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