بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق، ابتدا نانوذرات مغناطیسی H3PW12O40/SiO2@ Fe3O4 به روش شیمیایی سنتز شد. نانوذرات سنتز شده با استفاده از آنالیز FT-IR توصیف شدند. سپس، غشا ماتریس آمیخته پلی اترسولفون با درصدهای متفاوت از نانو ذره مذکور تهیه شد. ساختار غشاهای ساخته شده با عکس های SEM مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین، خواص غشا از جمله شار آب خالص، آبدوستی، شعاع میانگین حفرات و تخلخل اندازه گیری شد. در نهایت، عملکرد گرفتگی غشا با استفاده از عبور آب پنیر از غشاهای ساخته شده مورد ارزیابی قرار گرفت. مشاهده شد که غشا با %0/5 وزنی از نانوذره کمترین میزان گرفتگی را دارا میباشد.
.1 مقدمه
گرفتگی غشا که معمولا به خاطر پلیمریزاسیون غلظتی طبیعی و به عنوان نتیجه ای از عبور گزینشی مواد از میان غشا روی می دهد، یکی از مهم ترین مسایل در فرآیندهای غشایی است .[1] گرفتگی غشا احتمالا تحت تاثیر عواملی چون نوع غشا و آلودگیها، غلظت خوراک، اندازه داخلی حفرات و زبری سطح غشا و همچنین آب دوستی غشا میباشد1]و.[2 گرفتگی درغشاهای پلیمری میتواند سبب کاهش نفوذپذیری و جریان عبوری از غشا و به تبع آن کاهش بازدهی فرآیند جداسازی شود. به علاوه، هزینههای عملیاتی به علت نیاز به اعمال فشار بیشتر و افزایش دفعات تمیز کردن غشا افزایش مییابد.
[ 4] از دیگر اثرات گرفتگی، کاهش عمر مفید و کارایی غشا میباشد. با توجه به کاربرد فراوان غشاها خصوصا غشاهای پلیمری، پدیده گرفتگی از موانع اصلی توسعه آنها به شمار میرود. بنابراین، برای بهبود موثرتر خواص، بایستی اصلاح غشا صورت گیرد. روش های مختلفی برای بهبود آبدوستی و کاهش زبری سطح غشاهای پلیمری از قبیل پلی اتر سولفون - PES - گزارش شدهاند .[3] پلیمریزاسیون پیوند سطحی مونومرهای آبدوست و روش های پوشش دادن مانند اضافه کردن نانوپرکنهای مختلف روشهای مهمی هستند که در مطالعات برای کاهش گرفتگی غشا مورد استفاده قرار گرفته اند .[3] براساس مطالعات گزارش شده استفاده از نانوپرکن ها به عنوان یک روش نسبتا ساده بشمار میآید.
[3] گونه های مختلفی از نانوذرات شامل اکسیدهای فلزی - Al2O3, Fe2O3, Fe3O4, TiO2, SiO2 - جهت بهبود خاصیت آبدوستی غشا و کاهش زبری سطح به غشای پلیمری اضافه شده اند .[5] در میان نانو اکسیدهای فلزی، اکسیدهای آهن دارای خاصیت مغناطیسی نیز هستند که اخیرا" مورد توجه بوده اند. روش های پیوند جفت شده با اضافه کردنFe3O4 در ساختار غشا میکروفیلتراسیون موجب تهیه غشا با پاسخ گویی سریع مغناطیسی و با مکانیسم کنترل از راه دور شده است .[6]
همچنین، اضافه کردن نانوذرات مغناطیسی در داخل ساختار غشا در غشاهای تبادل یونی مورد بررسی قرار گرفته است. اثبات شده است که-Fe2O3 در غشا پلیاترکتون کتون - PEKK - سولفونه شده به راحتی تحت تاثیر میدان مغناطیسی 0/1 تسلا تنظیم می شوند .[7] در مطالعهای دیگر نانوکامپوزیت PES/ Fe3O4 برای استفاده در پیل سوختی میکروبی تهیه شدند. براساس نتایج به دست آمده، ماتریس PES با %15 وزنی Fe3O4 می تواند شدت جریان و توان را تا حدود %29 افزایش دهد.[8] غشاهای پوشش داده شده با اکسید آهن هم برای حذف مواد آلی طبیعی و آرسنیک استفاده شده است.
[9] علاوه برآن، غشاهای نانوکامپوزیت پلیمری اکسید آهن توانایی فوق العاده ای در کاربردهای تقطیر غشایی داشته اند 10]،.[11 علاوه بر نانوذرات مغناطیسی خالص، نانو لوله کربن بارگذاری شده مغناطیسی به خوبی پلیمر آمیخته شده با نانوذرات مغناطیسی جهت ساخت غشاهای نانوکامپوزیت مورد استفاده قرار گرفته اند 13]،.[12 این روش برای بهبود خواص جذب نانوذرات اکسید آهن انجام شده است. به عنوان مثال پلی آنیلین پوشش داده شده با Fe3O4 با PES مخلوط شده و برای حذف یون مس از آب استفاده شده است .[14] همچنین، توانایی جذب کاتیون اکسید آهن/ نانولوله کربن چند دیواره در مطالعه ای دیگر تایید شده است .[14]
در این تحقیق، کاربرد نانوذرات H3PW12O40/SiO2@ Fe3O4 یا به اختصار PW-SiO2@Fe3O4 در ساخت غشاهای الترافیلتراسیون ماتریس آمیخته با پایه پلی اتر سولفون تمرکز داشته و تغییرات به وجود آمده در ساختار غشا به دلیل اضافه شدن نانوذرات به محلول ریختهگری را با استفاده از عکسهای SEM مورد ارزیابی قرار داده است. همچنین تغییرات به وجود آمده در خواص سطحی غشا از طریق آزمایش زاویه تماس و تصاویر سطحی SEM بررسی شده است و در نهایت عملکرد غشا با اندازه گیری شار آب خالص عبوری و گرفتگی غشاء مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 بخش تجربی
.1,2 مواد
در این تحقیق، . تترااتیل اورتو سلیکات - - TEOS، آهن - - IIIسولفات 6آبه، آهن - - IIسولفات 4آبه، متانول - - %95/99، اتانول، آمونیاک %28، H3PW12O40، دی متیل استامید و پلی وینیل فلوراید همگی از شرکت Merck آلمان تهیه گردیند. پلیمر پلی اتر سولفون - PES - از شرکت BASF آلمان خریداری گردید. از آب دیونیزه در صورت نیاز استفاده شد.
.2,2 تهیه و آماده سازی نانوذرات H3PW12O40/SiO2@ Fe3O4
Fe3O4 بایک روش شیمیایی از یونهای آهن در یک محلول الکینی سنتز گردید. FeCl2.4H2O و FeCl3.6H2O در 20میلی لیترآب به طور جداگانه حل شدند سپس دو محلول حاصل در استیرر با دور 400 rpm مخلوط شدند. بعد از مدت کوتاهی200 میلی لیترNH4OH، 0/6 مولار در دمای اتاق به محلول حاصل اضافه گردید که به دنبال انجام واکنشهای داخل محلولpH محلول بین 10-11 قرار گرفت. سپس محلول حاصل که دارای رنگ سیاه بود به مدت 1 ساعت رفلاکس شد که در نتیجه این کار رنگ محلول به قهوهای تغییر کرد. سپس، نانو ذره قهوهای رنگ به مدت 30 دقیقه تحت دور 4000-6000 سانتریفیوژ گردیدو در ادامه 80 میلی لیتر متانول به محلول حاصل اضافه شدو به مدت 1ساعت و تحت دمای 40 œC تحت التراسونیک قرار گرفت.
بعد از این مرحله 1 میلی لیتر TEOS به محلول اضافه گردید که در این حالت سیلیکا بر روی سطح اهن قرار گرفت سپس محلول حاصل با کمک آهنربا و اتانول و دی اتیل اتر 3 بار شستشو داده شد و به مدت 24 ساعت در برج خلا قرار داده شد. و بدین ترتیب محصول SiO2@Fe3O4 حاصل گردبد. در این مرحله 0/7 گرم از PW در 5 میلی لیتر از متانول حل شد،همچنین 1 گرم ازSiO2@Fe3O4 در 50 میلی لیتر متانول حل شده و به محلول PW اضاقه گردید. سپس حاصل در دمای 70 œC به مدت 72 ساعت در برج خلا قرار گرفت بعد از این مرحله به سرعت محلول تحت استیرر قرار داده شد تا نانو ذرهPW-SiO2@Fe3O4 ایجاد شود. در مرحله آخر محصول به مدت 24 ساعت در برج خلا قرار گرفت.
.3,2 ساخت غشاء اولیه و ماتریس آمیخته
ترکیب درصد محلول ریخته گری در جدول 1 آمده است. ساخت غشا PES اولیه و غشاهای ماتریس آمیخته به روش معمول تغییر فاز و در دمای اتاق انجام گرفته است. برای ساخت غشا ساده محلول ریخته گری شامل PESو حلال دی متیل استامید - ِ - DMAcو عامل ایجاد حفره پلی وینیل پیرولیدون - PVP - به مدت 24 ساعت تحت استیرر با قدرت 400 دور بر دقیقه قرار گرفت. سپس محلول 24 ساعت جهت حذف حباب به صورت ساکن نگه داشته شد.
در مرحله بعد محلول روی صفحه شیشه ای با استفاده از فیلم کش دست ساز با ضخامت تقریبی 200 میکرومتر کشیده شدو در آب دوبار تقطیر به عنوان غیر حلال به مدت 24 ساعت غوطه ور گردید تا پدیده جدایش فاز و تشکیل غشاء صورت پذیرد. در نهایت غشاء تهیه شده به مدت 24 ساعت میان کاغذ صافی جهت خشک شدن نگه داشته شد. برای ساخت غشا ماتریس آمیخته ابتدا نانوذره در 1 تا 2 گرم از کل حلال مورد نیاز به کمک امواج التراسونیک پخش شده و در مرحله بعدی به محلول PVP و PES در DMAc اضافه میشود و جهت از بین رفتن حباب به مدت 30 دقیقه تحت امواج التراسونیک قرار گرفت. سایر مراحل مانند حالت قبل است.
