بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به رشد سریع جمعیت جهانی، استفاده نامناسب از منابع آبی و همچنین آلودگی آبهای موجود، مشکل کمبود آب بیش از هر زمان دیگر احساس شده و بهبود فرایندهای تصفیه آب و همچنین استحصال آن از منابع غیر متعارف بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. در این بین، استفاده از فرایندهای غشایی با توجه به عدم نیاز به افزودن هرگونه ماده اضافی و حداقل مصرف انرژی، روز به روز در حال گسترش میباشد. با این همه، پدیده گرفتگی غشاها به عنوان مهمترین چالش در برابر توسعه فرایندهای غشایی به شمار میرود. یکی از روشهای موثر برای افزایش مقاومت غشاهای پلیمری در برابر گرفتگی، گنجاندن نانوذرات در شبکه غشا است.
در این پژوهش، غشاهای نانوکامپوزیتی استات سلولز - CA - با استفاده از نانوذرات اکسید روی - ZnO - از روش جدایش فازی ساخته شده و عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور از ترکیب درصدهای وزنی صفر، 0/25، 0/5و 0/75 از نانوذرات مورد استفاده قرار گرفت. از روشهای مختلفی شامل میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FE-SEM - ، زاویه تماس ،انداره گیری مقاومت کششی به منظور تعیین مشخصات ساختاری غشاهای ساخته شده استفاده گردید.
نتایج نشان داد که غشای نانو کامپوزیتی حاوی 0/5 درصد وزنی از نانو ذرات ZnO ، زاویه تماس کمتر و مقاومت مکانیکی بیشتری را نسبت به سایر نمونهها از خود نشان داد در کنار آنالیزهای ساختاری غشاها، عملکرد و گرفتگی غشاها طی فیلتراسیون محلول هیومیک اسید به عنوان یکی از مهمترین الاینده های منابع آبی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج حاصل از مطالعه گرفتگی غشاها نشان دهنده عملکرد مطلوب غشاهای ساخته شده در حضور نانو ذرات اکسید روی در زمینه افزایش مقاومت غشاها در برابر گرفتگی بود. در این پژوهش سعی بر آن خواهد شد تا با استفاده از ساختارهای نانوکامپوزیتی و نانو ذرات ZnO ، خواص ضدگرفتگی غشای استات سلولز در فیلتراسیون هیومیک اسید از آبهای آلوده، بهبود یابد.
کلمات کلیدی:غشاهای نانوکامپوزیتی، نانو ذرات اکسید روی، غشای استات سلولز، گرفتگی غشا
-1مقدمه
رشد روز افزون جمعیت و افزایش تقاضای بیش از پیش آب از یک سوو گسترش سریع صنایع مختلف از سوی دیگر، موجب افزایش شدید مصرف آب در دهههای اخیر شده است. با وجود اینکه در طی قرن اخیر جمعیت جهانی چهار برابر شده است، اما تقاضای جهانی برای آب در حدود 7 برابر افزایش یافته است.[2] پیش بینی میشود که این چالش جهانی آب با افزایش جمعیت در کشورهای در حال توسعه نیز افزایش یافته و در 40 سال آینده رشد جمعیت به حدود 40 درصد برسد، لذا تقاضای بخشهای صنعت، کشاورزی و انرژی برای منابع آبی نیز رشد خواهد یافت.[12] در این بین، ایران که با داشتن یک درصد از جمعیت جهان و 1/1 درصد از مساحت کل زمین، ب لحاظ اقلیمی در منظقه خشک و نیمه خشک کره زمین واقع شده است، با در اختیار داشتن تنها 36 صدم درصد از کل منابع آبی موجود در جهان با سرعت بیشتری به سمت کم آبی در حرکت است.
پیش بینی می شود تا سال 2025 ایران جزء کشورهایی خواهد بود که به شدت با بحران کم آبی مواجه خواهد شد. این امر لزوم توجه همه جانبه به مسئله کم آبی و استفاده بهینه از تمامی منابع آبی کشور را میرساند تا بتوان به مقابله با این بحران پرداخت. با توجه به شرایط اقلیمی حاکم بر بخش عمده کشور، بررسی استفاده از پساب فاضلاب تصفیه شده به عنوان منبع جدید آب در سالهای اخیر از اهمیت ویژهای برخوردار شده است. در چند سال گذشته با توجه به توسعه صنایع و کارخانهها، مشکلات مربوط به آلودگی محیط زیست افزایش چشمگیری یافته است. آلودگیهای موجود درآب علاوه بر اینکه باعث انتشار بسیاری از بیماریها میشود، سلامت و کیفیت منابع محدود آب تمیز را نیز تحت تاثیر قرار داده و در بلند مدت صدمات زیاد و جبران ناپذیری را بر پیکره توسعه اقتصادی و اجتماعی جامعه وارد میسازد.
از بین انواع منابع موجود بر روی کره زمین، آبهای سطحی به عنوان یکی از مهمترین منابع آبی در دسترس انسانها میباشد. کیفیت پایین آبهای سطحی به علت حضور مواد الاینده از جمله مواد جامد معلقو همچنین مواد شیمیایی بیولوژیکی مختلف، مصرف آنرا برای انسان دچار مشکل میکند.[8] در نتیجه نیاز به تصفیه آبهای سطحی بیش از پیش احساس میشود. در این میان، مهمترین واحد های مرسوم برای تصفیه آب عبارتند از: ضد عفونی،انعقاد،اختلاط سریع،لخته سازی و فیلتراسیون. در این بین، فرایندهای غشایی با توجه به اینکه اساسانیاز به هیچ مواد افزودنی شیمیایی و یا ورودی حرارتی و همچنین بازیافت مواد بکار رفته ندارند، بیش از سایر فناوریهای دیگر برای تصفیه آب مورد توجه قرار گرفتهاند.
یکی از مهمترین چالشهای پیش روی فرایندهای غشایی، گرفتگی غشاهاست که هدف بسیاری از محققین نیز بر روی کاهش گرفتگی غشاها متمرکز شده است. بنابراین بهبود در خاصیت آبدوستی و ضد گرفتگی غشاها ضروری بنظر میرسد. یکی از روشهای اصلاح غشاها به منظور رسیدن به این مهم، استفاده از ساختارهای نانوکامپوزیتی است. نانوذرات با توجه به ویژگیهای منحصر به فرد خود، مانند سطح تماس ویژه بالا، قادر خواهند بود که ضمن بهبود در خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی غشاها، خاصیت ضد گرفتگی غشا را نیز بهبود دهند. در این میان میتوان به نانو ذره اکسید روی - ZnO - 1 اشاره کرد.
-2متن
غشا عبارت است از یک فاز که به عنوان مانع در برابر انتقال جرم عمل میکند و با محدود کردن یا کنترل کردن مسیر اجزا، به یک یا چند جزء اجازه عبور ازخودش را میدهد.[1] در این پژوهش از غشای استات سلولز - CA - 2 که یک غشای با خاصیت آبدوستی بالا است استفاده خواهد شد. توسعه غشاهای CA در اوایل سال 1960، توسط لوب3 و سوریراجان4 باعث شد که بستر استفاده از سایر پلیمرها به منظور ساخت . CA که به عنوان یک پلیمر فوق آب دوست نیز شناخته میشود، از طریق سلولز طبیعی ساخته میشود. شکل 1 ساختار شیمیایی این پلیمر را نشان میدهد. حضور گروههای آبدوست در ساختار شیمیایی این پلیمر باعث شده است که این پلیمر به یکی از پرکاربردترین غشاها در زمینه تصفیه آب تبدیل شود. غشاهای تجاری اسمز معکوس - RO - 5، میکروفیلتراسیون - MF - 6 و اولترافیلتراسیون - UF - 7 به طور عمده از این پلیمر ساخته میشوند. CA اولین پلیمری بود که برای ساخت نانوفیلتراسیون - NF - 8 نیز مورد استفاده قرار گرفت. ساخت ساده و غیرسمیبودن، نسبتاً ارزان بودن، آبدوستی بالا، زیست سازگار، مقاومت خوب در برابر گرفتگی و پتانسیل بالا در افزایش شار، از جمله مزایای غشای CA است. مقاومت شیمیایی و حرارتی پایین تجزیه احتمالی بیولوژیکی آن توسط باکتریها از جمله معایب این نوع غشاها است.
