بخشی از مقاله
چکیده
غشا لایه نازك نانو کامپوزیتی سیلیکا-پلی آمید به منظور کاربرد در زمینه ي اسمز مستقیم براي نمک زدایی از آب دریا ساخته شده است . لایه ي پلی آمیدي بر روي یک زیر لایه ي با ضخامت کم، میزان تخلخل بالا و تخلخل هاي کامًلا انگشتی تشکیل شده است. غشاي لایه نازك نانو کامپوزیتی از لحاظ عملکرد جدایشی، عملکرد اسمز مستقیم و ویژگی هاي سطح غشا با غشاي فیلم نازك کامپوزیتی مقایسه شده است. افزودن نانوذرات سیلیکا به طور موثري باعث تغییر و بهبود ویژگی هاي جدایشی شده است.
به علت افزایش آبدوستی و زبري سطح پلی آمید، عبورپذیري و شار آب بهبود یافته است. با افزودن 0/01%wt از نانو سیلیکا به لایه ي پلی آمیدي عبور پذیري آب افزایش یافته است. شار آب غشاي TFN0.01 با استفاده از آب دیونیزه به عنوان محلول خوراك و محلول 1M NaCl به عنوان محلول کشنده هنگامی که لایه ي فعال در کنار محلول کشنده قرارگرفته باعث افزایش شار آب در حدود 4/2 Litr/m2h شده است.
١- 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 درون 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 باشند .[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 کامپوزیتی با عملکرد بالا از یک لایه ي پلی آمیدي نازك - لایه ي دفع نمک - و یک زیرلایه ي متخلخل تشکیل شده است .[3]
اخیراً پیشرفت در زمینه ي نانو تکنولوژي به توسعه ي مواد نانو ساختار منتج شده است؛ که این امر می تواند پایه اي براي پیشرفت در زمینه ي ساخت غشا هاي اسمز مستقیم باشد. مطالعات بسیاري نشان داده است که غشا هاي لایه نازك کامپوزیتی به طور موثري باعث بهبود ویژگی هاي غشا از جمله تراوایی،انتخاب پذیري و پایداري در فرایند هاي جداسازي مختلف شده است. براي مثال غشا هاي فیلم نازك نانو کامپوزیتی اسمز معکوس با افزودن فلزات، اکسید فلزات، نانو ذرات زئولیت درون لایه ي فعال پلی آمیدي توسعه یافته اند .[4]
٢- 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 شدند. 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. نانو ذره سیلیکا - - nano silica در اندازه 21nm محصول شرکت Degussa براي تشکیل پلی آمید استفاده شد.
-2-2 آماده سازي زیرلایه ي پلی سولفونی غشا
زیرلایه ي پلی سولفونی طبق روش جدایش فازي آماده شده است .[4] براي ساخت زیر لایه 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 شدند. مواد توسط یک همزن مگنتی با سرعت 120rpm به مدت حداقل 8h همزده شدهاند 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، منتقل شده است. پس از گذشت 10min غشاي تشکیل شده از حمام آب خارج شده و درون آب دیونیزه در یخچال ذخیره شده است. قبل از انجام مراحل بعد بر روي زیرلایه، حداقل 1 روز به آن زمان داده می شود 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 از 2%wt از ام فنیلن دي آمین و 0/1%wt تري اتیل آمین در آب و 0/1%wt تریمسویل کلراید در حلال هگزان استفاده شده است. در ابتداي کار زیر لایه در تماس با محلول آبی قرار داده شده است . در طی این 2 min 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 است. این بار سطح در تماس با محلول آلی قرار داده شده و زمان واکنش 1 min در نظر گرفته شده است. پس از آن غشا به مدت 4 min در آون قرار داده شده و در نهایت کاملاً با آب شسته شده تا تمامی مونومر هاي باقی مانده از آن جدا شوند و تا زمان انجام تست هاي مختلف در آب دیونیزه در یخچال نگه داري شده است. غشاي ساخته شده TFC نامیده شده است.
-4-2 ساخت لایه فعال پلی آمید/سیلیکا
براي ساخت غشا فیلم نازك نانو کامپوزیتی از سیلیکا درون لایه فعال پلی آمیدي استفاده شده است. بدین صورت که مقدار 0/1 % wt از نانو سیلیکا در حلال آبی استفاده شده است. سیلیکا درون آب قابل حل نیست. بدین منظور از دستگاه التراسونیک براي معلق کردن نانوذرات سیلیکا در آب استفاده شده است. محلول آبی به مدت 1h با توان 40W در دستگاه قرار داده شده است. سایر مراحل کار مطابق قبل انجام گرفته است. غشاي ساخته شده TFNS0.01 نامگذاري شده است.
-1-3 توصیف غشا
-2-3 اندازه گیري ویژگی هاي ذاتی جداسازي غشا
عبورپذیري آب خالص ، دفع نمک و نفوذ نمک برگشتی - نمک سدیم کلرید - ، تمامی غشاها در یک ستاپ اسمز معکوس با سطح فعال 15/9cm2 تحت فشار اعمالی 2/5bar مورد اندازه گیري قرار گرفت. پلاریزاسیون غلظتی توسط همزن مگنتی و یک جداکننده ي خوراك به حداقل رسانده شد. مقادیر گزارش شده میانگین حداقل 3 آزمایش می باشد. عبور پذیري آب توسط حجم آب تراوش یافته در مدت زمان مشخص محاسبه شده است.
-4 نتایج و بررسی
-1-4 تصویر اسکن میکروسکوپ الکترونی - SEM -
عکس SEM از نماي جانبی در شکل - 2 - نشان داده شده است. همان طور که مشخص است، زیرلایه ي غشا کاملاً متخلخل و داراي تخلخل هاي انگشتی شکل می باشد، این پدیده باعث کاهش پلاریزاسیون غلظتی داخلی می شود. علاوه بر کاهش پلاریزاسیون غلظتی داخلی باعث عملکرد بهتر اسمز مستقیم می شود.
