بخشی از مقاله
ساخت و مشخصه بندي غشاي متخلخل پلی وینیلیدن فلوراید از نوع الیاف میان تهی جهت حذف دي اکسیدکربن
چکیده
در این تحقیق، غشاهاي الیاف توخالی پلی وینیلیدن فلوراید به روش جداسازي فازي و به منظور جذب دي اکسید کربن ساخته شدند. پلی وینیلیدن فلوراید به دلیل آبگریز بودن و قابل حل بودن در حلال هاي آلی، جهت ساخت غشا متخلخل مورد استفاده قرار گرفت . پارامترهایی نظیر زمان تماس محلول پلیمري با هوا، ترکیب سیال حفره ساز بر ساختار و کارایی جذب کربن دي اکسید در تماس دهنده غشایی مورد بررسی قرار گرفتند. غشا ساخته شده متشکل از 18% وزنی پلی وینیلیدن فلوراید، -Nمتیل پیرولیدون به عنوان حلال پلیمري، لیتیم کلراید به عنوان افزودنی غیرحلال با غلظت هاي مختلف استفاده شدند. از آب نیز به عنوان سیال حفره ساز استفاده شده است. سپس با روش ریسندگی، غشاهاي الیاف تو خالی ساخته شدند. غشاها با روش هاي مرسوم مانند مقاومت مرطوب شدن، اندازه حفره ، درصد تخلخل و اسکن کردن الکترون پویشی مشخصه بندي شدند. مشخص شد که غشاهاي ساخته شده در فاصله هوایی بیشتر و با حفره هاي کوچکتر، مقاومت مرطوب شدن بالا و نفوذپذیري بیشتر، بهترین کارایی در تماس دهنده غشایی جهت حذف دي اکسید کربن را دارند.
کلمات کلیدي
غشا- الیاف میان تهی- فاصله هوایی- وارونگی فازي- تماس دهنده غشایی
-1 مقدمه
الیاف توخالی به لوله هاي مویین با قطر کمتر از یک میلی متر اطلاق می شود که در آنها جداره الیاف به عنوان سطح گزینش پذیر عمل می کند. این نوع غشاها به دلیل اشغال حداقل فضا و نسبت سطح به حجم بسیار زیاد بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. صنعت تولید غشا بویژه تولید غشا براي جداسازي گازها، به طور گسترده به سمت تولید غشاهاي الیاف توخالی متمایل شده و تاکنون واحدهاي تولید غشاي بسیار زیادي نصب و بهره برداري شده اند. در کنار توسعه کاربردهاي الیاف توخالی و تجاري سازي ، فعالیت هاي پژوهشی زیادي نیز روي این نوع از غشاها متمرکز شده است. عمده این نوع پژوهش ها بر دو محور متمرکز شده است: اول انتخاب مواد پلیمري جدید براي ساخت غشا به منظور دستیابی به تراوایی و گزینش پذیري زیاد و دوم اینکه بررسی اثر شرایط عملیاتی ساخت غشا براي حصول ساختارهایی با ضخامت کمتر لایه چگال و افزایش تراوایی غشا.
از جمله فعالیتهاي پژوهشی انجام شده در این دو زمینه می توان به بررسی اثر عواملی مانند نوع پلیمر [1- 3]، ترکیب اجزاي محلول پلیمري [4- 5] ، سرعت جامد شدن پلیمر [6] و اثر افزودنی ها [7] اشاره کرد. منصوري زاده و همکاران در سال 2010، محلول هاي مختلف پلی وینیلدن فلوراید تهیه کردند و رفتار رئولوژي آنها بر ساختار غشاهاي تولید شده و کارایی جذب دي اکسید کربن را مورد مطالعه قرار دادند.[7]
با استفاده از یک طرح مناسبی از غشا مثل فیبر توخالی، جریان هاي گاز و مایع در دو طرف غشا با هم تماس حاصل می نمایند که فصل مشترك گاز-مایع در دهانه حفره هاي غشا تشکیل می گردد. شکل((1 نماي کلی از این فرایند را نشان می دهد. در این سیستم انتقال جرم با استفاده از نفوذ در عرض فصل مشترك انجام می گردد، مشابه سیستم هاي موجود جذب گازي. فشار فاز مایع به مقدار جزیی بیش از فاز گاز کنترل می گردد تا از تشکیل حباب در فاز مایع و هدر رفتن جریان گازي جلوگیري گردد.
شکل :(1) نماي کلی از تماس دهنده غشایی[7]
نوع حلال بکار رفته در ساخت محلول پلیمري ، ترکیب حلال و فاصله هوایی در فرایند وارونگی فازي خشک-مرطوب از عوامل مهم اثر گذار بر ساختار و کارایی غشاهاي الیاف توخالی محسوب می شوند.
از بین مواد پلیمري آبگریز تنها پلی وینیلیدن فلوراید در حلال هاي آلی قابل حل شدن میباشد که میتوان غشاهاي بسیار متخلخل با روش جداسازي فازي تهیه نمود. اما از طرفی بدلیل آبگریز بودن این پلیمر و دارا بودن کشش سطحی بحرانی بسیار کم، آب براحتی نمی تواند در فرایند تغییر فازي در محلول پلیمري نفوذ نموده و مشکلات فراوان ساخت را باعث می گردد. بنابراین با اضافه نمودن افزودنی هاي غیر حلال به محلول پلیمري می توان سرعت جامد سازي محلول پلیمري و ساخت غشا را تسهیل نمود. در این تحقیق اثر پارامترهاي ساخت شامل زمان تماس محلول پلیمري با هوا و ترکیب سیال مورد استفاده در قسمت توخالی غشا بر ساختار و کارایی جذب دي اکسید کربن در تماس دهنده غشایی براي غشاهاي متخلخل از جنس پلی وینیلدن فلوراید مورد بررسی قرار گرفت.
-2آزمایشات
1-2 مواد مورد استفاده
در این پزوهش ، از پلی وینیلیدن فلوراید ساخت شرکت آرکما (Arkema) از ایالت فیلادلفیا آمریکا، همچنین حلال آلی -1متیل--2پیرولیدون استفاده شد. لیتیم کلراید به عنوان افزودنی غیر حلال و براي پیش تصفیه غشا از متانول و نرمال هگزان ساخت شرکت مرك (Merck) و از آب نیز جهت انعقادکننده پلیمر استفاده گردید.
2-2 ساخت غشاها
ساخت غشا الیاف توخالی با فرایند وارونگی فاز خشک- مرطوب انجام شد. جهت ساخت غشاهاي بسیار متخلخل از نوع فیبر توخالی ترکیب محلول پلیمري شامل 18% پلیمر پلی وینیلیدن فلوراید و 4% افزودنی غیر حلال بالانس با حلال استفاده گردید.
ابتدا حلال در فلاسک مخصوص ریخته و پس از روشن کردن همزن، به اندازه 4% وزنی افزودنی غیر حلال لیتیوم کلراید به حلال اضافه شد تا کاملا حل گردد. لیتیوم کلراید باعث افزایش سرعت تغییر فازي می گردد که می تواند غشاهاي بسیار متخلخل را موجب شود. سپس به اندازه 18% وزنی ذرات پلی وینیلیدن فلوراید بتدریج اضافه گردید تا از کلوخه شدن و چسبیدن ذرات جلوگیري شود و محلول کاملا هموژن بدست آید.
در روش جداسازي فازي در واقع محلول پلیمري مایع پس از تماس با یک غیر حلال قوي (در این حالت از آب استفاده شده است) به حالت جامد، تبدیل می گردد. جهت ساخت غشاهاي بسیار متخلخل سرعت تغییر فاز و غلظت پلیمر در محلول پارامترهاي مهمی می باشند. شکل( (2 نماي کلی از سیستم تهیه غشا از نوع فیبر تو خالی را نشان می دهد.[8]
ابتدا ظروف تغییر فازي و شوینده را پر از آب می نماییم که در این حالت آب نقش تغییر فاز از حالت مایع پلیمري به جامد غشا را بازي می نماید. محلول پلیمري بدون حباب در تانک مخصوص ریخته شده و با پمپ دنده اي به درون ابزار ریسنده فشرده می گردد. سپس با استفاده از پمپ سورنگی سیال قسمت تیوب غشا کهعمولاًم آب یا ترکیبی از حلال و آب می باشد به درون ابزار ریسنده فشرده می شود. محلول پلیمري خروجی از ابزار ریسنده بلافاصله وارد آب می گردد تا تغییر فاز رخ داده و غشااز نوع فیبر توخالی تهیه گردد. جهت خارج نمودن همه حلال و افزودنی غیر حلال از غشا آنها را در ظرف آب مقطر بمدت 3 روز نگهداري و سپس در هواي محیط آویزان نموده تا کاملاً خشک گردند. در این حالت غشاها آماده
مشخصه بندي شدن و تست کردن می باشند. براي پیش تصفیه غشا از متانول و نرمال هگزان هر کدام به مدت 15 دقیقه استفاده شد تا از تخریب حفره حین خشک شدن در هوا و دماي اتاق جلوگیري بعمل آید.
ساختار و شکل شناسی غشاي تولید شده به روش میکروسکوپ الکترون پویشی بررسی شد.
شکل(:(2 سیستم تهیه غشا از نوع فیبر توخالی[8] - 1) سیلندرگاز نیتروژن -2 تانک محلول پلیمري -3 پمپ انتقال دنده اي -4 فیلتر -5 پمپ سورنگی - 6 ابزار ریسنده -7 فاصله تا ظرف تغییر فازي -8 ظرف آب تغییر فازي -9 درام جمع کننده غشاء -10 سیستم سرمایش ظرف آب -13-12-11 ظروف شوینده نهایی)
3-2 مشخصه بندي غشاها 1- 3-2 مطالعه ساختار غشا با روش اسکن کردن الکترون
میکرسکوپی
بررسی شکل شناسی غشاهاي تولیدي بوسیله میکروسکوپ الکترون پویشی مدل (JEOLJSM-6700F) از این روش جهت مشاهده ساختار سطحی داخلی و خارجی و سطح مقطع غشا استفاده می گردد که می توان اندازه حفره ها و ریخت شناسی غشا را تشریح نمود. در این روش ابتدا تکه هایی از غشا در نیتروژن مایع شکسته شدند و بر روي پایه هاي آلومینیومی کوچک کاشته و سپس با سیستم مخصوص که بوسیله لایه نازکی از طلا پوشش داده شده بود غشا با دستگاه مورد نظر آماده تست ساختار گردید.
2- 3-2 تست جذب دي اکسید کربن در تماس دهنده غشایی
ابتدا ماژول مناسب تماس دهنده غشایی شامل 10 عدد غشا فیبر توخالی با طول موثر 15 سانتیمتر ساخته می شود و در سیستم آزمایشگاهی جذب گاز دي اکسید کربن قرار می گیرد.
در این تحقیق، جهت تست کارایی جذب دي اکسید کربن غشاهاي ساخته شده از گاز خالص و مایع جاذب آب مقطر استفاده می گردد. ابتدا آب مقطر در دماي محیط توسط پمپ دیافراگمی در قسمت تیوب غشاها با فشار یک اتمسفر فشرده می گردد. سپس جریان گازي خالص دي اکسید کربن با استفاده از فشار سیلندر در قسمت پوسته ماژول با فشار یک اتمسفر برقرارمی گردد. شدت جریان گاز ومایع با استفاده از فلومتر وشیر کنترل تنظیم می گردند. قبل از گرفتن نمونه آزمایش سیستم به مدت نیم ساعت در سرویس قرارمی گیرد تا به حالت پایدار برسد . میزان دي اکسید کربن جذب شده در مایع خروجی از ماژول با استفاده از روش تیتراسیون با محلول هیدروکسید سدیم محاسبه می گردد. میزان فلاکس جذب گاز به ازاي سطح داخلی غشا محاسبه می گردد که بصورت تابعی از شدت جریان مایع ترسیم می شود.
-3 نتایج و بحث
در این پژوهش، عوامل مختلفی بر شکل شناسی غشاهاي الیاف توخالی از جنس پلی وینیلیدن فلوراید بررسی شد.
1-3 اثر فاصله هوایی بر ساختار غشا
در راستاي بررسی اثر فاصله هوایی ، مشخص شد که غشاهایی که به روش وارونگی فاز مرطوب ساخته می شوند(بدون فاصله هوایی ) گزینش پذیري بیشتري در مقایسه با غشاهاي ساخته شده به روش وارونگی فاز خشک-مرطوب (فاصله هوایی(0 دارند. بطور کلی زمان تماس با هوا یا فاصله هوایی قبل از جداسازي فازي نقش مهمی در کارایی و انتخاب پذیري غشاهاي پلیمري جهت جداسازي گاز دارد. فاصله هوایی زیاد باعث تبخیر حلال از محلول شده که تراکم ملکولهاي پلیمري بر روي سطح خارجی غشا را موجب می گردد. این اثر باعث تشکیل لایه ضخیم خارجی می گردد که در نهایت باعث افزایش انتخاب پذیري غشا می شود. ولی باید توجه داشت که در تماس دهنده غشایی مایع جاذب نقش انتخاب پذیري را بازي می نماید. بنابراین در این حالت غشا ساخته شده می بایست فاقد لایه ضخیم سطحی با مقاومت انتقال بالا باشد. در این تحقیق غشاها در فاصله هاي هوایی 0 ، 7 و 15 سانتیمتر با استفاده از سیال حفره ساز آب مقطر و شدت اکستروژن 4,5 میلی لیتر بر دقیقه ساخته شدند. مطابق شکل(.(3
