بخشی از مقاله
چکیده
وجود مزیتهاي فراوان سیستمهاي غشایی و پیشرفتهاي صورت پذیرفته در این زمینه موجب گردیده است که تحقیقات گستردهاي در زمینه توسعه و گسترش مواد پلیمري مختلف جهت بهینهسازي روش جداسازي گاز توسط فرآیند غشایی و همچنین توسعه روشهاي نوین براي تولید غشاهایی با کارایی بالا صورت پذیرد. در این پژوهش، بهبود خواص جداسازي گاز در غشاي پلی آکریلونیتریل1 با اضافه کردن نانوذرات سیلیکا2 مورد توجه قرار گرفته است که با تهیه غشاي متراکم دنبال شد.
از روش سل – ژل براي ساخت غشاهاي نانوکامپوزیت و از روش فشار ثابت براي بررسی تراوایی گازها استفاده شد. همچنین توسط تصاویر SEM سطح مقطع غشاهاي ساخته شده مورد بررسی قرار گرفت. در این پژوهش اضافه کردن درصدهاي مختلف نانوذرات سیلیکا بر خصوصیات جداسازي گاز در غشا نانوکامپوزیت بر پایه پلی آکریلونیتریل مورد بررسی قرار گرفت که افزایش همزمان انتخابپذیري و تراوشپذیري در درصدهاي پایین 2.5، 5 و 10 درصد و افزایش تراوشپذیري و کاهش انتخابپذیري در درصدهاي بالا 15و 20 درصد مشاهده گردید.
-1 مقدمه
در دو دههي اخیر پیشرفتهاي قابل ملاحظهاي در زمینه توسعه پلیمرهاي کارآمد در جداسازي گازها انجام شده است. در غشاهایی که براي جداسازي گازها مورد استفاده قرار میگیرند، انتخابپذیري بر اساس نفوذ مهمترین عامل در تراوایی و انتخابپذیري کل است .[1] از این رو میتوان گفت که مناسبترین غشاها بمنظور چنین کاربردهایی، پلیمرهاي شیشهاياند زیرا انتخابپذیري بر اساس نفوذ بیشتري نسبت به پلیمرهاي لاستیکی نشان میدهند .[2] با وجود پیشرفتهاي صورت گرفته در صنعت جداسازي گاز با استفاده از غشاهاي پلیمري، این پلیمرها همچنان محدود به جدال بین تراوشپذیري و انتخابپذیري میباشند که توسط رابسون بیان شد .[3] یکی ازروشهاي بهبود قابلیتهاي غشایی استفاده ازمواد نانویی در بافت پلیمري است.
به دلیل اندازه کوچک نانوذرات و نیز سطوح تماس بالاي بین نانوذرات وفاز پلیمري، غشاهاي ساخته شده ازاین مواد علاوه بر توانایی ایجاد برهمکنش مناسب با گاز جدا شونده و انتخابپذیري بالا، داراي مقاومت مکانیکی و حرارتی مطلوبی نیز خواهند بود .[4] در این پژوهش از نانوذرات سیلیکا براي بهبود خصوصیات جداسازي غشاي ساخته شده از پلیمر فرآیندپذیر و ارزان قیمت پلی آکریلونیتریل استفاده شد.
در سال 1989، والتر1 و همکارانش خصوصیات جداسازي گاز غشاي نانوکامپوزیت پلیتريمتیلسیلیلپروپین2 و نانوذرات سیلیکا را مورد بررسی قرار دادند که افزایش همزمان تراوشپذیري و انتخابپذیري مشاهده شد .[5] در سال 2008، صادقی و همکارانش خصوصیات جداسازي گاز غشا نانوکامپوزیت اتیلنوینیلاستات3 و نانوذرات سیلیکا را مورد بررسی قرار دادند که افزایش همزمان تراوشپذیري و انتخابپذیري مشاهده گردید .[6] در سال 2008، آهن4 و همکارانش خصوصیات جداسازي گاز غشا نانوکامپوزیت پلی سولفون5 و نانوذرات سیلیکا را مورد بررسی قرار دادند که افزایش تراوشپذیري و کاهش انتخابپذیري مشاهده شد .[7]
-2 روش آزمایش
-1-2 آمادهسازي غشا نانوکامپوزیت
نانوذرات سیلیکا از روش سل-ژل با هیدرولیز تترا اتوکسی سیلان - - TEOS در محیط اتانول و با حضور کاتالیزور اسیدکلریدریک تهیه گردید .[8] براي ساخت غشاهاي مرکب پلیمر/ سیلیکا، محلول پلیمري تهیه شده به نسبت وزنی مورد نظر با سیلیکا- سل به خوبی مخلوط شد تا یک محلول هموژن و یکنواخت بدست آید. محلول بدست آمده در ظرف شیشهاي لبهدار ریخته شد و سپس حلال آن در آون معمولی و خلاء از آن جدا گردید. غشاهاي تهیه شده داراي ضخامت 45 میکرون بود، که توسط یک میکرومتر اندازهگیري شد.
-2-2روش اندازهگیري تراوایی گاز
پس از ساخت غشاهاي نانوکامپوزیت پلی آکریلونیتریل و سیلیکا، این غشاها توسط دستگاه تراوایی فشار ثابت که در شکل1 نشان داده شده است نسبت به گازهاي نیتروژن، اکسیژن، متان و دي اکسیدکربن مورد آزمون تراوایی قرار گرفتند. در روش فشار ثابت، فشار پاییندست فشار محیط میباشد و تغییرات حجم گاز عبورکرده از غشا ثبت میگردد. از روش زمان تأخیر براي بررسی تراوایی گازهاي خالص استفاده گردید.
-3 نتایج و بحث
از بررسی نتایج تراوشپذیري گازهاي مورد آزمایش که در جدول1 آمده، مشاهده میشود که در غشاي خالص پلی آکریلونیتریل و غشاهاي نانوکامپوزیت پلیمر/سیلیکا همانطور که براي پلیمرهاي شیشهاي انتظار میرفت با افزایش اندازه گازهاي عبور کننده تراوشپذیري کاهش یافته است. به همین دلیل به بررسی تصاویر SEM از سطح مقطع مربوط به دو غشا %10 وزنی و %15 وزنی سیلیکا میپردازیم.
همانطور که در شکل2 مشاهده میشود، نانوذرات سیلیکا در %10 وزنی توزیع یکنواختتري در شبکهي پلیمري داشته و پدیدهي کلوخهاي شدن نانوذرات، که از عیبهاي غشاهاي نانوکامپوزیت میباشد، کمتر دیده میشود. همچنین حفرهاي در سطح مشترك دو فاز وجود ندارد، که این نشان دهندهي سازگاري خوب فازهاي معدنی و آلی میباشد و باعث افزایش همزمان تراوشپذیري و انتخابپذیري شده است. اما براي غشا %15 وزنی سیلیکا چنانچه در شکل3 نشان داده شده است، کلوخههاي بیشتري از نانوذرات سیلیکا مشاهده میشود، توزیع نانوذرات یکنواختی کمتري داشته و حجم خالیهاي بزرگ و غیر انتخابپذیري در سطح مشترك نانوذارت و پلیمر دیده میشود که زمینه را براي افزایش تراوشپذیري و کاهش انتخابپذیري فراهم ساخته است.
