بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه به دلیل افزایش جمعیت جهان و به دنبال آن افزایش نیاز برای آب آشامیدنی روش های تصفیه آب از اهمیت زیادی برخوردار شده اند. از جمله روش های تصیه آب استفاده از غشا و فرایندهای غشایی است. غشاهای مورد استفاده در این فرایند از پودر پلیمر پلی وینیلیدین فلوئوراید با استفاده از حلال -N, N دی متیل استامید ساخته شده اند. در این مقاله چند غشای پلی وینیلیدین فلوئوراید با ترکیب در صدهای مختلفی از پودر پلیمر،حلال و حفره زا ساخته شده اند و میزان شار عبوری و پس زنی از نمونه های ساخته شده با هم مقایسه شده اند. همچنین به منظور رفع مشکلاتی که برای غشاهای پلی وینیلیدین فلوئوراید وجود دارد از روش اصلاح سطحی استفاده شده است و مجددا شار عبوری و میزان پس زنی غشای اصلاح شده اندازه گیری و با حالت قبل از اصلاح مقایسه شده است.
مقدمه
به دلیل افزایش جمعیت در جهان نیاز برای آب آشامیدنی در حال افزایش است.گرچه حدود 70 زمین به وسیله ی آب پوشیده شده است اما تنها حدود % 2/5 آن آب آشامیدنی است. از این رو ابزارهایی برای شیرین سازی آب مورد نیاز است .[1] به طور کلی تکنولوژی غشا وفرایندهای غشایی برای تصفیه آب موثر است.تا کنون فرایندهای مختلفی مثل الترافیلتراسیون - - UF ، نانوفیلتراسیون - - NF، اسمز معکوس - - RO ،تبخیر خلاء چند مرحله ای و... برای تصفیه آب استفاده شده است2]و[1 .پلیمر پلی وینیلیدین فلوئوراید یک پلیمر نیمه بلوری است که مقاومت شیمیایی و مکانیکی عالی و پایداری حرارتی بالای آن سبب می شود برای آماده سازی غشا میکروفیلتراسیون و الترافیلتراسیون یک گزینه مناسب باشد 4]و.[3 این پلیمر در حلال های رایجی مثل -N, N دی متیل فرم آمید - - DMF و -N,N دی متیل استامید - DMAC - قابل حل می باشد.
4] بنابراین می توان از این حلال ها برای ساخت غشا با استفاده از روش جدایی فاز استفاده نمود.جدایی فاز فرایندی است که در آن یک محلول پلیمری به صورت کنترل شده به حالت جامد تبدیل می شود .فرایند جامد شدن، بیشتر به وسیله ی انتقال از یک حالت مایع یکنواخت به دو مایع غیر قابل انحلال شروع می شود. در یک بازه ی زمانی در حین جدایی فاز ، فازی از مایع که شامل پلیمر بیشتری است جامد شده و یک بستر جامد تشکیل می دهد و فاز دیگر که حاوی پلیمر کمتری است باعث ایجاد حفره ها در غشا می شود.
طی فرایند آزمایشگاهی این روش، محلول پلیمری که شامل پلیمر و حلال می باشد روی یک بستر مناسب ریخته شده و در یک حمام انعقاد حاوی یک غیر حلال غوطه ور می شود و عمل انعقاد به علت تعویض حلال و غیر حلال اتفاق می افتد 7]و.[5 با این حال غشای پلی وینیلیدین فلوئوراید مشکلاتی مثل خاصیت آبگریزی و انرژی پایین سطح دارد که این امر بر میزان نفوذپذیری و توانایی ضد رسوب تاثیرگذاراست.
بنابراین اصلاح غشای پلی وینیلیدین فلوئوراید برای کاهش خاصیت آبگریزی و بهبود بخشیدن به خاصیت ضد گرفتگی این غشاها دارای اهمیت می باشد 3]و.[5 تا به امروز تعدادی از روش های اصلاح برای غشاهای پلی وینیلیدین فلوئوراید توسعه یافته اند .[3]در این میان دو روش اصلاحات سطحی و ترکیبی به صورت وسیع تر مورد استفاده قرار گرفته اند. اصلاح سطحی معمولا بوسیله پوشش دادن یا پیوند دادن یک لایه کاربردی روی سطح غشای آماده شده انجام می شود .
[6] اصلاح ترکیبی ساده ترین و موثرترین روش اصلاح می باشد.در این نوع اصلاح حفرات سطح و داخل غشاها از طریق فعل و انفعالات بین پلیمر پایه و افزودنی ها قابل اصلاح می باشد. از مواد پلیمری آبدوست و ذرات معدنی خوب به عنوان مواد ترکیبی برای اصلاح غشاها استفاده شده است. پلی وینیل الکل و پلی اترسولفون از جمله مواد پلیمری مورد استفاده برای اصلاح غشاهای PVDF هستند. پلی وینیل الکل یک پلیمر قابل حل در آب ،غیر سمی ،سازگار با محیط ،آبدوست و دارای ثبات فیزیکی و شیمیایی می باشد .
همچنین از نانو ذراتی مثل زیرکونیوم فسفات - ZrO - ، اکسید سیلیسیوم - - SiO2 و اکسید تیتانیوم - TiO2 - برای اصلاح غشاهای پلی وینیلیدین فلوئوراید استفاده شده است2]و3و.[9 در این پژوهش با کنترل شرایط ساخت و انجام اصلاح سطحی یک غشای پلی وینیلیدین فلوئوراید جهت استفاده در فرایند نانو فیلتراسیون ساخته شده است.به این منظور از پلیمر پلی وینیلیدین فلوئوراید ، -N,Nدی متیل استامید به عنوان حلال، پلی وینیل پیرولیدن - PVP - به عنوان حفره زا و آب به عنوان غیر حلال استفاده شده است .سپس برای بهبود عملکرد غشا ،اصلاح سطحی توسط PVA طی چند مرحله صورت گرفته است.
بخش تجربی
مواد شیمیایی
پودر پلیمر پلی وینیلیدین فلوئوراید با جرم مولکولی 534000 گرم بر مول و نقطه ذوب 165 درجه سلسیوس تهیه شده از شرکت ALDERICH ، -N, N دی متیل استامید با جرم ملکولی 87/12 به عنوان حلال و پلی وینیل پیرولیدن به عنوان حفره زا به ترتیب از شرکت Merck schuchardt , Merck kGaA تهیه شدند.همچنین از پلی وینیل الکل - PVA - و گلوتارآلدهید 25 - - GA - درصد محلول در آب - که از شرکت Merck kGaA تهیه شده اند، اسید سولفوریک - 98 - H2SO4 ، پتاسیم هیدروکسید - KOH - ، هیدروکلریک اسید - HCL - ، پتاسیم پر منگنات - KMNO4 - و سدیم بی سولفات - NaHO3 - برای انجام اصلاح سطحی استفاده شده است. برای حمام انعقاد از آب دوبار تقطیر شده و برای بررسی عملکرد غشای تشکیل شده از محلول 0/01 Na2SO4 مولار استفاده شده است.
روش ها
تهیه غشا
ابتدا با حل کردن پودر پلیمر و پلی وینیل پیرولیدن در حلال -N, N دی متیل استامید ، محلول پلیمری در دمای 75 درجه سلسیوس تهیه شده و انحلال کامل پلیمر در حلال توسط همزن مغناطیسی در مدت زمان پنج ساعت صورت گرفته است. سپس محلول به دست آمده بوسیله ی یک فیلم کش بر روی شیشه کشیده شده است. به منظور ساخت غشاها از درصدهای مختلف پلی وینیل پیرولیدن - PVP - استفاده شده است. همچنین غشاها با دو اندازه 300 و200 میکرومتر فیلم کشی شده اند. سپس لایه پلیمری موجود بر روی شیشه در حمام آب دوبار تقطیر شده در دمای اتاق غوطه ور شده تا زمانی که جدایی فاز رخ دهد. بعد از انعقاد غشا به یک حمام آب خالص دیگر به مدت یک روز منتقل شده تا حلال کاملا از آن خارج شود.[7]
اصلاح سطحی
پیش از همه ،یک اصلاح قلیایی روی غشای اولیه انجام گردیده است. این اصلاح باعث افزایش آبدوستی غشا می گردد. غشای پلی وینیلیدین فلوئوراید در دمای 60درجه سلسیوس برای 45 دقیقه در محلول 4 وزنی پتاسیم پرمنگنات و20 وزنی پتاسیم هیدروکسید غوطه ور شده سپس بلافاصله در محلول 2 وزنی اسید سولفوریک و 2 وزنی سدیم بی سولفات غوطه ور می گردد تا زمانی که غشا به رنگ سفید متمایل شود.
سپس غشای به دست آمده در محلول 6 وزنی پلی وینیل الکل غوطه ور می شود و بعد از 12 ساعت غشا از محلول خارج می شود و برای خشک شدن در تماس با هوای اتاق قرار می گیرد. در مرحله آخر غشای خشک شده در محلول 1/84 وزنی گلوتار آلدهید و 3/57 میلی مولار هیدروکلریک اسید در دمای 45 درجه سلسیوس به مدت 2 ساعت قرار داده می شود. در نهایت غشا به وسیله آب دوبار تقطیر شده شست و شو و برای انجام آزمایش های بعدی نگه داری می شود.[2] ترکیب درصد محلول های پلیمری آماده شده در جدول 1 نشان داده شده است.
