مقاله ساخت و بررسی اثر نانوذرات سیلیکا بر خواص جداسازی گاز غشا آلیاژی پلی سولفون – پلی آکریلونیتریل

word قابل ویرایش
15 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

ساخت و بررسی اثر نانوذرات سیلیکا بر خواص جداسازی گاز غشا آلیاژی پلی سولفون – پلی آکریلونیتریل
چکیده
وجود مزیت های فراوان سیستم های غشایی و پیشرفت های صورت پذیرفته در این زمینه موجب گردیـده اسـت کـه تحقیقات گسترده ای در زمینه توسعه و گسترش مواد پلیمری مختلف جهت بهینه سازی روش جداسازی گاز توسط فرآیند غشایی و همچنین توسعه روشهای نوین برای تولید غشاهایی با کارایی بالا صورت پـذیرد. در ایـن پـژوهش ، بهبود خواص جداسازی گاز در غشای آلیاژی پلی آکریلونیتریل ١ و پلی سولفون ٢ با اضافه کـردن نـانوذرات سـیلیکا٣ مورد توجه قرار گرفته است که با تهیه غشای متراکم دنبال شد. در این پژوهش ابتدا با اضافه کـردن پلـی سـولفون به غشای پلی آکریلونیتریل ، بهترین ترکیب درصد غشـای آلیـاژی بدسـت آمـد و سـپس از روش سـل – ژل بـرای ساخت غشاهای نانوکامپوزیت و از روش فشار ثابت برای بررسی تراوایی گازها استفاده شد.تمام غشاها با اسـتفاده از روش تبخیر حلال آماده شدند. نسبت پلیمرها در غشاهای مـاتریس مخلـوط بـه میـزان ١٠٠% PAN،١٠٠% PSF ،(PSF-PAN )(۵.٩۵)، (١٠.٩٠)، (١۵.٨۵) در نظر گرفته شد، در حالی که نانوذرات سیلیکا با درصـدهای ٢.۵، ۵، ١٠، ١۵, ٢٠ درصد وزنی بارگذاری شد. از آزمون های SEM و FT-IR جهت بررسـی صـحت نتـایج بدسـت آمـده استفاده شد. تراوش پذیری غشاهای پر شده از ١٠% وزنی سیلیکا برای گازهـای CO٢، O٢، N٢ و CH۴ بـه ترتیـب ١١٧%، ١٣٧%، ٩۵% و ۵٣% نسبت به غشای خالی از نانوذرات سیلیکا افزایش داشـت . بـا افـزایش مقـدار نـانوذرات سیلیکا در شبکه پلیمری (١٠% سیلیکا) کارایی جداسازی گاز بهبود یافت ، بطـوری کـه افـزایش همزمـان تـراوش – پذیری و انتخاب پذیری مشاهده شد.
واژه های کلیدی : غشا، جداسازی، گاز، پلیمر، پلی سولفون ، پلی آکریلونیتریل ، سیلیکا

١- مقدمه :
امروزه فناوری غشایی به دلیل برخورداری از مزایای بسیار در مقایسه با دیگـر فنـاوریهـای جداسـازی جایگـاه ویـژه ای در صـنایع مختلف پیدا نموده است . کاربرد روز افزون این فناوری در صنایع مختلف بالاخص صـنایع نفـت ، گـاز و پتروشـیمی دلیلـی بـر ایـن مدعاست (صادقی ١٣٨٨:أ). امروزه فناوری غشایی به صورت مکرر برای جداسازی مخلوط گازهـا در صـنایع نفـت ، گـاز و پتروشـیمی استفاده می شود. فرآیند جداسازی گازها توسط غشا بدون تغییر فاز اتفاق می افتد، به همین دلیل باعث کاهش هزینه ها می شـود. در مقایسه با سایر روش های مرسوم جداسازی، غشاها دارای فرآیند ساده تری بوده و همچنین هزینه تعمیر و نگهـداری کمتـری دارنـد .(Takht Ravanchi2009:199)
مهمترین عیب این روش رابطه معکوس بین تراوش پذیری و انتخـاب پـذیری بـوده کـه غشـاهای نانوکامپوزیـت بـا بهبـود همزمـان تراوش پذیری و انتخاب پذیری تا حد زیادی این مشکل را برطرف ساخته اند. جداسازی غشایی بر پایه عبـور انتخـابی گـاز، بـه طـور مستقیم با دیگر روش های جداسازی گاز رقابت می کند. غشاها در مقایسه با دیگر روش ها دارای کارایی بالاتر و نیز فرآیند ساده تـری هستند (Takht Ravanchi٢٠٠٩١٩٩).
در دو دهه گذشته پیشرفت های قابل توجهی در زمینه عملکرد غشاهای پلیمری برای جداسـازی گـاز صـورت گرفتـه و درک مـا از ارتباط بین ساختار غشاهای پلیمری و ویژگی های جداسازی گاز آنها که همان تراوش پذیری و انتخاب پذیری بالاتر می باشد، تـا حـد زیادی پیشرفت کرده است (Pandey٢٠٠١٨۵٣). پلیمرها از نظر اقتصادی مقرون به صرفه هستند و به دلیل انعطاف پذیری و فرآیندپذیری بـه راحتـی بـه شـکل مـاژول ١ مـارپیچی درآمده یا به صورت الیاف توخالی ٣ ریسیده می شوند و به همین دلیل پژوهشگران علاقه بیشتری نسبت به غشـاهای پلیمـری نشـان داده اند و این باعث پیشرفت روز افزون غشاهای پلیمری شده است . با این حال تلاش ها برای بهبود خـواص تراوایـی (عبورپـذیری)، انتخاب پذیری و مقاومت مکانیکی و حرارتی این گونه غشاها در حال انجام است (Koros٢٠٠٢١٣).
یکی از روشهای بهبود قابلیت های غشایی استفاده از مواد نانویی در بافت پلیمری است . بـه دلیـل انـدازه کوچـک نـانوذرات و نیـز سطوح تماس بالای بین نانوذرات و فاز پلیمری، غشاهای ساخته شده از این مواد علاوه بر توانایی ایجاد برهم کنش مناسـب بـا گـاز جدا شونده و لذا انتخاب پذیری بالا، دارای مقاومت مکانیکی و حرارتی مطلوبی نیز خواهند بود (٢٠٠٧:٢٨١ Cong).
در سال ٢٠١١، رافیک۴ و همکارانش غشای ماتریس مخلوط را بـا اسـتفاده از روش وارونگـی فـازی توسـعه و بهبـود دادنـد. آنهـا نانوذرات معدنی سیلیکا را در داخل غشای نامتقارن مخلوطی از پلـی سـولفون و پلـی ایمیـد (PSF.PI ) بارگـذاری کردنـد. آنهـا در بارگذاری ١۵.٢% وزنی سیلیکا و فشار ٢ تا ١٠ بار بیشترین انتخاب پذیری را بدسـت آوردنـد. رافیـک و همکـارانش بـه ایـن نتیجـه رسیدند که بیشترین انتخاب پذیری مربوط به غشا با ١۵.٢% وزنی از پرکننده های سیلیکا و فشار خوراک ٢ تا ١٠ بار مـی باشـد کـه باعث شکل گیری مجدد زنجیره های پلیمری می شود تا بهتر بسته بندی شوند و در نتیجه ی آن احتمـال نـرم شـدن غشـا را کـاهش می دهد (Rafiq٢٠١٢١۶٢).
در سال ٢٠١١، درستی و همکارانش غشای ماتریس آمیخته ی پلی سولفون وپلی ایمید ١ که بـا ذرات زئولیـت پـر شـده بـود را تهیـه کردند و عملکرد جداسازی گاز آن را مورد بررسی قرار دادند. آنها غشاهای ماتریس مخلوط مختلفـی را بـا اخـتلاط پلـی سـولفون و پلی ایمید که با زئولیت پر شده بود ساختند و اثر بارگذاری زئولیت و نسبت دو پلیمر بر خصوصیات عبور غشاها را مورد بررسی قـرار دادند. پلیمرها امتزاج پذیر بودند و تشکیل ماتریس کاملا همگنی دادند. در بین همه ی تست های گاز آنها حـداقل نفـوذپـذیری و در نتیجه حداکثر انتخاب پذیری در بین غشاهای مخلوط را در نسبت ۵٠.۵٠ پلی سولفون و پلی ایمید بدست آوردنـد. نتـایج نشـان داد که این غشاهای ماتریس مخلوط در مقایسه با غشاهای ساده قادر به ارائه تراوش پـذیری بـالاتر و انتخـاب پـذیری قابـل قبـول تـری هستند. آنها با تکرار ساخت غشاها با ٢٠٪ وزنی زئولیت دریافتند که غشاها دارای خصوصیات کاملا متفاوتی می باشد و این اتفاق به علت تشکیل حفره های خالی غیر قابل کنترل بود (Dorosti٢٠١١١۴۶٩).
در سال ٢٠٠٨، آهن ٢ و همکارانش غشای ماتریس مخلوط پلی سولفون با پرکننـده هـای نـانوذرات سـیلیکا سـاختند. اضـافه کـردن نانوذرات سیلیکا به طور قابل توجهی تراوش پذیری را بالا می برد و این بالا رفتن تراوش پذیری با مقدار محتویـات سـیلیکا رابطـه ی مستقیم داشت یعنی با افزایش محتویات سیلیکا تراوش پذیری نیز افزایش می یافت . عـلاوه بـر ایـن آنهـا دریافتنـد کـه بـا افـزایش نانوذرات سیلیکا، تراوش پذیری گازهای بزرگ افزایش بیشتری خواهد داشت که این در نتیجـه ی افـزایش فضـای خـالی مـی باشـد.
افزایش فضای خالی به شدت باعث افزایش ضریب انتشار یا پخش شـوندگی و تـراوش پـذیری مـی شـود و در نتیجـه باعـث کـاهش انتخاب پذیری می شود. در نتیجه اضافه کردن نانوذرات سیلیکا باعث بهبود همه جانبـه ی غشـاها نخواهـد شـد. آهـن و همکـارانش دریافتند که موضوع قابل توجه این است که نانوذرات نامتخلخل سیلیکا موجب درهم گسیختگی زنجیره های پلیمری شـده و باعـث افزایش حجم خالی در پلیمرهای شیشه ای با حجم خالی کم می شود. بنابراین بهبود نسبی تراوش پذیری در پلیمرهای شیشـه ای بـا حجم خالی کم به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از پلیمرهای شیشه ای با حجم خالی زیاد می باشد (Ahn٢٠٠٨١٢٣).
در سال ٢٠٠٨، صادقی و همکارانش خواص جداسازی گاز غشای نانوکامپوزیت اتیلن وینیل استات ٣ و سیلیکا را مورد بررسـی قـرار دادند. اثر نانوذرات سیلیکا بر خواص جداسازی گاز کوپلیمر (EVA) شامل ٢٨٪ وینیل اسـتات مـورد بررسـی قـرار گرفـت . نتـایج بدست آمده نشان می داد که افزایش نانو ذرات سیلیکا باعث افزایش قابل تـوجهی در تـراوش پـذیری همـه ی گازهـا خواهـد شـد و افزایش انتخاب پذیری CO٢ نسبت به N٢ و CH۴ را به دنبال خواهد داشت . صادقی و همکارانش ایـن افـزایش در تـراوش پـذیری را ناشی از افزایش نفوذ و حلالیت گازها در غشاهای ترکیبی دانستند. نتایج بدست آمده نشان می داد که اختلاط نـانوذرات سـیلیکا در پلیمر باعث می شود که حلالیت مکانیسم غالب در عبور گازها از غشای ترکیبی باشد (Sadeghi٢٠٠٨۴٢٣).
در این پژوهش مساله اصلی بهبود خواص جداسازی گاز در غشای آلیاژی پلی سولفون ۴ و پلـی آکریلونیتریـل ۵ (PSF-PAN) کـه در اینجا پلی سولفون به عنوان پرکننده ی منافذ مورد استفاده قرار می گیرد و با افزودن نانوذرات معدنی سیلیکا۶ (SiO٢) و تهیه غشـای غشای متراکم دنبال خواهد شد. بدین منظور، تاثیرات وارد کردن پلی سولفون در ساختار غشای پلـی آکریلونیتریـل بـر خصوصـیات جداسازی گاز آن غشا و همچنین اثر غلظت نانوذره بر روی خواص نهایی یعنی تراوش پذیری و انتخـاب پـذیری غشـا نانوکامپوزیـت مورد بررسی قرار خواهد گرفت . در این پژوهش ابتدا با اضافه کردن پلی سولفون زمینه برای بهبود خواص جداسازی گاز غشای پلی – آکریلونیتریل فراهم شده و سپس اثرات افزایش نانوذرات سیلیکا (SiO٢) بر خصوصیات جداسازی گاز غشای آلیاژی مـورد ارزیـابی قرار می گیرد.
غشا و ثبت دبی گاز عبوری از روش فشار ثابت استفاده شد که نمایی از دستگاه فشار ثابت در شکل (١) نشـان داده شـده اسـت . در روش فشار ثابت ، فشار پایین دست فشار محیط می باشد و تغییرات حجم گاز عبورکرده از غشا ثبت می گردد.
شکل (١) نمایی از دستگاه تست تراوایی غشا
٣- سیستم واحدها
عبور گاز از غشاهای پلیمری چگال بر اساس مکانیسم انحلال – نفوذ صورت می گیـرد (Wijmans١٩٩۵١). ضـریب تراویـی گـاز در پلیمر طبق رابطه زیر بدست می آید:

P: ضریب تراوایی گاز در پلیمر
Q: دبی گاز عبوری از غشا
L: ضخامت غشا (cm)
فشار گاز در بالادست و پایین دست (cmHg) و A: سطح مقطع غشا (cm2 )
واحد ضریب تراوایی در سامانه SI به صورت زیر بیان می شود:
P (2)
اما واحد بارر١ که بطور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد به صورت زیر بیان می گردد:
۱ (۳)
گزینش پذیری ایده آل غشا برای گاز a نسبت به گاز b با رابطه زیر محاسبه می شود.

۵- نتایج و بحث
نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل طیف FT-IR غشای مخلوط پلی آکریلونیتریل و پلـی سـولفون و همچنـین غشـاهای نانوکامپوزیـت پلیمر. سیلیکا در نمودار شکل (٢) نشان داده شده است . گسترده تـرین جـذب در طیـف FT-IR بـرای سـیلیکای خـالص در ١-cm ١١۴۴ بیان کننده ی این واقعیت می باشد که پیوند Si-O-Si نامتقارن کششی وجود دارد. که این جذب در سایر طیف های FT-IR مربوط به غشاهای نانوکامپوزیت با ترکیب درصدهای مختلف از سیلیکا قابل مشاهده می باشد و با افزایش میزان سـیلیکا بـر شـدت آن افزوده شده است . جذب مربوط به پیوند Si-O-Si متقارن کششی در ١-cm ٨٣٢ مشاهده مـی شـود کـه تأییـد کننـده ی ایـن واقعیت است که واکنش سل -ژل در غشاهای نانوکامپوزیت صورت گرفته است (Sadeghi٢٠٠٨۴٢٣).

تراوایی گازهای نیتروژن ، اکسیژن ، متان و دی اکسید کربن و انتخاب پذیری جفت گازها در غشاهای خـالص و غشـاهای آلیـاژی در جدول (٣) گزارش شده است . نسبت تغییرات تراوایی گازها درتمـام غشـاها، کـه عبارتنـد از: غشـاهای خـالص پلـی آکریلونیتریـل و پلی سولفون ، غشای مخلوط پلی آکریلونیتریل – پلی سولفون و همچنین غشاهای نانوکامپوزیت (پلـی آکریلـو نیتریـل – پلـی سـولفون .
نانوذرات سیلیکا) مطابق روند زیر بدست آمد:
CO2 >> O2 > N2 > CH4
همانطور که قبلا هم پیشبینی شده بود. تراوش پذیری دی اکسید کربن تفاوت زیادی با سایر گازهای مورد بررسی دارد. این تفـاوت به دلیل میعان پذیری بالای دی اکسید کربن در کنار قطر سینتیکی کوچک آن مـی باشـد. دی اکسـید کـربن دارای ایـن خاصـیت می باشد که باعث نرم شدگی غشا شده و زنجیره های پلیمری را از یکـدیگر بـاز مـی کنـد. از طـرف دیگـر پلیمرهـای شیشـه ای کـه پلی سولفون و پلی آکریلونیتریل از جمله ی آنها می باشند، جداسازی را بر اساس اندازه یا قطر سینتیکی گازها انجام می دهند.
همانطور که می دانیم ، اندازه ی یا قطر سنتیکی متان تفاوت قابل ملاحظه ای با نیتروژن دارد و باید تراوایی نیتروژن تفاوت زیـادی بـا متان داشته باشد. از طرف دیگر متان میعان پذیری بالاتری نسبت به نیتروژن داشته و اگرچه در پلیمرهای شیشه ای جداسـازی بـر اساس قطر سینتیکی می باشد ولی میعان پذیری گاز نیز بی تأثیر نمی باشد و در نتیجه باعث نزدیک شدن تراوایی متـان بـه تراوایـی نیتروژن شده است .
همانطور که در جدول (٣) نشان داده شده است ، غشای آلیاژی از قانون مخلوط ساده تبعیت کرده و افزودن پلی سولفون که پلیمری با تراوش پذیری و انتخاب پذیری به مراتب بالاتر از پلی آکریلونیتریل می باشد، زمینه را برای بهبود خصوصیات جداسازی گـاز غشـای آلیاژی پلی آکریلونیتریل – پلی سولفون فراهم ساخته است . همانطور که در جدول (٣) مشاهده می شود، با اضافه کردن پلـی سـولفون به پلی آکریلونیتریل تراوش پذیری تمامی گازها افزایش یافته است . به طـور خـاص بـرای غشـای آلیـاژی پلـی آکریلونیتریـل و ١٠% پلی سولفون ، نسبت به غشای پلی آکریلونیتریل خالص ، تراوش پـذیری اکسـیژن ، ٣٠.٣٢% افـزایش یافـت و انتخـاب پـذیری ٣.۶۶% افزایش یافت . در بین غشاهای آلیاژی بیشترین انتخاب پذیری برای برای غشـای آلیـاژی با ١٠% پلی سولفون بدست آمد که دلیل آن را می توان برهمکنش مناسب تر این دو پلیمر در این ترکیب درصد بیان کرد.

بر اساس نتایج بدست آمـده از غشـاهای مخلـوط پلـی آکریلونیتریـل و پلـی سـولفون ، غشـای مخلـوط پلـی آکریلونیتریـل بـا ١٠% پلی سولفون ، تراوش پذیری و انتخاب پذیری خوبی از خود نشان داده و به عنوان بهترین غشا انتخاب شـد. در ادامـه ی ایـن پـژوهش تأثیرات اضافه کردن درصدهای وزنی مختلف سیلیکا بر غشای مخلوط مورد بررسی قرار گرفت . نتایج تراوش پذیری و انتخاب پذیری گازهای خالص در فشار ١٠ بار و دمای C◦ ٣٠ توسط غشای مخلوط و همچنـین غشـاهای نانوکامپوزیـت بـا درصدهای وزنی مختلف سیلیکا در جـدول (۴) نشـان داده شـده اسـت . چنانکـه مشـاهده مـی شـود بـا افـزایش نـانوذرات سـیلیکا تراوش پذیری تمامی گازها افزایش یافته ، که این افزایش تراوش پذیری با مدل پیش بینی شده توسـط ماکسـول در تضـاد مـی باشـد.
علت ناموفق بودن مدل ماکسول در تعیین خصوصیات غشاهای نانوکامپوزیت ، درنظر نگرفتن لایه ی سطح مشترک پلیمر و نانوذرات به عنوان یک فاز مجزا می باشد. در غشاهای نانوکامپوزیت با درصدهای پایین نـانوذرات سـیلیکا افـزایش همزمـان تـراوش پـذیری و انتخاب پذیری مشاهده شده است در حالی که در درصـدهای بـالاتر از نـانوذرات سـیلیکا در کنـار افـزایش تـراوش پـذیری کـاهش انتخاب پذیری مشاهده می شود که در بخشهای بعدی بطور مفصل بحث خواهد شد.
همانطور که مشاهده می شود بر اساس نتایج تراوش پذیری که در جدول (۴)، آورده شده است ، با اضافه کردن نـانوذرات سـیلیکا بـه غشای مخلوط پلی آکریلونیتریل و ١٠% پلی سولفون ، تراوش پذیری تمامی گازها افزایش یافته است .

تصویر SEM از سطح مقطع غشا، توزیع خوب و مناسب نانوذرات سیلیکا در ماتریس پلیمری را به نمایش می گذارد. تصاویر گرفتـه شده از سطح مقطع عرضی غشاهای نانوکامپوزیت با درصد وزنی مختلف نـانوذرات سـیلیکا، در شـکل (۵) نشـان داده شـده اسـت .
بزرگنمایی ١٠٠٠٠ برابری غشاهای نانوکامپوزیت نشانگر حضـور ذرات کوچـک نـانومتری در کنـار ذرات تجمـع یافتـه سـیلیکا در غشاهای کامپوزیت با درصدهای بالای سیلیکا می باشد. همانطور که مشاهده می شود، نانوذرات سیلیکا در درصدهای وزنی پـایین تـر توزیع یکنواخت تری در شبکه ی پلیمری داشته و پدیده ی توده ای شدن نانوذرات ، که از عیب های غشاهای نانوکامپوزیت مـی باشـد، کمتر دیده می شود. همچنین حفره ای در فصل مشترک دو فاز وجود ندارد، که این نشان دهنده ی سازگاری خوب فازهای معـدنی و آلی می باشد. اندازه ی متوسط نانوذرات توزیع شده بین ٨٠ تا ١١٠ نانومتر بدست آمد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 15 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد