ساخت غشاهای نانو فیلتر پلیمری برای تصفیه آب

چکیده کار اول - بررسی تابش ماکروویو در ساخت غشاهای نانوفیلتر نامتقارن در این کار، یک محلول هموژن پلیمری با استفاده از 20% پلی اترسولفون (pes) در حلال دی متیل فرمامید (dmf) ساخته شده است. از پلی وینیل پیرولیدون (pvp) به عنوان حفره ساز به کار برده شده و محلول تحت دمایc°50 به مدت 5 ساعت تحت چرخش مگنت حدود 300 دور در دقیقه قرار گرفته است. بعد از آماده شدن یک محلول هموژن و بعد از خروج حباب های هوای از داخل محلول پلیمری، محلول پلیمری با ضخامت m? 250 با استفاده از یک فیلم کش بر روی یک ساپرت شیشه ای قالب ریزی می شود. یک زمان تأخیر تبخیر حدود یک دقیقه برای قالب روی ساپرت در نظر گرفته می شود که سبب تشکیل یک لایه نازک پلیمری فشرده بر روی سطح غشاء می شود. قالب فیلم تشکیل شده به طور مستقیم در حمام انعقاد که شامل 90% حجمی آب و 10% حجمی الکل است غوطه ور می گردد (دمای اتاق). بعد از فرآیند جداسازی فازی و تشکیل غشاء، غشای تهیه شده به مدت 20 ساعت در حمام انعقاد نگه داشته می شود تا فرآیند جدا سازی فازی به طور کامل انجام گیرد. غشاهایی که به این طریق آماده می شوند تحت تابش ماکروویو یا کوره حرارتی در دماهای مختلف قرار می گیرند. افزایش توان تابش سبب افزایش جزئی فلاکس غشاء می شود اما کاهش پس دهی غشاء را در پی خواهد داشت. هم چنین در اکثر غشاهای تولید شده، مشاهده می شود که در زمانهای تابش 60 و 90 ثانیه و توانهای مختلف، بیشترین فلاکس و کمترین پس دهی رخ می دهد. با توجه به اینکه غشای مطلوب آن غشایی است که بالاترین فلاکس و بیشترین پس دهی را داشته باشد، اما می بینیم که این دو پارامتر تقریباً به سختی با یکدیگر جمع می شوند وافزایش یکی سبب کاهش دیگری می شود. بر این اساس و با در نظر گرفتن پارامتر حداکثر صرفه جویی در انرژی، می توان زمان تابش 30 ثانیه را به عنوان زمان مناسب انتخاب کرد. کار دوم- ساخت غشاهای نانوفیلتر نامتقارن با استفاده از مخلوط پلی اتر سولفون/پلی ایمید و اصلاح شیمیایی آنها چون غشاهای آبدوست کمتر دچار پدیده انسداد می شوند، اصلاح سطح غشاها به منظور کاهش خصلت آبگریزی غشاها یکی از روشهای موثر برای تغییر خصوصیات سطحی غشاء می باشد. پلی ایمیدها جزء آن دسته از پلیمر هایی هستند که برای ساختار و اصلاح به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند. خصوصیات عالی فیزیکی و مکانیکی و هم چنین ترکیب شیمیایی قابل تغییر آنها بویژه در کنار مونومرهای دی آمینی و دی انیدریدی بسیار حائظ اهمیت است. غشاهایی که ترکیب درصد پلی اتر سولفون در آنها کمتر از 19 درصد است فلاکس بالایی از خود نشان دادند اما پس دهی آنها در حد غشاهای mf و uf مشاهده می شود. اما وقتی غشاهایی با ترکیب درصد 19 به 2 از پلی اتر سولفون و پلی ایمید ساخته می شوند و در ادامه با استفاده از اتیلن دی آمین (eda) و پلی اتیلن گلیکول تری آزین (peg-triazine) به عنوان cross-linker و دی اتانول آمین (dea) به عنوان اصلاح کننده شیمیایی و ماده آبدوست کننده سطح اصلاح می شوند، کارایی غشاها در حد غشاهای nf ارزیابی می شود. غشاهایی که از محلول پلیمری pes/pi با غلظت 2/19 درصد وزنی در حلال های دی متیل فرمامید و1، 4- دی اکسان (dmf/do) با درصد وزنی 50/50 حل می شوند، واز 2% وزنی پلی ونییل پیرولیدون (pvp) به عنوان حفره ساز در درون این مخلوط استفاده می شود، خصوصیات غشاهای nf را دارا هستند. ضخامت انتخابی غشاها حدود m? 250 می باشد. تمـام غـشـاهـای سـاخـتـه شـده بـه روش فـوق به مدت 3 ساعت در مـحـلـول مـتـانـول حـاوی 5% وزنـی اتـیـلـن دی آمین (eda) قرار داده می شوند. به منظور حذف مولکول های eda جذب نشده، غشاها به مدت h 20 در متانول خالص نگه داشته می شوند و در نهایت h 24 به آنها فرصت داده می شود تا خشک شوند. غشاء به دست آمده به مدت h 3 در محلول آبی peg-triazine با غلظت 5% وزنی غوطه ور می شود. برای افزایش آبدوستی، غشاها به مدت h 3 در دمای c°70 در محلول آبی 5% وزنی از دی اتانول آمین (dea) در ظرف در بسته ای غوطه ور می گردند. pi نه تنها نقش یک پلیمر قابل اصلاح را دارد بلکه می تواند نقش یک حفره ساز را نیز داشته باشد. حضور pi در درون ساختمان pes، سبب تغییر ساختار فشرده اسفنجی شکل غشاء (sponge like) به ساختار متخلخل انگشتی (finger like) شده و سبب کاهش ضخامت لایه بالایی غشاء و متعاقباً افزایش فلاکس عبوری از غشاء می شود. در میان غشاهای ساخته شده، غشاء 8l که از یک محلول پلیمری با ترکیب 19% پلی اتر سولفون، 2% پلی ایمید و 2% پلی وینیل پیرولیدون تهیه شده است، و با محلولهای 5% اتیلن دی آمین، 5/0% پلی اتیلن گلیکول تری آزین و 5% دی اتانول آمین اصلاح شده است، پس دهی بسیار خوبی از خود نشان می دهد (تا حدود 93%) اما فلاکس آن چندان زیاد نیست. کار سوم- ساخت غشاهای نانوفیلتراسیون اصلاح شده با ذرات فوتوکاتالیست tio2 و بررسی خصوصیت ضد انسداد غشاها یک محلول پلیمری شامل 17% پلی اترسولفون، 4% پلی ایمید، دی متیل فرمامید و دی اکسان با درصد وزنی 50 /50 به عنوان حلال، به همراه 2% پلی اتیلن گلیکول ساخته می شود. دلیل استفاده از پلی ایمید این است که می تواند هم به عنوان یک حفره ساز و هم به عنوان یک پلیمر که به راحتی می توان آن را اصلاح کرد، مورد استفاده قرار می گیرد. حضور 1 و4 – دی اکسان نیز سبب افزایش ویسکوزیته محلول پلیمری می شود. بعد از تهی? محلول پلیمری وبعد از خروج حبابهای هوا، با استفاده از یک فیلم کش، محلول پلیمری بر روی ساپرت شیشه ای به صورت یک فیلم با ضخامت mµ 250 ریخته می شود. بعد از قرار دادن فیلم حاصله در حمام انعقاد، فیلم غشایی تولید خواهد شد. غشاهای pes/pi که با یک محلول آبی حاوی 5 درصد وزنی dea برای ایجاد گروه oh– بر روی سطح غشاء اصلاح می شوند، بهترین عملکرد را نشان می دهند. dea در آب مقطر حل شده و غشاها به مدت h 3 در دمای 40 درجه سانتی گراد، در یک ظرف سربسته در آن نگه داشته می شوند. این غشاها به مدت 15 دقیقه در محلول tio2 با غلظتهای وزنی 01/0 و3 0/0 قرار داده می شوند و سپس به مدت 15 دقیقه تحت تابش نور uv با توان w 160 قرار می گیرند. این غشاها مقاومت بالایی در برابر انسداد به وسیله مواد آلی از خود نشان می دهند و بیشترین مقدار بازیافت فلاکس (flux recovery) را دارند. در این غشاها دیده می شود که میزان انسداد برگشت ناپذیر (rir) به مقدار بسیار زیادی کاهش یافته و فلاکس آنها در حد مطلوبی (kg/m2 h 15) باقی می ماند. کار چهارم- ساخت غشاهای نانوفیلتراسیون لایه نازک با استفاده از روش پلیمریزاسیون سطحی و استفاده از تابش ماکروویو در این کار تحقیقاتی ابتدا یک غشای ساپرت از جنس پلی اتر سولفون ((pes تهیه می شود. به این منظور 18 درصد وزنی پلی اتر سولفون و 15 درصد پلی وینیل پیرولیدون (pvp) در حلال دی میتل استامید حل شده ودر مدت زمان 5 ساعت و دمای 50 درجه سانتیگراد یک محلول پلیمری یکنواخت تهیه می شود. بعد ازتهیه این محلول غلیظ، و بعد ازخروج حبابهای هوا، محلول غلیظ بر روی یک ساپرت غیربافتی از جنس پلی استر ریخته شده و بوسیله یک فیلم کش به صورت یک لایه پلیمری با ضخامت µm 150 تهیه می گردد. پس از این مرحله غشاء در حمام انعقاد حاوی آب مقطر غوطه ور شده و به مدت 24 ساعت در این حمام نگهداری می شود. به منظور نشاندن یک لایه نازک جداسازی کننده بر روی ساپرت، غشاهای ساپرت pes را در درون یک قاب تفلونی که دارای یک حرضچه به ابعاد cm20 × 5/7 و ارتفاع cm 7/. است، محکم قرار داده به نحوی که سمت رویی یا بالایی غشاء در معرض محیط قرار بگیرد. یک فاز آبی شامل 5/1 درصد وزنی pip و 2/. درصد tea بر روی سطح بالایی ساپرت ریخته می شود و به مدت 2 دقیقه در دمای اتاق بر روی ساپرت می ماند. سطح غشاء بوسیله یک غلطک نرم مورد عمل قرار گرفته تا ذرات بسیار ریزحباب از محلول خارج شوند. بعد از خارج کردن محلول روی غشاء، محلول آلی –n هگزان با درصد وزنی 2/. از تری میسویل کلراید (tmc) بر روی سطح غشاء ریخته شده تا واکنش پلیمر یزاسیون سطحی انجام گیرد. در مرحله اول بعد از انتخاب یک زمان ماند محلول بر روی سطح غشاءها(حدود 2 دقیقه)، غشاء به مدت 10 ثانیه تحت تابش ماکروویو در توان w 540 قرار می گیرد. فرایند به نحوی است که فقط سطح خارجی غشاء در معرض محلولهای آلی و آبی و تابش ماکروویو قرار می گیرد. این غشاء توانایی پس دهی حدود 88% برای محلولهای سدیم سولفات و 60% برای سدیم کلراید را دارد و فلاکسی در حدود kg/m2 h 7 از خود عبور می دهد. کار پنجم- ساخت غشاهای نانوفیلتراسیون لایه نازک با به کار گیری سورفکتنتهای مختلف در فاز آلی در کار حاضر غشاهای nf لایه نازک پلی آمیدی بر روی یک غشاء uf ساخته می شوند که در لایه زیرین آنها از پارچه غیر بافتی (non-woven) پلی استر استفاده شده است. میزان تغییرکارایی این غشاها در اثر اضافه کردن غلظتهای مختلف سورفکتنتهای کاتیونی، آنیونی و خنثی مورد ارزیابی قرار می گیرد. با حل کردن 16 درصد وزنی پلی اتر سولفون، 2 درصد وزنی پلی وینیل پیرولیدون (pvp)، 3 درصد وزنی triton x-100 و 2 درصد وزنی آکریلیک اسید در حلال دی میتل استامید در مدت زمان 5 ساعت و دمای 50 درجه سانتیگراد یک محلول پلیمری یکنواخت برای تهیه ساپرت uf آماده می شود. بعد ازتهیه این محلول غلیظ وبعد از خروج حبابهای ریز هوا در مدت زمان 24 ساعت، محلول غلیظ بر روی یک ساپرت غیربافتی از جنس پلی استر ریخته شده و بوسیله یک فیلم کش به صورت یک لایه پلیمری با ضخامت µm 150 ساخته می شود. پس از این مرحله غشاء در حمام انعقاد حاوی آب مقطر غوطه ور گردیده و به مدت 24 ساعت در این حمام نگهداری می شود تا حلال و پلیمرهای قابل انحلال در آب، از ساختمان غشاء جدا شوند. غشاهای ساپرت pes در درون یک قاب تفلونی محکم نگه داشته می شوند به نحوی که سمت رویی یا بالایی غشاء در معرض محیط قرار گیرد. یک فاز آبی شامل 2 درصد وزنی/حجمی pip و 4/. درصد وزنی/حجمی tea بر روی سطح بالایی ساپرت ریخته شده و اجازه داده می شود که به مدت 2 دقیقه در دمای اتاق بر روی ساپرت بماند. سطح غشاء بوسیله یک غلطک نرم مورد عمل قرار می گیرد تا ذرات بسیار ریزحباب از محلول خارج شوند. بعد از خارج کردن محلول آبی از روی غشاء، محلول آلی –n هگزان شامل 3/. درصد وزنی/حجمی تری میسویل کلراید (tmc) و 5/0 درصد وزنی/حجمی از سورفکتنت ctab بر روی سطح غشاء ریخته می شود تا واکنش پلیمریزاسیون سطحی انجام گیرد. بعد از 2 دقیقه، محلول آلی دور ریخته شده و غشاء به مدت 2 دقیقه در دمای حدود 70 درجه سانتی گراد حرارت داده می شود. غشاهای تهیه شده نه تنها فلاکس بالایی از خود نشان می دهند بلکه توانایی جداسازی مطلوبی برای نمکهای مختلف دارند. مشاهده می شود که پس دهی این غشاء برای نمک na2so4 حدود 90%، برای نمک nacl حدود 70% و برای نمک mgcl2 حدود 50% است. در غشاهای حاوی sds، که به طریق فوق تهیه می شود، فلاکس تراوشی بسیار بیشتر است ومیزان پس دهی نیز بسیار مطلوب است به نحوی که در این غشاها میزان پس دهی na2so4>mgcl2>nacl و به ترتیب در حد 90، 70 و 50% است.