مقاله روند جدید ساخت غشای پلی آمیدی به منظور تصفیه آب آشامیدنی

بخشی از مقاله

چکیده

غشاهای پلی آمیدی غشایی متشکل از سه لایه می باشد و به منظور نمک زدایی مورد استفاده قرار می گیرند. ساخت لایه جداساز این غشا به دلیل این از پلیمریزاسیون وجود می آید بسیار مشکل می باشد . در این مقاله شیوه ی معمول و روش جدیدی برای ساخت این غشا می توان استفاده کرد عنوان کرده ایم . سپس به وسیله عکس SEM شکل ساختاری تشکیل شده را نشان داده ایم. می توان گفت اشعه UV برای ساخت این نوع غشاها مناسب نمی باشد . افزایش مدت زمان و تعداد مراحل پلیمریزاسیون برای ساخت این غشا موثر می باشند.

کلمات کلیدی: غشاهای پلی آمیدی، اشعه UV ، TMC ، MPD

1.    مقدمه

غشاهای فیلمی کامپوزیتیTFC 1 اولین بار توسط Mogan در سال 1965 با توجه به مفهوم پلیمریزاسیون سطحی IP2 معرفی شد .[8] با توجه به لایه های فوق نازک 3 لایه جداساز ، غشاهای RO و NF آماده شده از روش پوشش دهی ، این نوع غشاها می توانند به عنوان نامزد عالی برای برنامه های کاربردی مخصوصا در فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب معرفی شوند. [2] با وجود غشاهای TFC در صنعت ، هنوز علایق دانشمندان برای ساخت غشاهای نامتقارن از روش فرآیند ساخت یک مرحله ای وجود دارد .[6,9] به طور کلی دانشمندان به این توافق رسیده اند که غشاهای نامتقارن با سطح آماده شده از پلی آمید کامپوزیت شده می توانند در سطح بالایی از یون کلر خوراک را تحمل کنند.[16] به غیر از روش پلیمریزاسیون سطحی IP، تکنیک های مانند عکس برداری پیوند ، پوشش دهی با شیب مناسب ، تششع پرتو الکترونی و پلاسما آغازی ، می توان به عنوان روش هایی برای ایجاد لایه فوق نازک بر روی لایه ساپورت شده در نظر گرفت . [16,19,20]

.2 غشاهای TFC

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، غشاهای TFC از سه لایه تشکیل شده است ، از قسمت پایین ، لایه پلی استر نبافته شده 4، لایه ساپورت5 - غشا - UF و لایه پلی آمیدی غشا می باشد. پلی استر نبافته شده ، یک لایه ای است که از تعدادی تار و پود که به هم نبافته شده، ساخته شده است. بخش دوم لایه ساپورت یا لایه حمایتی است ، می توان گفت یک غشای اولترافیلتراسیونی است که از طریق فرآیند وارونگی فازی تشکیل شده و بر روی یک لایه پلی استری کشیده می شود. در لایه سوم ، لایه ای است که از انحلال دو مونومر ، یکی در حلال آبی و دیگری در حلال آلی ، و غوطه ور سازی غشای در این دو مونومر ساخته می شود. لایه پلی استر نبافته شده را از بیرون تهیه کرده و به عنوان یک لایه مقاومتی در برابر افزایش فشار مورد استفاده قرار می گیرد.

.3 مواد و روشها

سولفون ها به طبقه ای از پلیمر ها با دمای شیشه ای بالا ، مقاومت مکانیکی ، حرارتی و شیمیایی بالا و قدرت حلالیت بالا ،اطلاق می شوند . به دلیل در دسترس بودن تجاری ، سهولت پردازش و خصوصیات انتخاب پذیری مطلوب به عنوان پلیمر اصلی غشا انتخاب می شوندPES . [4 ,5,21] آبگریز هستند و به بسیاری از حلال های آلی حساس هستند. بنابراین ، از آنها نمی توان به عنوان فیلم های حامل نامتقارن برای غشاهای تبخیر غشایی مورد استفاده قرار گیرند. غشاهای PES اکسیداتیو فوق العاده ، پایداری حرارتی و هیدرولیکی و همچنین خواص مکانیکی خوبی را از خود در برابر حرارت نیز نشان می دهند. غشاها همیشه ساختار نامتقارن از طریق وارونگی فازی ایجاد می کنند .[20] مشکل اصلی این پلیمر، ماهیت نسبتا آب گریزش می باشد. که این مشکل منجر به مصرف انرژی بیشتر ، کوتاهتر شدن غشا و غیر قابل پیش بینی نبودن عملکرد جداسازی می شود [22] .با توجه به آبگریز بودن اصلاح غشا منجر به پیدا شدن یکسان سازی مناسب بین آب دوستی و آب گریزی می شود . [1]

ترکیب کردن آسان ترین روش برای تغییر ماهیت غشای PES است که به طور گسترده برای غشاهای صفحه ای مورد استفاده قرار می گیرد. اکثرا ترکیبات پلیمرهایی مانند PVP ، PEG که آب دوست هستند مورد استفاده قرار می گیرد این دو ماده منجر به افزایش آب دوستی غشا ، افزایش منافذ و جلوگیری از رسوب غشا می شوند. پلی ونیل پیرولیدن PVP - - یک پلیمر محلول در آب ساخته شده از مونومر N-vinyl pyrrolidone می باشد ، در محلول ها دارای خواص رطوبتی بسیار عالی می باشد. به طور گسترده برای هیدرولیز بیومواد و مواد غشاهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. PVP یک پلیمر مصنوعی ، غیر سمی در نظر گرفته شده است به همین دلیل آن را در فرآیندهایآب آشامیدنی مورد استفاده قرار می دهند. همچنین دارای تمایل نسبی به اهدا کردن الکترون و گرفتن الکترون دارد. بنابراین ، می توان فرض کرد تعاملات دورن مولکولی از طریق پیوند هیدروژنی بین گروه های NH با لایه پلی آمیدی فعال و گروه های C = O از مولکول PVP رخ دهد . [16]

PVP یکی از افزودنی های معروف ، با وزن مولکولی بالا، برای افزایش آب دوستی غشا به محلول ریخته گری برای تهیه غشا مورد استفاده قرار می گیرد. این افزودنی جزء اولویت ها هست زیرا اختلاط خوبی با پلی اتر سولفون دارد و حلالیت بسیار بالایی در آب و سایر حلال های قطبی دارد و یک عامل برای رسوب سریع می باشد. PVP به عنوان افزودنی تغییرات قابل توجهی در خصوصیات محلول ریخته گری نشان می دهد که عبارتند از : افزایش در ناپایداری ترمودینامیکی به دلیل خواص ضد حلالی و افزایش در موانع سینیتیکی به دلیل تنوع رئولوژیکی به وسیله وزن مولکولی بالا، همچنین به دلیل بالا بردن ویسکوزیته، از لحاظ موانع سینتیکی ، می توان به عنوان یک عامل برای سرکوب تشکیل ماکرو منافذ در غشاهای تغییر فازی عمل کند ، همچنین می تواند به عنوان یک تقویت کننده شار نفوذی عمل کند . [17]

حلال DMAc ، بی رنگ و در آب قابل حل شدن است ، با توجه به نقطه جوش بالا ، به طور معمول به عنوان یک حلال قطبی در ستنز مواد آلی مورد استفاده قرار می گیرد. DMAc اغلب در بسیاری از حلال های دیگر قابل حل هستند ولی انحلال آنها در هیدروکربن های آلیفاتیکی ضعیف می باشد . [22] نقطه جوش بالا و هزینه بسیار پایین از مزیت های این حلال هستند. حال به بررسی انتخاب دو مونومر بیشنهادی برای ساخت لایه نازک پلی آمیدی می پردازیم . همانطور که گفته شد لایه پلی آمیدی از دو نوع مونومر که یکی در محلول آبی که به مونومر آمینی و دیگری مونومری که در محلول آلی که به مونومر آسیل کلراید نامیده می شوند، مورد استفاده قرار می گیرند. ساختار ارگانیک مونومرهایی که به تازگی در شکل گیری فیلم نازک همراه با وزن مولکولی مورد استفاده قرار می گیرند گزارش شده است. مونومرهای فعال معمول که آلیفاتیک/ دی آمین آروماتیک هستند مانند پپرازین PIP ، متا فنیل دی آمینMPD و پی فنیل دی آمینPPD و مونومرهای اسید کلرید مانند تری میزول کلراید TMC ، ایزوفتاولکلراید ICP6 و -5 کلراید .7 ICIC غشاهای کامپوزیتی پلی آمیدی آروماتیکی شبکه ای شده به وسیله پلیمریزاسیون بین سطحی MPD و TMC که از جمله موفق ترین و تجاری ترین مونومر در محصولات گذشته و حال هستند ، ساخته می شوند با توجه به مقالات در انتخاب نوع مونومر آمینی تعداد سرهای NH2 و برای مونومر اسیدی تعداد سرهای COCL- مهم است . با توجه به بخش هزینه و قیمت پلیمرها بهتر است که تعداد NH2 از 2 عدد به بالا باشد و برای COCL- از 3 عدد بیشتر باشد چون مونومرهایی که دارای دو عدد - COCL باشد دارای پلی آمید خطی و اگر از 3 عدد بیشتر باشد شبکه ای از پلی آمید درست می کنند . [3,10,11,12]

.4 روش ساخت غشا

در مرحله اول غشاء ساپورت یا حمایتی برای غشاء پلی آمیدی ساخته می شود. لایه ساپورت غشاء به دو علت تهیه می شود ؛اول افزایش مقاومت مکانیکی غشاء و دوم اینکه لایه جداساز غشاء که از دو نوع مونومر تهیه می شود براحتی بر روی لایه پلی" استرِ نبافته شده" قرار نمی گیرد و با کمک لایه پلی اتر سولفونی از این لایه می توان به عنوان رابطی برای اتصال پلی آمید بر روی لایه پلی استری استفاده کرد. در مرحله دوم لایه پلی آمیدی یا لایه جداساز بر روی لایه ی ساپورت پوشانده می شود.[3,5]

.1-4 آماده سازی غشای ساپورت یا حمایتی

×مهشید عسکری زاده، بیژن هنرور، امیر منصوری زاده
-1 کارشناسی ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی ، واحد شاهرود،گروه مهندسی شیمی، شاهرود، ایران -2 استادیار ، دکترای مهندسی شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت -3 استادیار ، دکترای مهندسی شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد گچساران

×
Email:askarizadeh@ymail.com

×
چکیده

غشاهای پلی آمیدی غشایی متشکل از سه لایه می باشد و به منظور نمک زدایی مورد استفاده قرار می گیرند. ساخت لایه جداساز این غشا به دلیل این از پلیمریزاسیون وجود می آید بسیار مشکل می باشد . در این مقاله شیوه ی معمول و روش جدیدی برای ساخت این غشا می توان استفاده کرد عنوان کرده ایم . سپس به وسیله عکس SEM شکل ساختاری تشکیل شده را نشان داده ایم. می توان گفت اشعه UV برای ساخت این نوع غشاها مناسب نمی باشد . افزایش مدت زمان و تعداد مراحل پلیمریزاسیون برای ساخت این غشا موثر می باشند.

×

کلمات کلیدی: غشاهای پلی آمیدی، اشعه UV ، TMC ، MPD

1.    مقدمه
غشاهای فیلمی کامپوزیتیTFC 1 اولین بار توسط Mogan در سال 1965 با توجه به مفهوم پلیمریزاسیون سطحی IP2 معرفی شد .[8] با توجه به لایه های فوق نازک 3 لایه جداساز ، غشاهای RO و NF آماده شده از روش پوشش دهی ، این نوع غشاها می توانند به عنوان نامزد عالی برای برنامه های کاربردی مخصوصا در فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب معرفی شوند. [2] با وجود غشاهای TFC در صنعت ، هنوز علایق دانشمندان برای ساخت غشاهای نامتقارن از روش فرآیند ساخت یک مرحله ای وجود دارد .[6,9] به طور کلی دانشمندان به این توافق رسیده اند که غشاهای نامتقارن با سطح آماده شده از پلی آمید کامپوزیت شده می توانند در سطح بالایی از یون کلر خوراک را تحمل کنند.[16]

به غیر از روش پلیمریزاسیون سطحی IP، تکنیک های مانند عکس برداری پیوند ، پوشش دهی با شیب مناسب ، تششع پرتو الکترونی و پلاسما آغازی ، می توان به عنوان روش هایی برای ایجاد لایه فوق نازک بر روی لایه ساپورت شده در نظر گرفت . [16,19,20]

.2 غشاهای TFC

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، غشاهای TFC از سه لایه تشکیل شده است ، از قسمت پایین ، لایه پلی استر نبافته شده 4، لایه ساپورت5 - غشا - UF و لایه پلی آمیدی غشا می باشد. پلی استر نبافته شده ، یک لایه ای است که از تعدادی تار و پود که به هم نبافته شده، ساخته شده است. بخش دوم لایه ساپورت یا لایه حمایتی است ، می توان گفت یک غشای اولترافیلتراسیونی است که از طریق فرآیند وارونگی فازی تشکیل شده و بر روی یک لایه پلی استری

1 Thin Composite Film 2 Inter polymerization 3 ultrathin 4 Polyester non-woven 5 Support layer
 

1
 
اولین همایش سراسری محیط زیست، انرژی و پدافند زیستی
The 1st National Conference on Environment, Energy and Biodefense

کشیده می شود. در لایه سوم ، لایه ای است که از انحلال دو مونومر ، یکی در حلال آبی و دیگری در حلال آلی ، و غوطه ور سازی غشای در این دو مونومر ساخته می شود. لایه پلی استر نبافته شده را از بیرون تهیه کرده و به عنوان یک لایه مقاومتی در برابر افزایش فشار مورد استفاده قرار می گیرد.

شکل –1 تصویر شماتیکی از یک غشای TFC برجسته با لایه های مختلف از فیلم مرکب ، - بالا - ساختار شیمیایی از نوعی پلی آمید آروماتیکی شبکه ای شده به عنوان لایه جداساز [8]
.3 مواد و روشها

در جدول1 مواد مصرفی استفاده شده آورده شده است، همچنین در ادامه در مورد هر ماده توضیح داده شده است.

    جدول -1مواد مصرفی مورد استفاده برای ساخت غشا            
مواد شیمیایی    Polyethersulfone    Polyvinylpyrroli    N,N-    M-    Trimesoyl    
            Dimethylacetam    Phenylenedia    chloride    
     - PES -     done - PVP -                 
            ide - DMAc -     mine - MPD -      - TMC -     
                        
فرمول شیمیایی    [ - C6H4-SO2-C6H4-     - C6H9NO - n    C4H9NO    C6H8N2    C6H3 - COCl -     
    O - n]                3    
                        

سولفون ها به طبقه ای از پلیمر ها با دمای شیشه ای بالا ، مقاومت مکانیکی ، حرارتی و شیمیایی بالا و قدرت حلالیت بالا ،اطلاق می شوند . به دلیل در دسترس بودن تجاری ، سهولت پردازش و خصوصیات انتخاب پذیری مطلوب به عنوان پلیمر اصلی غشا انتخاب می شوندPES . [4 ,5,21] آبگریز هستند و به بسیاری از حلال های آلی حساس هستند. بنابراین ، از آنها نمی توان به عنوان فیلم های حامل نامتقارن برای غشاهای تبخیر غشایی مورد استفاده قرار گیرند. غشاهای PES اکسیداتیو فوق العاده ، پایداری حرارتی و هیدرولیکی و همچنین خواص مکانیکی خوبی را از خود در برابر حرارت نیز نشان می دهند. غشاها همیشه ساختار نامتقارن از طریق وارونگی فازی ایجاد می کنند .[20] مشکل اصلی این پلیمر، ماهیت نسبتا آب گریزش می باشد. که این مشکل منجر به مصرف انرژی بیشتر ، کوتاهتر شدن غشا و غیر قابل پیش بینی نبودن عملکرد جداسازی می شود [22] .با توجه به آبگریز بودن اصلاح غشا منجر به پیدا شدن یکسان سازی مناسب بین آب دوستی و آب گریزی می شود . [1]

ترکیب کردن آسان ترین روش برای تغییر ماهیت غشای PES است که به طور گسترده برای غشاهای صفحه ای مورد استفاده قرار می گیرد. اکثرا ترکیبات پلیمرهایی مانند PVP ، PEG که آب دوست هستند مورد استفاده قرار می گیرد این دو ماده منجر به افزایش آب دوستی غشا ، افزایش منافذ و جلوگیری از رسوب غشا می شوند.

پلی ونیل پیرولیدن PVP - - یک پلیمر محلول در آب ساخته شده از مونومر N-vinyl pyrrolidone می باشد ، در محلول ها دارای خواص رطوبتی بسیار عالی می باشد. به طور گسترده برای هیدرولیز بیومواد و مواد غشاهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. PVP یک پلیمر مصنوعی ، غیر سمی در نظر گرفته شده است به همین دلیل آن را در فرآیندهای
 

2
 
اولین همایش سراسری محیط زیست، انرژی و پدافند زیستی
The 1st National Conference on Environment, Energy and Biodefense

آب آشامیدنی مورد استفاده قرار می دهند. همچنین دارای تمایل نسبی به اهدا کردن الکترون و گرفتن الکترون دارد. بنابراین ، می توان فرض کرد تعاملات دورن مولکولی از طریق پیوند هیدروژنی بین گروه های NH با لایه پلی آمیدی فعال و گروه های C = O از مولکول PVP رخ دهد . [16]

PVP یکی از افزودنی های معروف ، با وزن مولکولی بالا، برای افزایش آب دوستی غشا به محلول ریخته گری برای تهیه غشا مورد استفاده قرار می گیرد. این افزودنی جزء اولویت ها هست زیرا اختلاط خوبی با پلی اتر سولفون دارد و حلالیت بسیار بالایی در آب و سایر حلال های قطبی دارد و یک عامل برای رسوب سریع می باشد. PVP به عنوان افزودنی تغییرات قابل توجهی در خصوصیات محلول ریخته گری نشان می دهد که عبارتند از : افزایش در ناپایداری ترمودینامیکی به دلیل خواص ضد حلالی و افزایش در موانع سینیتیکی به دلیل تنوع رئولوژیکی به وسیله وزن مولکولی بالا، همچنین به دلیل بالا بردن ویسکوزیته، از لحاظ موانع سینتیکی ، می توان به عنوان یک عامل برای سرکوب تشکیل ماکرو منافذ در غشاهای تغییر فازی عمل کند ، همچنین می تواند به عنوان یک تقویت کننده شار نفوذی عمل کند . [17]

حلال DMAc ، بی رنگ و در آب قابل حل شدن است ، با توجه به نقطه جوش بالا ، به طور معمول به عنوان یک حلال قطبی در ستنز مواد آلی مورد استفاده قرار می گیرد. DMAc اغلب در بسیاری از حلال های دیگر قابل حل هستند ولی انحلال آنها در هیدروکربن های آلیفاتیکی ضعیف می باشد . [22] نقطه جوش بالا و هزینه بسیار پایین از مزیت های این حلال هستند.

حال به بررسی انتخاب دو مونومر بیشنهادی برای ساخت لایه نازک پلی آمیدی می پردازیم . همانطور که گفته شد لایه پلی آمیدی از دو نوع مونومر که یکی در محلول آبی که به مونومر آمینی و دیگری مونومری که در محلول آلی که به مونومر آسیل کلراید نامیده می شوند، مورد استفاده قرار می گیرند. ساختار ارگانیک مونومرهایی که به تازگی در شکل گیری فیلم نازک همراه با وزن مولکولی مورد استفاده قرار می گیرند گزارش شده است. مونومرهای فعال معمول که آلیفاتیک/ دی آمین آروماتیک هستند مانند پپرازین PIP ، متا فنیل دی آمینMPD و پی فنیل دی آمینPPD و مونومرهای اسید کلرید مانند تری میزول کلراید TMC ، ایزوفتاولکلراید ICP6 و -5 کلراید .7 ICIC غشاهای کامپوزیتی پلی آمیدی آروماتیکی شبکه ای شده به وسیله پلیمریزاسیون بین سطحی MPD و TMC که از جمله موفق ترین و تجاری ترین مونومر در محصولات گذشته و حال هستند ، ساخته می شوند با توجه به مقالات در انتخاب نوع مونومر آمینی تعداد سرهای NH2 و برای مونومر اسیدی تعداد سرهای COCL- مهم است . با توجه به بخش هزینه و قیمت پلیمرها بهتر است که تعداد NH2 از 2 عدد به بالا باشد و برای COCL- از 3 عدد بیشتر باشد چون مونومرهایی که دارای دو عدد - COCL باشد دارای پلی آمید خطی و اگر از 3 عدد بیشتر باشد شبکه ای از پلی آمید درست می کنند . [3,10,11,12]

.4 روش ساخت غشا

در مرحله اول غشاء ساپورت یا حمایتی برای غشاء پلی آمیدی ساخته می شود. لایه ساپورت غشاء به دو علت تهیه می شود ؛اول افزایش مقاومت مکانیکی غشاء و دوم اینکه لایه جداساز غشاء که از دو نوع مونومر تهیه می شود براحتی بر روی لایه پلی" استرِ نبافته شده" قرار نمی گیرد و با کمک لایه پلی اتر سولفونی از این لایه می توان به عنوان رابطی برای اتصال پلی آمید بر روی لایه پلی استری استفاده کرد. در مرحله دوم لایه پلی آمیدی یا لایه جداساز بر روی لایه ی ساپورت پوشانده می شود.[3,5]

.1-4 آماده سازی غشای ساپورت یا حمایتی