طور که عنوان شد، مزایا و معایبی دارند که به تنهایی نمی ­توانند موید روش به کار گرفته باشند.
روش خودآرایی از نقطه نظر سنتز روش آسان­تری نسبت به روش مخلوط کردن می­باشد زیرا در روش مخلوط کردن ته­نشینی ذرات در طول فرایند ریخته­گری بسیار می ­تواند مشکل­ساز باشد. در روش مخلوط کردن شار همواره روند افزایشی نشان می­دهد و در غلظت­های بالا نانوذرات احتباس کاهش می­یابد در حالیکه در روش خودآرایی شار ابتدا افزایش و سپس کاهش می­باید و میزان احتباس آن همواره ثابت است. شکل۳-۱۲ مقایسه بین دو روش به کار گرفته شده را برای حالت بهینه­شان نشان می­دهد، ملاک مقایسه درصد افزایش شار خروجی در پی جداسازی پلی­اکریل آمید می­باشد.
شکل۳-۱۲: مقایسه درصد افزایش شار در دو روش خودآرایی و مخلوط کردن(غلظت پلی اکریل آمید ppm10 و سرعت جریانl/min ۵/۶ و فشار ۳ بار)

۳-۷ آنالیز میکروسکوپ الکترونی پویشی از سطح غشا

شکل ۳-۱۳: تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، الف) سطح غشا پلی­اکریلونیتریل اولیه با بزرگنمایی ۵۰۰۰ برابر. ب) سطح غشا پلی­اکریلونیتریل اولیه با بزرگنمایی ۷۵۰۰ برابر

شکل ۳-۱۳: تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، پ) سطح غشا پس از عملیات‌­های هیدرولیز و حرارتی با بزرگنمایی ۵۰۰۰ برابر، ت) سطح غشا پس از عملیات ­های هیدرولیز و حرارتی با بزرگنمایی ۷۵۰۰ برابر