بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، هدف ساخت غشاي الیاف توخالی اولترافیلتراسیون پلیاترسولفون و اصلاح خواص آن با استفاده از برهمکنشهاي بس ذره اي نانو ذرات به منظور تصفیه پسابهاي نفتی بوده است. به منظور ساخت غشاها از دستگاه ریسندگی الیاف توخالی با روش جدایی فاز استفاده شده است. ترکیبهاي از نانوذرات TiO2 - ،اکسید گرافن و اروسیل - 200 به عنوان افزودنی تهیه شدند. در این پژوهش، افزایش ترکیب درصد نانوذرات مانند اکسیدگرافن بدلیل داشتن گروههاي عاملی - هیدروکسیل، کربونیل و کربوکسیلیک - در محلول پلیمري، موجب افزایش میزان فلاکس تراوشی، آبدوستی و پسدهی و در نتیجه، کاهش میزان گرفتگی میشود.همچنین افزودن دیگر نانوذرات مانند TiO2 و اروسیل 200، موجب افزایش برهمکنشهاي بس ذره اي بین نانوذرات و پلیمر که نتیجتاً منجر به افزایش فلاکس تراوشی، آبدوستی و پسدهی میگردد. همچنین مشاهده شد که استفاده از ترکیب PES/GO/PA/PEG/NMP و غوطه وري الیاف توخالی نوریس خروجی از اسپینرت، به ایجاد غشاهایی منجر میشود که ضمن دارا بودن خواص غربال گري بهینه و فلاکستراوشی مناسب، از پایداري مکانیکی و شیمیایی بیشتري در مقایسه با غشاهاي رایج PES مورد استفاده در تصفیه پساب هاي نفتی برخوردار میباشند.
مقدمه
افزودنیها به محلول پلیمري میتوانند آب، نمکهاي مواد آلی با وزن مولکولی پایین، مواد فعال سطحی، پلیمرها و پرکنندههاي معدنی و یا ترکیبی از مواد ذکر شده باشد. اما موادي مثل پلی اتیلن گلایکول و پلی وینیل پیرولیدون و آکریلیک اسید و تریتون تتذسگ در این میان بیشترین کاربرد را دارند. این مواد افزودنی با تأثیر بر روي سینیتیک و ترمودینامیک فرآیند جدایی فاز، روي ساختار و
عملکرد غشا نهایی اثر میگذارند. وقتی که محلول پلیمر از اسپینرت به داخل حمام ضد حلال فرو برده میشود، به جهت امتزاج پذیري ضعیف بین پلیمر حغب و ضد حلال - آب مقطر - ب1م، فرایند انعقاد آغاز میشود و ضخامت دیواره غشا الیاف توخالی به تدریج و با گذشت زمان و تحت کشش کاهش مییابد.
همزمان، امتزاجپذیري زیاد بین حلال - قحقخَبقش - و آب مقطر ب1 و 2م موجب میشود که آب مقطردر لایه داخلی و بیرونی غشا الیاف توخالی در حال انعقاد نفوذ کندو در نتیجه، با توجه به عدم امتزاج پذیري میان پلیمر و ضد حلال،حغب موجود در این نقاط را به اطراف پس بزند و هستههاي غنی از حلال - عاري از حغب - را ایجاد کند. نهایتا رشد این هستهها درجهات موازي و مخصوصا عمود بر سطح مقطع، آن قدر ادامه میس یابد تا اینکه غلظت زنجیرهاي پلیمري پس زده شده به اطراف هستهها بقدري زیاد شود که به انجماد این زنجیرهاي پلیمري بیانجامد ب3 و 4م.تعداد محدودي از حفرات درشت در برش عرضی غشا ایجاد میشود.
اما چنانچه رشد این هستههاي محدودبا مانع جدي مواجه شود، طبیعی است که فرصت براي پیدایش هستههاي جدید در فصل مشترك فیلم/حمام و رشد آنها ایجادمیگردد و در نتیجه با این کار، از رشد بیش از حد تعداد محدودي از هسته ها جلوگیري به عمل میآید و در واقع این رشد، درخصوص علت ایجاد تخلخل بیشتر باید گفت که با توجه به عدم امتزاج پذیري میان حغب و آب مقطر، میزان این پلیمر در طی فرایند انعقاد فیلم دستخوش تغییر نمیشود و ثابت میماند. تسهیل در انجام جدایش آنی درطی فرایند انعقاد و شکل گیري غشاء، از رابطه مستقیمی با ناپایداري ترمودینامیکی و نیز سینتیک حاکم بر جا به جایی حلال موجود در آن با ضدحلال موجود درحمام انعقاد برخوردار است ب3، 4 و 5م.
سینتیک حاکم بر جا به جایی حلال با ضد حلال نیز از نقش تعیین کنندهاي در تسهیل و یا ممانعت در برابر انجام فرایند جدایش آنی برخوردار میباشد و چنانچه افزایش میزان ناپایداري ترمودینامیکی فیلم و به عبارت دیگر کاهش میزان ضدحلال مورد نیاز براي شکل گیري غشا را به عنوان شرط لازم براي میل به سمت جدایش آنی فرض کنیم، شرط کافی آن است که نفوذ ضدحلال و جایگزینی آن با حلال، از سرعت بالایی نیز برخوردار باشد که در غیر این صورت، زمان مورد نیاز براي انجماد فیلم و به عبارت دیگر توقف انعقاد و شکلگیري غشا افزایش چشمگیري مییابد و به کاهش ضخامت آن و جدایش کند فازي میانجامد.
در این پژوهش، هدف ساخت غشاي پلیاترسولفون اولترافیلتراسیون به روش جدایی فاز براي تهیه غشاهاي الیاف توخالی پلیمري جهت تصفیه پسابهاي نفتی میباشد. بهبود خواص
غشاهاي ساخته شده با استفاده از برهمکنشهاي بس ذره اي نانو ذرات با پلیمر از دیگر اهداف این کار میباشد. براي انجام آزمایشات از 3 نوع نانوذرات مختلف با مشخصات زیراستفاده شده است. اکسید گرافن، دي اکسید تیتانیوم - عغ 20-21 لقط - 1 و اروسیل 1200 - قطر ذرات عغ - 12 نانوذرات می باشند که در ساخت غشا اولترافیلتراسیون الیاف توخالی استفاده شده است. براي انجام بررسی هاي تجربی به منظور تعیین عملکرد غشاهاي ساخته شده، یک واحد پایلوت آزمایشگاهی، طراحی و ساخته شد - شکل . - 1 دستگاه ارزیابی غشاهاي ساخته شده پس از راهاندازي در پژوهشکده علوم و تکنولوژي پلیمر پژوهشگاه صنعت نفت نصب گردید و ارزیابی غشاهاي الیاف توخالی ساخته شده براي این پژوهش با دستگاه مذکور انجام گردید.
بحث و نتایج
غشاهاي الیاف توخالی نانو کامپوزیتی پلیمري-معدنی یک حرکت روبه جلو و جالب توجه، در مسیر بهبود خواص جداسازي غشاهاي پلیمري ایجاد نمودهاند، زیرا آنها داراي خواص هر دو نوع غشا آلی و معدنی، مانند ترواش پذیري خوب، انتخابپذیري، مقاومت مکانیکی و پایداري حرارتی میباشند. در این کار رفتار ذرات بسیار ریز - لقط1، اروسیل 200 و اکسید گرافن - روي خصوصیات غشا مورد مطالعه قرار میگیردح توزیع یکنواخت نانوذرات از مهمترین پارامترهاي تاثیرگذار بر عملکرد مورفولوژي غشا شبکه ترکیبی است. که خواص نانوذرات میتوان به قابلیت توزیع یکنواخت و تمایل کمتر به تشکیل توده اشاره کرد.به منظور بررسی نتایج غشاهاي اولترافیلتراسیون الیاف توخالی و تاثیر نانوذرات بر خصوصیات غشاهاي ساخته شده 4 آزمایش انتخاب شده است تا مورفولوژي غشاهاي ساخته شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - قغح - استفاده گردیده و تاثیر نانو ذرات لقط1، اکسید گرافن و اروسیل 200 مورد بررسی قرار گرفته است. جهت مقایسه 4 آزمایش تحت شرایط زیر انتخاب شده است - جدول . - 1\
تمامی آزمایشات فوق جهت ساخت غشا الیاف توخالی تحت شرایط زیر انجام پذیرفته است که پارامترهاي عملیاتی فوق در حین ساخت براي هر 4 آزمایش ثابت در نظر گرفته شده است.آزمایش تراوشپذیري غشا اولترافیلتراسیون الیاف توخالی براي محاسبه فلاکس تراوشی و مقاومت ذاتی غشا با آب مقطر انجام شده است. نتایج حاصل در جدول زیر ارائه شده است.نتایج حاصل نشان از افزایش فلاکس تراوشی غشا و کاهش مقاومت ذاتی غشا می باشد. نانو ذرات به دلیل گروه هاي عاملی باعث میشوند فلاکس تراوشی به شدت افزایش یابند. همچنین تست هاي پس دهی با پساب نفتی حاکی از آن بود که افزودن نانو ذرات به خصوص اروسیل 200 و اکسید گرافن به شدت پس دهی را افزایش میدهد.
این افزایش میتواند به دلیل کاهش اندازه و قطر حفرات سطحی غشا و افزایش میزان طبیعت آبدوستی سطحی آن به دلیل گروههاي عاملی موجود در اکسید گرافن و اروسیل 200 باشد. اکسید گرافن داراي مقادیر زیادي گروههاي هیدروکسیل - دقس - ، کربونیل - قچه - و کربوکسیلیک - دققه - میباشد که میتواند خصوصیات منحصر فردي به غشا دهد و خواص غشا را ارتقا بخشد. در حالیکه اروسیل 200 فقط داراي گروههاي هیدروکسیل - دقس - میباشد که تا حدودي میتواند خصوصیات غشا را ارتقا بخشد. نتایج حاصل از جدول 3 نشان میدهد براي غشاهاي که فقط از پلیمر حغب جهت ساخت آنها استفاده شده و در دوپ ریسندگی غشا از هیچگونه افزودنی استفاده نگردیده میزان محتواي آب آنهاحدوداً %69.8 مشاهده شده در حالی که با اضافه کردن نانوذرات مانند اکسید تیتانیوم - لقط - 1 میزان محتواي آب که معیاري از آبدوستی غشاها است %74.5 مشاهده گردیده که این افزایش به دلیل برهمکنشهاي بس ذره اي بین نانوذرات با پلیمر می باشد که باعث تغییر در مورفولوژي و آبدوستی غشا شده است.
نتایج مشابه براي اکسید گرافن و اروسیل 200 نیز مشاهده گردیده است. محققین دیگر مشاهده کردند با اضافه کردن نانوذرات مانند اکسید تیتانیوم - لقط - 1 مورفولوژي غشاها را تحت تاثیر قرار میدهد بطوري که باعث افزایش تخلخل و کاهش اندازه حفرات میگردد همچنین میزان آبدوستی غشاها که وابسته به نوع نانوذرات میباشد افزایش مییابد ب5- 6م. افزایش تخلخل، کاهش اندازه حفرات و آبدوستی به صورت مستقیم روي فلاکس تراوشی، پسدهی و گرفتگی غشاها مورد استفاده در تصفیه پسابهاي نفتی تاثیر گذار میباشد. یولیواتی و همکارانش براي اصلاح خصوصیات سطحی غشاهاي الیاف توخالی ًخبب از نانوذرات لقط1 و قلد·ئهطع در دوپ محلول ریسندگی استفاده کردند، آنها دریافتند اضافه کردن نانوذرات باعث بهبود عملکرد غشا - آبدوستی و متوسط اندازه
