بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ساخت و ارزیابی غشاهای لایه نازک کامپوزیتی اسمز مستقیم
در نمک زدایی از آب دریا
چکیده :
فرآیند های غشایی اسمزی کاربرد های بسیاری در تصفیه فاضلاب و نمک زدایی از آب های دریا و آب های شور دارد ،یکی از این فرآیند های غشایی، اسمز مستقیم می باشد.در این مطالعه غشاهای لایه نازک کامپوزیتی به منظور استفاده در فرآیند اسمز مستقیم سنتز شده است.غشا از یک زیرلایه متخلخل پلی سولفونی که از روش تغییر فاز تولید می شود ویک لایه نازک چگال و پلی آمیدی که از واکنش پلیمریزاسیون در فصل مشترک بین یک دی آمین (متا فنیلن دی آمین )و یک دی یا تری اسید کلراید (تری مزوئیل کلراید )حاصل میشود ، سنتز شده است . از آنجایی که برای نمک زدایی از آب شور غشایی با پس زنی بالا مورد نیاز است در این پژوهش تولید غشایی با پس زنی بالا در کنار فلاکس مطلوب مورد تاکید بوده است . تاثیر غلظت های مختلف محلول پلیمری بررسی شد میزان فلاکس و پس زنی غشا اندازه گیری شده و مورد تجزیه و تحلیل نموداری قرار گرفته و مقادیر بهینه برای دستیابی به حد مطلوبی از فلاکس و پس زنی گزارش شده است .غشا مطلوب پس از تولید موردآزمایش اسمز مستقیم برای نمک زدایی از آب دریا قرار گرفت، و عملکرد فرآیند اسمز مستقیم با آب دریا و به عنوان خوراک و محلول 2 مولارنمک سدیم کلراید به عنوان محلول اسمزی بررسی شد.
واژه های کلیدی :غشا لایه نازک مرکب ،اسمز مستقیم ،نمک زدایی ،
-1 مقدمه :
آبیکی از پارامتر های ضروری برای حفظ یک محیط سالم در جوامع امروزی به شمار می آِید. حدود % 75 از سطح زمین را آب فرا گرفته است و تقریبا %97 از آب سطحی را آب دریا و اقیانوس شامل می شود و حدود %2 در توده های یخ محفوظ شده است .[C.Karaginnis et al . 2008 ,448] اگر چه آب در دسترس بسیار فراوان است اما آب شیرین به راحتی از این منابع نامحدود قابل استخراج نیست . در یک دهه گذشته آگاهی جوامع بشری نسبت به نقش آب شیرین به عنوان منبع مهم و حیاتی افزایش یافته است. [ I.A Uroniene.2005].کشور. های زیادی در جهان از کمبود آّب سالم رنج می برند به علاوه به دلیل رشد صنایع مختلف ،کشاورزی ، جمعیت و بهبود استانداردهای زندگی نیاز به آب سالم رشد چشمگیری یافته است .[C.Charcosset.,2004,299] طبق آمار سازمان بهداشت جهانی حدود % 25 از جمعیت جهان در کشور هایی زندگی می کنند که به دلیل کمبود زیرساخت ها و امکانات برای تصفیه آب رودخانه ها و سفره های زیرزمینی به آب سالم دسترسی ندارند .[M.Busch et al, 2004,299] خاورمیانه و شمال آفریقا حدود 6/3.درصد از جمعیت جهان را در خود جای داده است در حالی که 1/4 درصد از آب شیرین تجدید پذیر در این مناطق وجود دارد .[F.Roudi-Fahimi et al,2004,]با افزایش جمعیت ، تقاضا برای آّب شیرین افزایش پیدا کرده است ،اما عرضه آن با این افزایش هم راستا نیست . در واقع طبق پیش بینی های به عمل آمده در سال 2025 بیش از %60جمعیت جهان ممکن است کمبود آب را تجربه کنند . مگر اینکه کشورهای جهان ،به ویژه کشور های توسعه یافته مصرف را کاهش دهندویا از منابع جدیدی برای تامین آّب بهره مند شوند [ B.Liberman,1999,51, .[G,F.Casini,1983,19 با توجه به حجم زیاد دریا در خاورمیانه و آفریقا از نقظه نظر فنی دسترسی به آب شیرین نامحدود است اما آب دریا برای مصرف بشر باید مورد تصفیه قرار گیرد شیرین سازیکی از روش های جداسازی است که آّب شور را به دوجریان تبدیل می کند ،یک جریان آب نسبتا خالص ودیگری آبی با غلظت بالای نمک .به این نکته میتوان اذعان داشت که سراسر جهان دچار کمبود آب شده است به ویژه منطقه خاورمیانه ،که یکی از کم آب ترین مناطق جهان است .در کشورهای حوزه خلیج فارس خشکی زیاد آب و هوا منجر به تبخیر حجم بالای منابع آبی می شود . علاوه بر این بارندگی کم نیز سبب کمبود آب در این مناطق شده است .[A.A.Murad et al ,2006,1450] این کشورها آب مورد نیاز خود را از تصفیه آب و فاضلاب ،شیرین سازی آب و منابع زیرزمینی تامین می کنند .[S.Orr,A.Cartwright et al ,2006] در سال های اخیر تعداد واحد
های شیرین سازی آب بطور چشمگیری افزایش پیدا کرده است [E.D.Howe , 1974, Shuaifei Zhaoa et al .[,2012,390اگرچه افزایش ظرفیت کارخانه های آب شیرین کن منجر به برطرف کردن بخش عمده ای از نیاز های جامعه شده است اما این امر سبب افزایش هزینه های اقتصادی در بخش نمک زدایی شده است . متاسفانه روش های متدوال نمک زدایی شامل MSF(multi stage flash distillation)و ( RO(reverse osmosis نیازمند مقدار زیادی انرژی است که منجر به افزایش هزینه ها می شود .[C.Karaginnis et al . 2008 ,448]به دلیل تقاضای روز افزون آب شیرین و هزینه ی بالای فرآیند های نمک زدایی متدوال محققین برآن شدند که فرآیند های نمک زدایی کم هزینه تری را مورد بررسی قرار دهند .اخیرا اسمز مستقیم((FO به عنوان یک تکنیک نمک زدایی جایگزین مورد بررسی قرار گرفته است.بسیاری از تحقیقات اخیر بر روی فرآیند اسمز مستقیم برای کاربرد های مختلفی از جمله تصفیه فاضلاب ،تخلیص آب و نمک زدایی آب دریا،انجام شده اند . بر خلاف فرآیند های فشاری نظیر اسمز معکوس ،اسمز مستقیم یک فرآیند برای کاهش مصرف انرژی می باشد
.[Shuaifei Zhaoa et al,2012,390] اسمز مستقیم یک فرآیند اسمز طبیعی است که در آن بخاطر تفاوت در فشار های اسمزی از یک غشا نیمه تراوا عبور کرده و از یک محلول با غلطت پایین به محلول دیگری با غلظت بالا نفوذ می کند .محلول با غلظت پایین محلول خوراک نام دارد که باید نمک زدایی شود از سوی دیگر ،محلول با غلظت بالا ،محلول اسمزی نامیده می شود
.تفاوت فشار اسمزی بین محلول خوراک و محلول اسمزی باعث می شود تا آب از محلول خوراک به محلول اسمزی جریان یابد
.نمک ها بر اساس ماهیت نیمه تراوایی غشا در محلول خوراک باقی می مانند .شکل (1)فرآیند اسمز مستقیم را نشان می دهد
.[Tzahi Y et al ,282,2006]
شکل (1) اسمز مستقیم [13].
مزیت اصلی اسمز مستقیم در این است که بدون فشار هیدرولیکی عمل می کند ،در نتیجه در مقایسه با فرآیند های فشاری نظیر اسمز معکوس منجر به گرفتگی غشایی کمتر و به دنبال ان کاهش مصرف انرژی می شود .انتقال آب از محلول خوراک به محلول
اسمزی یک فرآیند طبیعی می باشد وبه هیچ انرژی نیاز ندارد برای بازیابی آب نفوذ کرده به محلول اسمزی به مقداری انرژی نیازمندیم اما استفاده از محلول اسمزی مناسب می تواند اسمز مستقیم را تبدی به یک فرآیند کم هزینه کند .
تحقیقات اولیه بر روی اسمز مستقیم و توسعه کاربردهای جدید اسمز مستقیم به طور چشم گیری در حال رشد می باشد [14]،هرچند ،این تحقیقات با موانع مختلفی از جمله فقدان غشاهای اسمز مسقیم مواجه هستند . در نتیجه مهم ترین مرحله در بهبود حوزه اسمز مستقیم یعنی توسعه و آزمایش غشاهای جدید در هر دو ساختار مسطح و الیاف تو خالی در حال بررسی است
.غشاها باید دارای فلاکس بالای آب ،پس زنی بالای نمک ،قطبش غلظتی داخلی کم (ICP)،ثبات شیمیایی بالا و قدرت مکانیکی بالا باشند. یکی از معمول ترین غشا ها در فرآیند اسمز مستقیم غشا های لایه نازک کامپوزیتی میباشد . پلیمریزاسیون بین سطحی یک روش قدرتمند برای ساخت غشاهای کامپوزیتی است . فرایند پلیمریزاسیون سطحی بین یک دی آمین (متا فنیل دی آمین (MPDودی یا تری اسید کلراید (تری مزوئیل کلراید (TMC صورت می گیرد .
-2 تجربی
-1-2 مواد
پلیمر پلی سولفون ، دی متیل فرمامید ، پلی وینیل پیرولیدون ،مونومر متا فنیل دی آمین ،تری مزوئیل کلراید ،نرمال هگزان ،سدیم دو دسیل سولفات
2-2 روش ها
-1-2-2 ساخت غشای اولترا پلی سولفون
ابتدا میزان مشخصی از پلیمر پلی سولفون به عنوان پلیمر اصلی و پلی ونیل پیرولیدون به عنوان کنترل کننده حفرات و آب دوست کننده سطح در حلال دی متیل فرمامید حل گردید .فرآیند حل شدن تا زمانی که محلول همگن شود ادامه می یابد .پس از این فرآیند محلول پلیمری دور از نوربه مدت 24 ساعت بدون هم زدن نگه داشته میشود تا حباب های احتمالی از محلول خارج شود سپس محلول توسط ضخامت دهنده یا فیلم کش روی پارچه پلی استری با ضخامت 100میکرومتر کشیده شده و بلافاصله در آب مقطر و 0.1 درصد وزنی سدیم دو دسیل سولفات قرار داده می شود تا عملیات جدایش فازی رخ دهد .بعد از 24 ساعت غشا از حمام بیرون آورده میشود و در دمای اناق خشک میگردد .[Maryam Amini et al ,2013,234]
-2-2-2 ساخت غشا ی کامپوزیتی اسمز مستقیم
غشا کامپوزیتی لایه نازک به روش پلیمریزاسیون در فصل مشترک مطابق شکل (3) تهیه می شوند ، که در آن دو مونومر فعال عامل آلی (تری مزوئیل کلراید )و آبی (متا فنیل دی آمین )با هم واکنش داده و ساختمان شبکه ای را ایجاد می کنند . در این روش ، زیر لایه نامتقارن اولترافیلتراسیون ساخته شده در محلول آبی متشکل از 2 درصد وزنی متا فنیل دی آمین به مدت زمان 2 دقیقه غوطه ور می شود .پس از بیرون آوردن از محلول آبی جهت اطمینان از حذف محلول آمینی اضافی باقیمانده بر روی سطح برای حذف حباب های کوچک تشکیل شده در دمای محیط به صورت عمودی نگه داشته میشود و توسط ابر نرم سطح غشا ی اشباع شده تمیز می گردد ،،زیر لایه پلی سولفونی اشباع شده از محلول آبی در محلول آلی 0.1 درصد تری مزوئیل کلراید در نرمال هگزان به مدت 30 ثانیه غوطه ور میشود .سپس غشا از محلول بیرون آورده می شود و جهت تثبیت لایه و تکمیل واکنش پلیمریزاسیون غشای حاصله به مدت 5 دقیقه در دمای 80 درجه کوره قرار داده میشود. [Navid Niksefat et al,2014,2]
شکل (3)واکنش پلیمریزاسیون سطحی بین )MPDمتا فنیل دی آمین ) و )TMCتری مزوئیل کلراید )
-3-2 بررسی عملکرد غشا
در این پژوهش برای بررسی عملکرد غشا ساخته شده از سیستم آزمایشگاهی که شمایی از آن در شکل (2) نمایش داده شده استفاده شده است . محلول خوراک توسط پمپ به درون محفظه غشایی هدایت می شود .به منظور کنترل دقیق فشار و دما در هر دو سمت محفظه غشا از دماسنج و فشار سنج استفاده شده است . همچنین جهت کنترل شدت جریان ثابت و یکنواخت از دبی سنج استفاده شده است .جریان خوراک و محلول اسمزی پس از ورود به محفظه غشایی از روی سطح غشا عبور کرده و از آن خارج می شود .محلول خوراک و محلول اسمزی با استفاده دو پمپ دیافراگم ،به صورت مجزا با سرعت یکسان جریان می یابد .جریان های ورودی پس از تماس با سطح غشا از طرف دیگر خارج می شوند و به ظرف اولیه باز می گردند .این سیستم شامل دو شیر در خروجی محفظه برای کنترل فشار روی سطح غشا و دو شیر برای کنترل جریان می باشد دو دماسنج فشار سنج و دبی سنج در مسیر خوراک و محلول اسمزی قرار داده شده است .محفظه در بر گیرنده غشا از دو کانال مجزا با ابعاد 80 میلیمتر طول و 37 میلی متر عرض و 5 میلی متر ارتفاع برای ورود و خروج جریان برخوردار است که توسط غشای اسمز مستقیم از هم جدا می شوند
.سطح موثر غشا 29.6 سانتی متر مربع می باشد که در هر دو طرف محفظه یکسان است .
-1-3-2 اندازه گیری مشخصات جداسازی غشا
میزان پس زنی نمک سدیم کلرید (R) با استفاده از محلول 20میلی مولار نمک سدیم کلرید به عنوان خوراک با سیستم اسمز معکوس در فشار 5-1 بار اندازه گیری میشود برای محاسبه میزان پس زنی از دستگاه هدایت سنج میزان هدایت الکتریکی خوراک و محلول نفوذ کرده از غشا اندازه گیری می شود .
هدایت الکتریکی جریان خوراک و هدایت الکتریکی جریان تراوش کرده می باشد .
-2-3-2 اندازه گیری عملکرد اسمز مستقیم
عملکرد فرآیند اسمز مستقیم (فلاکس آب)با استفاده از فرآیند طراحی شده مانند شکل (2) اندازه گیری میشود .خوراک و محلول اسمزی با سرعت یکسان 800 میلی لیتر بر دقیقه به گردش در می آیند .محلول آب نمک 2 مولار به عنوان محلول اسمزی و محلول 10 میلی مولار آب نمک به عنوان خوراک استفاده می گردد . با اندازه گیری تغییرات وزن خوراک در یک بازه زمانی مشخص فلاکس آب اسمز رو به جلو اندازه گیری میشود .
سطح فعال غشا و زمان انجام فرآیند است .
شکل (2) دیاگرامی از سیستم اسمز مستقیم [15]
-3 بحث و نتیجه گیری
1-3 تاثیر غلظت پلیمر پلی سولفون بر عملکرد غشا اسمز مستقیم
در جدول (1) نحوه ساخت غشاهای لایه نازک کامپوزیتی اسمز مستقیم شرح داده شده است .
جدول( (1ترکیب درصد محلول پلیمری و محلول مونومری برای آماده سازی غشا
