مدلسازی و مطالعه ترموسینتِک مکانیسم جذب در غشاء ها

مکانیسم جذب نقش دو گانه ای در تکنولوژی جداسازی غشائی بازی می کند. بعنوان یک مکانیسم گرفتگی غشاء، جذب نامطلوب بوده و باید کنترل شده و محدود گردد. از سوی دیگر "غشاء های جاذب" مزیت هایی نسبت به روش های معمول جداسازی پروتئین ها و یون های سنگین نشان می دهند. از آنجا که جنبه های گفته شده مکانیسم جذب در تقابل با تکنولوژی غشائی تا کنون در متون علمی بررسی نشده است، این نوشتار به بررسی آنها می پردازد. برای تحلیل و ارزیابی پروسس جذب غشائی، روشهای ایزوترمال، ترمودینامیک و سینتیک بهمراه مدلسازی ریاضی به خدمت گرفته شده است. این نوشتار شامل پنج بخش مستقل می باشد که هر یک به موضوع خاصی در حوزه جذب غشائی می پردازد. در بخش اول این رساله، اثر هادی شدن سطح بر رفتار جذبی غشاء الترافیلتراسیون pm3 در تقابل با پروتئین bsa مورد بررسی قرار گرفت. ایزوترم های لانگمویر و ردلیش پترسون بخوبی داده های جذب تعادلی را توصیف کردند. غشاء غیرهادی ظرفیت بیشتری برای جذب پروتئین نسبت به غشاء هادی نشان داد. مطالعه سینتیک جذب نشان داد که زمان لازم برای رسیدن به تعادل برای غشاء غیرهادی کمی بیشتر است. بوجود آمدن میدان الکترواستاتیکی که بعنوان یک عامل بازدارنده علیه عبور پروتئین عمل می کند و همچنین انسداد موضعی سطح و حفرات سطحی غشاء هادی با پلیمر پلی پیرول را می توان علل خاصیت ضد گرفتگی غشاء هادی دانست. در بخش دوم این نوشتار، جذب پویای هیومیک اسید از مخلوط آن با پروتئین bsa بر غشاء های الترافیلتراسیون در حضور یون های مختلف بررسی شده است. ایزوترم ردلیش پترسون بخوبی جذب تعادلی را توصیف نمود. تاثیر برخی فاکتورها نظیر افزودن پروتئین، قدرت یونی، بار یون و سایز آبپوشی یون بر جذب هیومیک اسید توسط غشاء بررسی گردید. با افزایش قدرت یونی محلول و بار یون ظرفیت تعادلی جذب غشاء افزایش یافت. همچنین کاتیون با دانسیته بار کمتر با ارائه قدرت بیشتر برای جذب مولکول های اسید منجر به افزایش ظرفیت جذب غشاء گردید. در بخش سوم این رساله، گرفتگی غشاء های نانوفیلتراسیون pvd و nf45 بر اثر جذب کاتیون های مختلف از محلول های سنتزی و صنعتی آنها مورد بررسی قرار گرفت. روش فیلتراسیون جریان عرضی برای تولید داده های جذب دینامیکی تعادلی استفاده شد. طبیعت ناهمگن جذب با توافق بهتر ایزوترم فریوندلیچ با داده های تعادلی مشخص گردید. همچنین آنالیز ترمودینامیکی جذبی گرماگیر، خودبخودی و پیش رونده بر اثر تغییر آنتروپی را نشان داد. از کاهش انرژی آزاد گیبس با افزایش دما این نتیجه حاصل شد که با کاهش دمای خوراک می توان اثر نامطلوب گرفتگی ناشی از جذب را کاهش داد. در قسمت چهارم این نوشتار، ترموسینتیک جذب یون های نیکل و کبالت بر غشاء حک اثر شده با یون نیکل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. ایزوترم سیپس بخوبی توانست جذب تعادلی یون ها را توصیف نماید. پارامترهای اصلی ترمودینامیکی نظیر انرژی آزاد، تغییر آنتالپی و انتروپی نشان دادند که فرآیند جذب گرماده و خودبخودی است. از طرف دیگر مطالعه سینتیک جذب نشان داد که سرعت جذب و عبور یون نیکل از درون غشاء سریعتر از یون کبالت است. در ادامه یک مدل ریاضی جدید برای توصیف رفتار جذب و عبور غشاء حک اثر شده ارائه شد. با توصیف خوب داده های تجربی توسط مدل، درک و بینش خوبی نسبت به پدیده ها و مکانیسم های درگیر در جذب غشاء های حک اثر شده با یون حاصل گردید. در بخش آخر این رساله، پلی اتیلن گلایکول (بعنوان حفره زا) و نانو لوله های کربنی بهبود یافته توسط گروه های عاملی آمین، برای ارتقاء غشاء های نازک جاذب از جنس چیتوسان و پلی وینیل الکل با هدف جذب بیشتر یون مس به کار گرفته شدند. آنالیزهای ftir, sem, afm ، نفوذپذیری، ظرفیت جذب آب و مقاومت مکانیکی برای بررسی خواص غشاء های جاذب به کار رفت. آزمایشات جذب ایستا برای بررسی اثرات افزودن نانو ذرات، اسیدیته محلول، غلظت یونی محلول و دما بر ظرفیت جذب غشاء ها انجام گرفت. غشاء های ماکروحفره با افزودن پلی اتیلن گلایکول به محلول ساخت غشاء حاصل گردید. از طرف دیگر افزودن نانولوله های کربنی حامل گروه عاملی آمین با ایجاد نانوکانال ها و مجراهای تکمیلی در ساختار متراکم غشاء چیتوسان/پلی وینیل الکل، سبب بهبود خواص جذب و نفوذپذیری این غشاها شد. مطالعات ترموسینتیکی غشاهای جاذب طبیعت گرماگیر، خودبخودی و مطلوب جذب را نشان داد. بعلاوه این مطالعات اثبات کرد که نانولوله های کربنی حامل گروه عاملی آمین نقش اساسی در افزایش سرعت جذب غشائی بازی می کنند. در نهایت غشاهای جاذب حاوی مقادیر بهینه پلی اتیلن گلایکول و نانولوله های کربنی حامل گروه عاملی آمین سنتز گردید. این غشاء ها بالاترین ظرفیت جذب، احیاپذیری و بهترین کارایی را در فرآیند فیلتراسیون ته بسته از خود نشان دادند.