بخشی از مقاله
چکیده
غشاي فیلم نازك کامپوزیتی با زیرلایه ي متخلخل و لایه ي فعال انتخاب پذیر به طور گسترده اي در فرایند اسمز معکوس و اسمز مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد. در این بررسی روش ساخت غشاي فیلم نازك کامپوزیتی بیان شده است. تاثیر غلظت مونومر ام-فنیلن دي آمین و مونومر تریمسویل کلراید بر شار آب و شار نمک برگشتی در عملکرد اسمز مستقیم با استفاده از آب دیونیزه به عنوان محلول خوراك و محلول 1 مولار سدیم کلرید به عنوان محلول کشنده مورد بررسی قرار گرفته است.
عملکرد غشاهاي فیلم نازك کامپوزیتی ساخته شده در دو جهت گیري AL-DS و AL-FS بررسی شده است. نتایج حاصل شده حاکی از آن است که با افزایش غلظت مونومر ام-فنیلن دي آمین در غلظت ثابت تریمسویل کلراید، شار آب و شار نمک برگشتی کاهش یافته است و این در حالی است که افزایش غلظت تریمسویل کلراید در غلظت ثابت ام-فنیلن دي آمین موجب افزایش شار آب و شار نمک برگشتی شده است. بهترین نتیجه در استفاده از 2% وزنی از ام فنیلن دي آمین و 0/1 % از تریمسویل کلراید، حاصل شده است. نتایج در دو جهت گیري مختلف نشان دهنده ي شار آب بالاتر در جهت گیري AL-DS به دلیل کم تر بودن پلاریزاسیون غلظتی می باشد.
-1 مقدمه
آب یکی از منابع فراوان در زمین می باشد . اما در حدود 97% از آب هاي موجود را، آب شور دریاها و اقیانوس ها تشکیل می دهند. تنها مقدار ناچیزي از کل آب شیرین در رود ها و دریاچه ها جاري می باشد و مابقی آب شیرین به فرم یخ هاي دائمی دررون یخچال هاي قطب شمال است. در نتیجه تهیه ي آب شیرین به یکی از اساسی ترین دغدغه هاي بشر تبدیل شده است . ظرفیت نمک زدایی در دهه ي اخیر به دلیل افزایش نیاز به آب و کاهش قابل توجه هزینه ي نمک زدایی در اثر پیشرفت فرایند هاي غشایی به طور موثري افزایش یافته است .[1]
اسمز مستقیم یک فرایند غشایی نوظهور در زمینه ي نمک زدایی می باشد که پتانسیل بالایی در مقابل فرایندهاي غشایی مرسوم از خود نشان داده است .[2] این فرایند می تواند در زمینه ي نمک زدایی به عنوان یک فرایند مستقل یا به عنوان یک مرحله آماده سازي قبل از فرایند اسمز معکوس به کار گرفته شود. اسمز معکوس بر اساس فشار هیدرولیکی عمل می کند، اما نیروي محرکه در فرایند اسمز مستقیم اختلاف فشار اسمزي بین محلول خوراك و محلول کشنده می باشد.
فشار اسمزي بالاي محلول کشنده باعث جریان آب از سمت محلول خوراك به سمت محلول کشنده از میان یک غشاي نیمه تراوا می باشد. در مقایسه با فرایند هاي غشایی مرسوم مانند اسمز معکوس که بر اساس فشار هیدرولیکی عمل می کنند، فرایند اسمز مستقیم داراي مزایاي بسیاري می باشد. گرفتگی کم و تمیز کردن آسان، هزینه ي عملیاتی پایین، بازیابی بالاي آب و کاربرد هایی هم چون نمک زدایی و تصفیه ي فاضلاب از جمله مزایاي فرایند اسمز مستقیم می باشد .[3,4]
ساخت غشاي اسمز مستقیم با عملکرد مناسب یکی از اولویت هاي تحقیقاتی در زمینه ي اسمز مستقیم می باشد. عملکرد غشاهاي تجاري موجود - غشاي نامتقارن سلولز تري استات ساخته شده توسط شرکت - HTI به طور کلی توسط تراوایی و دفع نمک پایین، محدود شده است. غشاي لایه نازك کاموزیتی با عملکرد بالا از یک لایه ي پلی آمیدي نازك - لایه ي دفع نمک - و یک زیرلایه ي متخلخل تشکیل شده است .[3]
-2 مواد و روش ها
-1-2 مواد
در ساخت زیرلایه از پلی سولفون - - polysulfone محصول شرکت BASF آلمان، به عنوان ماده ي پلیمري، ان متیل پیرولیدون 1-methyl- - - 2-pyrrolidinone به عنوان حلال، پلی وینیل پیرولیدون - polyvinyl - pyrrolidone و لیتیم کلراید - lithium chloride - به عنوان عوامل تخلخل ساز محصول شرکت Deagung استفاده شدهاند. از دو مونومر ام فنیلن دي آمین - m-Phenylendiamine - از شرکت Across، تریمسویل کلراید - - trimesoylchloride محصول شرکت Merck و هگزان - n- - hexan محصول شرکت Deagung به عنوان حلال براي ساخت لایه پلی آمیدي استفاده شدند.
-2-2 آماده سازي زیرلایه ي پلی سولفونی غشا
زیرلایه ي پلی سولفونی طبق روش جدایش فازي آماده شده است. براي ساخت زیرلایه از پلی سولفون به عنوان ماده ي پلیمري، پلی وینیل پیرولیدون و لیتیم کلراید به عنوان عوامل تخلخل ساز و ان متیل پیرولیدون به عنوان حلال استفاده شده است. 12% wt پلی سولفون، wt 0/5 % پلی وینیل پیرولیدون و 3% wt لیتیم کلراید، به حلال افزوده شده اند. مواد توسط یک همزن مگنتی با سرعت 120rpm به مدت حداقل 8h همزده شده اند تا در نهایت محلول کاملاً هموژنی حاصل شود. به منظور حباب زدایی محلول به مدت حداقل 1 روز در دماي اتاق باقی مانده است. با استفاده از فیلم کش که در ارتفاع 100μm تنظیم شده، فیلمی به این ضخامت بر روي یک شیشه ي کاملاً تمیز کشیده شده است. براي انجام مرحله ي جدایش فازي شیشه فوراً به درون حمام آب شیر که از قبل آماده شده، منتقل شده است. پس از گذشت 10 دقیقه غشاي تشکیل شده از حمام آب خارج شده و درون آب دیونیزه در یخچال ذخیره شده است. قبل از انجام مراحل بعد زیر لایه حداقل به مدت 1 روز در آب دیونیزه ذخیره شده، تا حلال باقیمانده و مواد اضافی از آن خارج شوند.
-3-2 ساخت لایه فعال پلی آمیدي
براي ساخت لایه ي فعال از روش پلیمریزاسیون بین سطحی استفاده شده است. براي تشکیل لایه ي پلی آمیدي یک بار با ثابت نگه داشتن غلظت تریمسویل کلراید در 0/1 % wt و تغییر غلظت ام فنیلن دي آمین در سه سطح 1-1/5- 2% wtسه غشاي مختلف ساخته شده و بار دیگر با ثابت نگه داشتن غلظت مونومر ام فنیلن دي آمین در 2% wt و تغییر غلظت مونومر تریمسویل کلراید در سه سطح 0/1 -0/5-1% wt، سه غشاي دیگر ساخته شده است. در ساخت هر غشا پس از انتخاب مقدار مونومر ها، مونومر ام فنیلن دي آمین در حلال آبی و مونومر تریمسویل کلراید در حلال هگزان حل شده است. در ابتدا زیر لایه در تماس با محلول آبی قرار داده شده است. پس از گذشت 2 دقیقه، مونومر هاي ام فنیلن دي آمین به درون تخلخل ها و سطح خارجی زیر لایه نفوذ کرده اند، پس از آن سطح زیر لایه با یک کاغذ صافی کاملاً خشک شده، سپس سطح در تماس با محلول آلی قرار داده شده است. زمان واکنش 1 دقیقه در نظر گرفته شده است. در این مرحله لایه ي پلی آمیدي تشکیل شده است. غشا به مدت 4 دقیقه در آون قرار داده شده و پس از آن غشا کاملاً با آب شسته شده تا تمامی مونومر هاي باقی مانده از آن جدا شوند. در نهایت غشاي آماده شده تا زمان انجام تست هاي مختلف در آب دیونیزه در یخچال نگه داري شده است.
-3 توصیف غشا
-1-3 بررسی عملکرد غشاي اسمز مستقیم
عملکرد غشاي اسمز مستقیم توسط یک ستاپ که در مقیاس آزمایشگاهی ساخته شده، بررسی شده است .[5] سطح فعال در ستاپ اسمز مستقیم نیز 15/9cm2 می باشد. به منظور پایین آوردن پلاریزاسیون غلظتی خارجی در هر دو سمت از پمپ مگنتی استفاده شده است. هم چنین سرعت جریان در هر دو سمت ثابت نگاه داشته شده است. شکل - 1 - نشان دهنده ي ستاپ اسمز مستقیم می باشد.
شکل - 1 - شمایی از ستاپ اسمز مستقیم [5]
محلول 1M NaCl به عنوان محلول کشنده و آب دیونیزه به عنوان محلول خوراك انتخاب شده است . غشا ها در دو جهت گیري - AL-FS سطح فعال غشا در کنار محلول خوراك - و AL-DS - سطح فعال غشا در کنار محلول کشنده - مورد آزمایش قرار گرفته اند. شار آب تراوش یافته توسط تغییر حجم محلول کشنده محاسبه شده است.
در رابطه ي Jv - 1 - عبارتست از شار آب تراوش یافته - با واحد - Litr/m2h،∆V تغییر حجم محلول کشنده - Litr - ، ∆t طول زمان آزمایش بر مبناي ساعت - h - و Am سطح مقطع غشا - m2 - می باشد. نفوذ نمک برگشتی از سمت محلول کشنده به سمت محلول خوراك توسط تغییر مقدار نمک موجود در محلول خوراك اندازه گیري شده است.
در رابطه - 2 - ذکر شده، Js مقدار نفوذ نمک برگشتی، Vt و V0 به ترتیب حجم نهایی و حجم اولیه ي محلول خوراك - Litr - و در نهایت Ct و C0 غلظت نهایی و غلظت اولیه ي محلول خوراك - mol/Litr - می باشند.
-4 نتایج و بررسی
-1-4 تاثیر غلظت مونومر ام-فنیلن دي آمین
در حالت اول با ثابت نگه داشتن غلظت تریمسویل کلراید، تاثیر غلظت مونومر ام فنیلن دي آمین بررسی شده است. در شکل - 2 - نتایج شار آب و شار نمک برگشتی در شکل نشان داده شده است.
شکل - 2 - تاثیر غلظت ام-فنیلن دي آمین بر شار آب و نمک برگشتی در دو جهت گیري الف - AL-DS، ب - AL-FS
همان طور که مشهود است در هر دو جهت گیري، افزایش غلظت مونومر ام-فنیلن دي آمین باعث کاهش شار آب و شار نمک برگشتی شده است. این نتایج بیان کننده ي این موضوع می باشند که با افزایش غلظت مونومر ام-فنیلن دي آمین یک لایه ي چگال تر حاصل می شود. این موضوع به این دلیل اتفاق می افتد که با افزایش غلظت مونومر ام- فنیلن دي آمین، مقدار بیش تري از مونومر از فاز آبی به فاز آلی مهاجرات می کنند. در نتیجه نسبت غلظت مونومر ام-فنیلن دي آمین به تریمسویل کلراید افزایش می یابد، این بدین معنی است که گروه هاي -NH2 آماده به واکنش بیش تري نسبت به گروه هاي -COCl وجود دارد. پس از در مقایسه از بیش تر گروه هاي -COCl در واکنش استفاده می شود؛ که این پدیده منجر به افزایش اتصالات عرضی و در نتیجه کاهش شار آب و کاهش شار نمک برگشتی می شود.
-2-4 تاثیر غلظت مونومر تریمسویل کلراید
در حالت بعد با ثابت نگه داشتن غلظت ام-فنیلن دي آمین، تاثیر غلظت مونومر تریمسویل کلراید بررسی شده است . در شکل - 3 - نتایج شار آب و شار نمک برگشتی در شکل نشان داده شده است.
شکل - 3 - تاثیر غلظت تریمسویل کلراید بر شار آب و نمک برگشتی در دو جهت گیري الف - AL-DS، ب - AL-FS
همان طور که مشهود است در هر دو جهت گیري، افزایش غلظت تریمسویل کلراید باعث افزایش شار آب شده،
