بخشی از مقاله
در این پژوهش، غشای نامتقارن در محدوده میکرو تا فرافیلترکردن از ماده اولیه پلی آکریلونیتریل به روش وارونگی فاز تهیه شده است. اثر پارامترهای مهم و اثرگذار در ساخت غشا، شامل غلظت محلول پلیمری و دمای حمام انعقاد این حمام بررسی شده است. مشخصات مهم غشا مانند اندازه قطر حفره ها، مقدار تخلخل، شکلشناسی و استحکام مکانیکی آن به کمک آزمون های نقطه حباب، شار آب ارزیابی شده است. نتایج نشان داد، با افزایش دمای حمام انعقاد5œC به 25œC در غلظت های مختلف %15 و%17 و %19 و %21 وزنی میزان شار عبوردهی بیشتر شده به نحوی که در غلظت %21وزنی، دمای حمام 5œC اندازه حفرات کوچکتر شده به طوری که در گستره غشاهای فرافیلترکردن قرار گرفته است و شاهد کمترین میزان عبوردهی را میباشم.
مقدمه :
در چند دهه گذشته، استفاده از غشاهای پلیمری به موضوعی مهم در فرایندهای جداسازی تبدیل شده است. پژوهش در زمینه اصلاح پلیمرهای رایج یا تولید مواد پلیمری جدید به عنوان زمین های جذاب در علوم و فناوری پلیمرها مطرح است. استفاده از فرایند فرافیلترکردن به عنوان یکی از فرایندهای مهم و پرکاربرد در این زمینه برای تصفیه آبها و پساب های صنایع شیمیایی، پزشکی و غذایی در حال گسترش است.[1-2] هم زمان با افزایش استفاده از انواع مواد پلیمری در ساخت غشاها، پلیمر رایج پلی آکریلونیتریل - PAN - نه تنها جایگاه خود را از دست نداده است، بلکه از موقعیتی ممتاز نیز برخوردار شده است.
این ماده، پلیمری در دسترس و ارزان قیمت با مقاومت شیمیایی و مکانیکی زیاد و پایداری گرمایی مناسب است. آبدوستی شایان توجه این پلیمر در مقایسه با سایر پلیمرها مانند پلی سولفون، پلی اترسولفون، پلی پروپیلن و پلی وینیلیدین فلوئورید، باعث شده که به عنوان گزینه مناسبتر در مقایسه با سایر انواع مشابه، برای ساخت غشاهای فرافیلترکردن مطرح باشد .[4-3] غشاهای تجاری فرافیلترکردن PANمعمولاً به روش وارونگی فاز تهیه می شوند. در این باره، با جایگزینی حلال - ضدحلال در فیلم پلیمری، ساختاری نامتقارن با پوسته نازک گزینشپذیر در بالا و یک لایه میکرو- ماکروحفره در زیر، که نقش نگهدارنده و تقویتکننده مکانیکی غشا را بر عهده دارد، تشکیل می شود.
اندازه حفره ها - قطر و حجم آنها - ، چگونگی اتصال این حفره ها با یکدیگر و نیز توزیع آنها در شبکه پلیمر اثر زیادی بر شار عبوری و گزینشپذیری این غشا دارد. بنابراین، پرواضح است که خواص نهایی غشای ساخته شده به روش وارونگی فاز، به مقدار زیادی به خواص شکل شناسی آن بستگی دارد .[7-5] به طورکلی پارامترهای سینتیکی مختلف مانند سرعت تبادل حلال-ضدحلال، به همراه پارامترهای ترمودینامیکی مانند برهمکنش های پلیمر-حلال-ضدحلال بر این پدیده اثرگذارند. این پارامترها حین ساخت غشا با انتخاب حلال و ضدحلال مناسب، غلظت محلول پلیمری، وجود افزودنیها و مقدار آنها در محلول پلیمری یا در حمام انعقاد، زمان تبخیر در محیط، دمای حمام انعقاد، فرایندهای گرمایی و تکمیلی دیگر معین می شوند .[9-8]
در بین عوامل مؤثر بر ساختار این غشاها، غلظت محلول پلیمری اهمیت ویژه ای دارد. باید گفت، با افزایش غلظت پلیمر، گرانروی محلول نیز افزایش می یابد. در نتیجه افزایش گرانروی، سرعت تبادل حلال- ضدحلال در سطح مشترک کاهش مییابد که این موضوع باعث کاهش اندازه حفره ها و در نتیجه، کاهش شار آب و افزایش مقدار جداسازی به وسیله غشا میشود 6]،8،.[10 افزایش مقادیر قابل توجهی از حلال به حمام ضدحلال می تواند باعث کاهش چشمگیری در اندازه حفرهها یا حتی ناپدیدشدن آنها شود .[3-6] نشان داده شده که افزودن مقداری دی متیل استامید به عنوان حلال به حمام انعقاد، باعث تأخیر در جدایی فاز پلیمر- حلال- ضدحلال، پایداری بیشتر سامانه سه جزئی، کاهش حجم ویژه حفرهها در زیر لایه و قطر آنها در لایه پوسته می شود . [6]
دمای حمام انعقاد نیز از عوامل معین کننده است، به طوری که با کاهش دمای حمام، زمان لخته شدن افزایش یافته و در نتیجه حفرههای کوچکتر و استحکام مکانیکی بیشتری حاصل می شود. در این باره، تغییرات قابل توجهی در گستره دمایی 4-25œC گزارش شده است12]،.[9 افزون بر مطالب گفته شده، زمان ماندگاری فیلم پلیمری در حمام انعقاد برای شکل گیری کامل آن نقش بسیار مهمی در افزایش پایداری غشای نهایی دارد، به ویژه در یکنواختی حفره های زیر لایه و نیز کاهش زبری سطح لایه رویی مؤثر است که در این تحقیق این پارامتر ثابت نگه داشته شده تا بتوان اثرات دمای حمام بر غلظت های مختلف را بهتر بررسی کرد.
در این پژوهش، غشاهای نامتقارن PAN در محدوده میکروفیلتر کردن - فرافیلترکردن به روش وارونگی فاز ساخته شده است. آثار عوامل گوناگون چون غلظت PAN در محلول پلیمری و دمای حمام شکل شناسی غشا و عملکرد آن بررسی شده است. غشاهای ساخته شده با آزمونهای تراوایی آب و مقاومت کششی ارزیابی و بهینه سازی شدند. پژوهش حاضر دومین کار روی این پلیمر برای کاربرد مزبور در کشور است.
مواد
PAN - هموپلیمر با متوسط وزن مولکولی MW=80000 DA و Tg=87œC - از بازار داخلی خریداری شد. دیمتیل-فرمامید - DMF - ایزوپروپانول - IPA از شرکت Merck آلمان تهیه شدند. از آب مقطر به عنوان ضدحلال و نفت سفید تقطیرشده به عنوان مایع خیس کننده غشا استفاده شد.
دستگا هها
ضخامت نهایی غشا به وسیله ضخامت سنج رقمی Mitutoyo با دقت 1 m اندازه گیری شد. فیلم کش غشایی از جنس فولاد ضدزنگ با ضخامت ثابت 800 m استفاده شد.
رو شها ساخت غشا
ابتدا پودر PAN به نسبت های مشخص 15%، 17%،%19و 21% وزنی در حلال DMF با همزن مغناطیسی به مدت 28ساعت در دمای 45 œCتا 50 œC حل شدند تا محلول پلیمری یکنواخت حاصل شود. این محلول به مدت 5h در دمای 25 œC به شکل ساکن قرار داده شد تا حباب زدایی شود. سپس، به کمک فیلم کش روی صفحه شیشه ای صاف یا لایه نگه دارنده متخلخل از الیاف بی بافت پلی استر که روی شیشه ای به شکل ثابت چسبانده شده بود، کشیده شد. پس از گذشت مدت زمان مشخصی برای تبخیر حلال در محیط، فیلم پلیمری به همراه شیشه به طور یکنواخت و ملایم در حمام انعقاد غوطهور شد. پس از طی زمان ماندگاری مشخص در حمام انعقاد، فیلم پلیمری از شیشه جدا شده و با آب مقطر دو بار تقطیر شست و شو داده شد و به مدت دو روز در دمای محیط خشک شد.
اندازه حفره ها
اندازه بزرگترین حفره غشا به کمک آزمون نقطه حباب، با استفاده از نفت سفید تقطیرشده به عنوان مایع خیس کننده محاسبه شد. این آزمون مطابق استاندارد 316 - ASTM F 03 برای تعیین اندازه حفرههای غشاها انجام شد. برای تعیین اندازه بزرگترین حفره، ابتدا غشا با لایه ای از مایع مدنظر خیس شد تا تمام حفره های غشا از مایع پر شود. سپس، با افزایش فشار گاز - نیتروژن - در جریان بالادست تا نقطه تسلیم که نمایانگر عبور گاز از بزر گترین حفره در غشاست، اندازه قطر بزرگترین حفره در غشا مطابق معادله - 1 - محاسبه شد.[13] که در این معادله، dp.max قطر بزرگترین حفره غشا m - - ، کشش سطحی مایع خیس کننده - - mN/m و p فشار گاز - psi - است.
اندازه گیری مقدار تخلخل غشا
مقدار تخلخل غشا با استفاده از روش سنجش تخلخل به کمک مایع خیس کننده آب - روش های تر و خشک - معین شد. در این روش، نمونه های غشا با ابعاد مشخص بریده شدند و به مدت 18 h در خشک کن خلأ با دمای45 œC قرار گرفته و وزن دقیق آنها با دقت چهار رقم اعشار معین شد. سپس، غشاها به مدت یک شبانه روز در آب غوطه ور شدند تا حفره های آنکاملاً از مایع پر شود. برای سهولت پرشدن حفره ها با مایع، از سدیم لوریل اتر سولفات 1% به عنوان ماده کاهش دهنده کشش سطحی استفاده شد.
