اثر افزایش نانوذرات دی اکسید تیتانیم بر تراوایی غشا پلی ایمیدی

غشاهای پلی ایمیدی علیرغم پایداری حرارتی و شیمیایی مناسب و گزینش پذیری بالا در جداسازی مخلوط های گازی، تراوایی پایینی از خود نشان می دهند. در این تحقیق اثر توزیع نانوذرات اکسید فلزی tio2 بر شبکه پلیمر و تغییرات حاصل شده در تراوایی، گزینش پذیری و ساختار غشا شبکه ترکیبی بررسی شده است. پلیمر استفاده شده در ساخت غشا شبکه ترکیبی یک پلی ایمید با نام تجاری( matrimid 5218) است. توزیع نانوذرات tio2 و اندازه توده های تشکیل شده در شبکه و روی سطح پلیمر با آنالیزهای دستگاهی afm و tem بررسی شده است. به ازای غلظت های پایین از نانوذرات (کمتر از 15% حجمی) توزیع یکنواخت بوده و در صورت امکان توده-هایی با اندازه های نانو تشکیل شده اند. با افزایش غلظت فاز توزیع شده، میزان حفرات غیرانتخابی و توده های میکرونی بیشتر شده و عملکرد غشا را به شدت تحت تاثیر قرار داده است. تغییرات مورفولوژی و ساختار شبکه پلیمر در اثر توزیع نانوذرات tio2 توسط sem افزایش فاصله زنجیرهای پلیمر، توده های نانوذرات در شبکه و تشکیل حفرات را نشان داده است. همچنین، میزان حلال باقیمانده در شبکه پلیمر و تغییرات حرارتی با استفاده از آنالیز وزن سنجی حرارتی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. با اندازه گیری دانسیته غشاهای ساخته شده و مقایسه آنها با داده های تئوری محاسبه شده از مدل افزایشی میزان فضاهای خالی در شبکه پلیمر تعیین شده است. این نتایج افزایش حجم آزاد شبکه پلیمر را در اثر توزیع نانوذرات تایید کرده است. نتایج تراوایی گازهای خالص هلیم، نیتروژن، اکسیژن، متان و دی اکسیدکربن به صورت تابعی از کسر حجمی نانوذرات روندی صعودی داشته است. به عنوان مثال، به ازای20% حجمی نانوذرات تراوایی گازهای فوق به ترتیب 188، 318، 152، 267 و 179 درصد افزایش یافته است. همچنین، ضریب نفوذپذیری و حلالیت به روش تاخیر زمانی اندازه گیری شده است. بر اساس نتایج نفوذپذیری به دست آمده، رشد تراوایی ناشی از افزایش حجم آزاد شبکه پلیمر و تشکیل حفرات در فصل مشترک نانوذرات - پلیمر بوده است. به عنوان مثال، نفوذپذیری گازهای اکسیژن، نیتروژن و متان به ازای 20% حجمی نانوذرات tio2 به ترتیب 196، 420 و514 درصد افزایش یافته است. بنابراین، پارامتر غالب و تاثیرگذار بر افزایش تراوایی در نتیجه افزایش ضریب نفوذپذیری شبکه غشا بوده است. تغییرات ضریب حلالیت نسبت به کسر حجمی نانوذرات رفتاری متفاوت را در غلظت های بالاتر و کمتر از 15% داشته است. از طرف دیگر، میزان رشد تراوایی گازهای با اندازه مولکولی بزرگتر از قبیل متان و نیتروژن نسبت به گازهای دیگر بیشتر بوده است. به طوریکه با افزایش کسر حجمی نانوذرات قابلیت غربال مولکولی پلی ایمید کاهش یافته است.