بخشی از مقاله
چکیده
فرآیند اسمز مسقیم به دلیل کاهش مصرف انرژی در نمک زدایی مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. در این پروژه غشا لایه نازک نانو کامپوزیتی به منظور استفاده در فرآیند اسمز مستقیم به روش پلیمریزاسیون سطحی بر روی زیرلایه پلی سولفونی سنتز شد. غلظت های مشخصی از نانوذرات آلومینا و سیلیکا در ساخت غشا مورد بررسی قرار گرفت. عملکرد فرآیند اسمز مستقیم با استفاده از محلول ده میلی مولار نمک سدیم کلراید به عنوان خوراک و محلول دو مولار نمک سدیم کلراید به عنوان محلول اسمزی در هر دو جهت گیری اندازه گیری شد. در بهترین حالت فلاکس آب اسمز مستقیم غشاها لایه نازک نانو
کامپوزیتی 17/22 که تقریبا هفتاد درصد بیشتراز غشا های کامپوزیتی می باشد. افزایش فلاکس آب
می تواند به کمترشدن پدیده قطبش غلظتی در غشاهای اسمز مستقیم نسبت داده شود. براساس نتایج بدست آمده در این مطالعه می توان نتیجه گرفت که اضافه کردن مقادیر مناسبی از نانوذرات در زیر لایه پلی سولفونی می تواند عملکرد غشاهای لایه نازک کامپوزیتی را در فرآیند اسمز مستقیم بهبود بخشد.
کلمات کلیدی غشا لایه نازک نانو کامپوزیتی، اسمز مستقیم ،نمک زدایی ، نانوذرات
-1 مقدمه
آب یکی از پارامتر های ضروری برای حفظ یک محیط سالم در جوامع امروزی به شمار می آید.[1] به طوری که یکی از بحران های جهان امروز نیاز به آب آشامیدنی سالم می باشد و کشورهای زیادی در جهان از کمبود آب سالم رنج می برند. [2] اگر چه 75 درصد از سطح زمین را آب فرا گرفته است و آب در دسترس بسیار فراوان است اما آب شیرین به راحتی از این منابع نامحدود قابل استخراج نیست.[3] شیرین سازی یکی از روش های جداسازی است،که طبق آمار بیش از 75 میلیون نفر درجهان، آب شیرین مورد نیاز خود را از روش های شیرین سازی آب دریا تامین می کنند.[4-5] نمک زدایی آب اقیانوس و دریا از جمله گران ترین روش های تامین آب شیرین برای مصرف انسان می باشد. همه ی فرآیند های نمک زدایی متداول به
مقدار زیادی انرژی گرمایی یا الکتریکی یا هر دو نیاز دارند.[1] فرآیند های غشایی، به ویژه اسمز معکوس، آب شور را به طور اختصاصی نمک زدایی می کنند. در واحدهای صنعتی اسمز معکوس انرژی الکتریکی، جزو هزینه های اصلی فرآیند به شمار می آید بنابراین تاکنون تلاش های زیادی در جهت کاهش انرژی مورد نیاز فرآیندهای نمک زدایی به منظور رفع تقاضای روز افزون بشر به آب به شیوه ی اقتصادی، صورت گرفته است .[6] به همین دلیل یک فرآیند با هزینه کم و مصرف پایین انرژی برای شیرین سازی آب مورد نیاز است، اسمز مستقیم (FO) یک فرآیند اسمز طبیعی است که در آن آب بخاطر تفاوت در فشار های اسمزی از یک غشا نیمه تراوا عبور کرده و از یک محلول با غلظت پایین(محلول خوراک) به محلول دیگری با غلظت بالا (محلول اسمزی) نفوذ می کند. مزیت اصلی اسمز مستقیم در این است که بدون فشار هیدرولیکی عمل می کند، در نتیجه در مقایسه با فرآیندهای فشاری نظیر اسمز معکوس منجر به گرفتگی غشایی کمتر و به دنبال آن کاهش مصرف انرژی می شود. انتقال آب از محلول خوراک به محلول اسمزی یک فرآیند طبیعی می باشد و به هیچ انرژی نیاز ندارد. برای بازیابی آب نفوذ کرده به محلول اسمزی به مقداری انرژی نیازمندیم. اما استفاده از محلول اسمزی مناسب می تواند اسمز مستقیم را تبدیل به یک فرآیند کم هزینه کند.[8-7] در نتیجه به تحقیقات منظم و گسترده ای در زمینه اسمز مستقیم برای بهبود عملکرد این فرآیند و نیز اجرای آن در مقیاس صنعتی نیاز می باشد. هر چند این تحقیقات با موانع مختلفی از جمله فقدان غشاهای اسمز مستقیم مواجه هستند. در نتیجه مهم ترین مرحله در بهبود حوزه ی اسمز مستقیم یعنی توسعه و آزمایش غشاهای جدید در هر دو ساختار مسطح و الیاف تو خالی در حال بررسی است. غشاها باید دارای فلاکس بالای آب، فلاکس معکوس نمک پایین، قطبش غلظت داخلی کم، ثبات شیمیایی بالا و قدرت مکانیکی بالا باشند.
-2 مواد و روشهای آزمایش
-1-2 مواد
پلیمر پلی سولفون، حلال دی متیل فرمامید، پلیمرپلی وینیل پیرولیدون، مونومر متا فنیل دی آمین، تری مزوئیل کلراید، نرمال هگزان، تری اتیل آمین، نانوذرات آلومینا و سلیکا، نمک سدیم کلرید، آب مقطر
-2-2 ساخت غشا کامپوزیتی و نانو کامپوزیتی ابتدا 16 درصد وزنی از پلیمر پلی سولفون به عنوان پلیمر اصلی وسازنده بدنه غشا و 2 درصد وزنی پلی وینیل
پیرولیدون به عنوان شکل دهنده حفرات و آب دوست کننده سطح در حلال دی متیل فرمامید حل گردید. فرآیند حل شدن تا زمانی که محلول همگن شود ادامه می یابد. پس از این فرآیند محلول پلیمری دور از نور به مدت 24 ساعت بدون هم زدن نگه داشته شد. تا حباب های احتمالی از محلول خارج گردند. سپس محلول توسط ضخامت دهنده یا فیلم کش روی پارچه پلی استری با ضخامت 100 میکرومتر کشیده شده و بلافاصله در حمام آب غوطه ور می شود تا جدایش فازی رخ دهد، در پایان نیز غشاها از آب خارج شده ودر دمای اتاق بین کاغذ صافی قرار داده می شوند تا خشک گردند.[9] برای ساخت زیر لایه پلی سولفونی نانو کامپوزیتی تمامی مراحل قبل انجام می شود با این تفاوت که برای ساخت محلول پلیمری ابتدا نانوذرات سیلیکا و آلومینا با غلظت یک درصد وزنی در حلال دی متیل فرمامید به مدت 2 ساعت روی همزن مغناطیسی حل می شوند در ادامه برای پراکندگی مناسب نانوذرات، محلول به مدت 2 ساعت در دستگاه التراسونیک قرار داده می شود، سپس پلیمر های پلی سولفون و پلی وینیل پرولیدون به محلول اضافه شده و فرآیند حل شدن به مدت 24 ساعت صورت می گیرد.[10] غشاهای کامپوزیتی لایه نازک به روش پلیمریزاسیون در فصل مشترک تهیه می شوند، در این روش، زیر لایه های پلی سولفونی وپلی سولفونی نانوکامپوزیتی ساخته شده در محلول آبی شامل دو درصد وزنی متا فنیلن دی آمین و یک درصد وزنی تری اتیل آمین به مدت زمان دو دقیقه غوطه ور می شود. پس از بیرون آوردن از محلول آبی جهت اطمینان از حذف 2
محلول آمینی اضافی باقیمانده بر روی سطح، همچنین برای حذف حباب های کوچک تشکیل شده در دمای محیط به صورت عمودی نگه داشته می شود و توسط ابر نرم سطح غشای اشباع شده تمیز می گردد، زیر لایه پلی سولفونی اشباع شده از محلول آبی در محلول آلی شامل 0/1درصد وزنی از تری مزوئیل کلراید در نرمال هگزان به مدت 30 ثانیه غوطه ور می شود. سپس غشا محلول بیرون آورده می شود جهت تثبیت لایه و تکمیل واکنش پلیمریزاسیون غشای حاصله به مدت 5 دقیقه در دمای 80 درجه سانتیگراد آون قرار داده می شود سپس غشاها از آون خارج شده ودر آب مقطر 40 درجه سانتیگراد به مدت 5 دقیقه نگهداری می شود و غشاهای کامپوزیتی (TFC) و نانو کامپوزیتی (TFN) نامگذاری می شوند.[11]
-3-2 اندازه گیری عملکرد اسمز مستقیم عملکرد فرآیند اسمز مستقیم (فلاکس آب) با استفاده از سیستم آزمایشگاهی اسمز مستقیم اندازه گیری می شود. خوراک و
محلول اسمزی با سرعت یکسان 800 میلی لیتر بر دقیقه به گردش در می آیند. محلول آب نمک 2 مولار به عنوان محلول اسمزی و محلول 10 میلی مولار آب نمک به عنوان خوراک استفاده می گردد. با اندازه گیری تغییرات وزن خوراک در یک بازه زمانی مشخص فلاکس آب اسمز مستقیم اندازه گیری می شود.[9]
∆ ∆
(1) × = =
∆ ∆
∆ و ∆ به ترتیب تغییرات حجم و وزن خوراک هستند و همچنین چگالی خوراک، مساحت سطح
فعال غشا و ∆ زمان انجام فرآیند است.
فلاکس نمک اسمز مستقیم با اندازه گیری غلظت نمک خوراک با استفاده از دستگاه هدایت سنج اندازه گیری می شود:
(2) ( − (
× =
∆
Voو به ترتیب حجم اولیه و حجم نهایی خوراک و همچنین Co و به ترتیب غلظت اولیه و نهایی نمک در خوراک است[9]
-3 نتایج و تحلیل
-1-3 تاثیر نانو ذرات در عملکرد غشاهای اسمز مستقیم
تاثیر نانو ذرات در فرآیند اسمز مستقیم در شکل (1 ) نشان داده شده است. فلاکس آب و فلاکس معکوس نمک با استفاده از محلول ده میلی مولار سدیم کلرید به عنوان خوراک و محلول دو مولار سدیم کلرید به عنوان محلول اسمزی در دو جهت گیری غشا یعنی یکبار سطح فعال در تماس با خوراک و بار دیگر در تماس با محلول اسمزی اندازه گیری می شود. نتایج نشان داده است فلاکس آب اسمز مستقیم غشاهای نانو کامپوزیتی در هر دو جهت گیری غشا در مقایسه با غشاهای کامپوزیتی افزایش یافته است. این افزایش فلاکس به دلیل حضور نانوذرات در ساختار زمینه زیرلایه می باشد که آب دوستی وتخلخل زیرلایه بهبود بخشیده است و موجب بهبود در عملکرد غشاهای اسمز مستقیم شده است .فلاکس معکوس جزء حل شونده در شکل (2 ) نشان داده شده است. در غشاهای نانوکامپوزیتی سنتز شده فلاکس جزء حل شده افزایش می یابد،چرا که حضور نانوذرات در زیرلایه غشاهای نانوکامپوزیتی فرآیند پلیمریزاسیون سطحی را تحت تاثیر قرار داده وسبب کاهش پیوند های عرضی شکل گرفته در سطح غشا می شود.
3
AL-FS
AL-DS
TFC TFN-AL TFN-SI
شکل :1 فلاکس آب اسمز مستقیم
AL-FS
AL-DS
TFC TFN-AL TFN-SI
شکل :2 فلاکس معکوس نمک
18
16 hr).
14
2
12 (L/m
10 flux
water
6
8
4
10
8 hr).
4 2
flux(gr/m
6
2 solte
0
نتیجه گیری
ارزیابی غشاهای لایه نازک کامپوزیتی و نانوکامپوزیتی در فرآیند اسمز میتقیم نشان داده است، حضور نانو ذرات آبدوست و متخلخل سیلیکا و آلومینا سبب افزایش فلاکس آب در غشااسمز مستقیم شده است و غشا نانو کامپوزیتی عملکرد مناسب تری را نسبت به غشا های کامپوزیتی از خود نشان دادند. اما حضور نانو ذرات سیلیکا در زیرلایه موجب می شود که فرایند پلیمریزاسیون در فصل مشترک را تحت تاثیر قرار دهد وسبب افزایش فلاکس معکوس نمک شده ولی این افزایش در غشاهای نانو کامپوزیتی در مقایسه با افزایش فلاکس آب که در نتیجه حضور نانو ذرات آبدوست بوده است قابل چشم پوشی است. و غشا نانو کامپوزیتی سنتز شده با نانو ذرات سیلیکا (TFN-si)عملکرد بهتری را نسبت به سایر غشاها از خود نشان داده است و در نتیجه سنتز غشالایه نازک نانوکامپوزیتی می تواند راهی موثر برای بهبود عملکرد غشاهای اسمز مستقیم باشد، چرا که با افزایش تخلخل و آبدوستی و بیشتر شدن مسیر های آبی در زیرلایه می تواند منجر به کاهش پدیده قطبش غلظتی درونی و افزایش فلاکس غشاهای اسمز مستقیم شود.
4
عجارم
[1] Karaginnis, I. C, and Soldatos, L.Y. “Water Desalination cost literature, review and assailment,” Desalination, 223, 448-456 (2008).
[2] Shannon, M. “Science and technology for water purification in the coming decades,” Nature, 452, 301-310 (2008).
[3] Uroniene, I.A. “Desalination: Methods, Costs and Technologies,” New York: Nova Science Publishers, (2005).
[4] Chuyang, T, Chong, T.H and Fane, A.G. “Colloidal interactions and fouling of NF and RO membranes: a review,” Advances in colloid and interface science, 164, 126-143 (2011).
[5] Heather, C, and Wolff, G. “Desalination: with a Grain of Salt,” (2006).
[6] Lauren F, G. “Reverse osmosis desalinateon: water sources, technology, and today's challenges,” Water research, 43, 2317-2348 (2009).
[7] McGinnis, R. L, and Elimelech, M. “Energy requirements of ammonia–carbon dioxide forward osmosis desalination,” Desalination, 271, 370-382 (2007).
[8] Achilli, A. “The forward osmosis membrane bioreactor: a low fouling alternative to MBR processes,” Desalination, 239, 10-21 (2009).
[9] Amini, M, Jahanshahi, M, and Rahimpour, A. “Synthesis of novel thin film nanocomposite (TFN) forward osmosis membranes using functionalized multi-walled carbon nanotubes,” Journal of Membrane Science, 435, 233-241 (2013).
