بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق غشای های نانو کامپوزیتی PES که محتوی گرافن اکساید+سیتریک اسیدمی باشند از طریق وارونگی فاز تهیه شد.سپس اثر نانو ذره ی GO-CA بر روی مورفولوژی ،عملکرد غشاهای تهیه شده مانند فلاکس آب و پس دهی Cr+3 مورد بررسی قرار گرفت..ابتدا گرافن اکساید سنتز ، سپس توسط سیتریک اسید عامل دار شد و در مقادیر مشخصی درمحلول غشا دیسپرس گردید طیف FT-IR از نا نوذره ی GO تایید کرد که گروههای کربوکسیل و کربوکسیلیک اسید بر روی سطح گرافن اکساید تشکیل شده است، همچنین طیف FT-IR از نانوذره ی GO-CA،فرایند استرفیکاسیون میان گروههای کربوکسیلیک اسید از گرافن اکساید و گروههای کربوکسیلیک اسید از سیتریک اسید آلیفاتیک را نشان داد.
مور فولوژی غشاهای ساخته شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشیFE-SEMوعملکرد غشاها با اندازه گیری زاویه تماس ،فلاکس آب خالص و Rejection محلول Cr - NO3 - 3مورد ارزیابی قرار گرفت.همچنین مشاهده شد که غشاهایی که حاوی GO-CA می باشند نسبت به غشاهای اصلاح نشده به میزان بیشتری Cr+3 را حذف نمودند.
مقدمه
آلودگی آب با توجه به دفع بی رویه یونهای فلزی وآلاینده های آلی یکی از نگرانی های زیست محیطی در حال رشد در سراسر جهان می باشد.به عنوان مثال فاضلاب بسیاری از صنایع مانند :فلز کاری ، استخراج معادن ،صنایع با طری و...یونهای فلزی سمی زیادی را وارد منابع آب می کند[1,2]که برای حفاظت از محیط زیست وبه دنبال آن حفاظت از منابع آب های طبیعی وهمچنین متوقف نمودن انتقال آلاینده های سمی به زنجیره غذایی لازم است که قبل از رها شدن فاضلاب به محیط زیست این آلاینده های آلی وفلزات سمی را از فاضلاب حذف کرد.[3]
تکنیک های سنتی برای حذف یونهای فلزی شامل :کاهش،هم رسوبی ،فیلتراسیون غشایی ،تعویض یون وجذب سطحی می باشند که بهترین روش از میان روشهای ذکر شده حذف یونهای فلزی به روش جذب سطحی می باشد.چندین جذب کننده که مورد مطالعه قرار گرفته اند شامل کربن فعال[4]AC،زئولیتها[5]،موادمعدنی[6,7]ورزین ها هستند که این جاذب ها البته دارای جذب سطحی پایین می باشند. بنابراین در سالهای اخیر تلاش های زیادی برای پیدا کردن جاذب های جدید وگسترش تکنیکهای جدید ی شده است.
فناوری نانو ونانومواد به تدریج نشان دادند که نقش مهمی در این زمینه دارند[8-11]مزایای استفاده از نانومواد برای حذف فلزات به دلیل واکنش پذیری بهتر وسطح مخصوص بالا ومشخصه بارزتر آنها، جداسازی بهتر می باشد. وتاکنون نیز انواع نانومواد را در پژوهشهای مختلف بکار برده اند ولی ازمیان آنها نانو مواد مبتنی بر کربن یکی از بهترین مواد هستند که کاربرد بالقوه ای در سیستم تصفیه خانههای آب داشته اند.[11,12]یکی از مزایای نانو ذرات مبتنی برکربن به عنوان جاذب، سطح ویژه بسیار بزرگتر آنها نسبت به جاذب های دیگر می باشد.[13]
مطالعات پژوهشگران نشان می دهد که نانو لوله ها می توانند جذب سطحی امیدوارکننده برای فلزات داشته باشد ،علی رغم هزینه های بالایی که در حال حاضر دارند. پس چشم انداز استفاده ازنانولوله های کربنی برای حذف آلودگی به نظر بسیار مطلوب می باشد اما برای استفاده از آنها در برنامه های کاربردی باید بتوان آنها رادر مقیاس بزرگ تهیه کرد که بدلیل هزینه بالا وهمچنین عدم تهیه آنها در مقیاس بزرگ منطقی بنظر می رسد که نانو لو له ها با جاذب هایی با هزینه پایین ترجایگزین شود .که به دنبال آن گرافن وگرافن اکساید به عنوان جاذب ها یی با هزینه پایینترکهمی توان آنها را نیزدر مقیاس بزرگ تهیه کرد استفاده شد.
فرایند اکسیداسیون گرافیت به گرافن اکساید و سپس عامل دار کردن گرافن اکساید با سیتریک اسید می تواند گروههای عاملی را روی سطح گرافن اکساید که در واقع جایگاهایی برای مهار کردن کمپلکس یونهای فلزی است ایجاد کند.فرایند شکل گیری گرافیت به گرافن اکساید وسپس به-GO CA،شامل وارد کردن گروههای عاملی زیادی مانند-COOH ،-C=OوOHروی سطحGOمی با شدکه در واقع این گروهها اسکلت های شیمیایی ضروری برای یک جاذب ایده ال هستند.
فرایندغشایی به خاطرسریع بودن ومصرف کم انرژی یک تکنولوژی جالب توجه جداسازی است که نیازی به تغییر فاز ندارد .]11[در حال حاضر غشاها جایگاه ویژهای در صنایع مختلف پیدا کردهاند و کاربردهای وسیعی در زمینههای گوناگون اعم از جداسازی محلولهای مایع و گازهای مختلف یافتهاند که از جمله آن میتوان به کاربرد در صنایع غذایی و لبنی برای جداسازی پروتئینها و تغلیظ شیر، صنایع شیمیایی و پالایشگاهی برای جداسازی گازها ، صنعت تصفیه آب و پساب برای حذف آلایندههای گوناگون و داروسازی برای تخلیص فرایندهای مختلف نام برد.
نانوفیلتراسیون - NF - یک فرایند غشایی است که مابین فرایندهای اسمز معکوس - - ROو الترافیلتراسیون - - UFقرار دارد و دارای مزیتهای زیادی از قبیل عملکرد در فشار پایین،جریان تراوشی خوب و توانایی پس دهی یونهای چند ظرفیتی میباشند.]11-11[ در سالهای اخیر،از این غشاها در مقیاس بزرگی در صنایع مختلف از جمله صنعت تصفیه آب استفاده میشود.
پلیاترسولفون، بهدلیل دمای انتقال شیشهای بالا - ℃Tg≅ 220 - مقاومت شیمیایی در برابر اسیدها و دیگر مواد تهاجمی، ارزش بالای استحکام کششی و ازدیاد طول در برابر شکست برای تهیهی غشایNFیک پلیمر معمول است.نقطهی ضعف PESآبگریزی بالای غشای تهیه شده است ،که برای این منظور سطح غشا PESرا با مواد خاصی آبدوست می کنند.
بخش تجربی
در این پژوهش از پلی اتر سولفون - با وزن مولکولی 58/000 گرم بر مول - تهیه شده از شرکتBASFآلمان ، پلی وینیل پیرولیدون - 25 /000PVP گرم بر مول - ، دی متیل فرمامید - - DMF به عنوان حلال پلیمر استفاده شده است. برای عمل فیلتراسیون از دستگاهdead-end، هدایت سنجWTWمدل730،ترازوی دیجیتالی با دقت 0/0001 گرم - Shimadzoو هیتر استیرر - - Heidolph , Germanyاستفاده شد.تصاویر SEM توسط میکروسکوپ الکترونی اتمی مدل VEGA TESCANساخت چک گرفته شد.زاویه تماس با دستگاه G10,KRUSSساخت کشور آلمان تخمین زدهشد.غشاها هم با دیسپرس کردنGO-CAدرحلالDMFودر غلظت های 0.0%W GO-CA ،0.01%W GO-CAو0.05%W GO-CAساخته شد.
نتایج و بحث
ابتدبا استفاده از روش هامر[18,19]گرافیت را به گرافن اکساید ودر مرحله ی بعد گرافن اکساید را توسط سیتریک اسید عامل دار نموده وسپسGO-CAسنتز شد.[20 شود. در مرحله ی بعد غشاهایPES در غلظتهای متفاوتی از - 0%,0.01%,0.05% - GO-CA با استفاده از روش وارونگی فاز تهیه شد.مورفولوژی غشاهای تهیه شده توسط میکروسکوپ الکترونی اتمیSEMمورد بررسی قرار گرفت.
ابتدا غشاها به تکه های کوچک بریده و سپس با کاغذ فیلتر به منظور حذف آلاینده های احتمالی تمیز شدند،قطعات به مدت 60 تا 90 دقیقه در نیتروژن مایع غوطه ور و منجمد گردیدند وسپس غشاها به قطعات کوچک شکسته و آنها را با طلا به منظور افزایش هدایت غشا پوشش داده و بعد از آنها تصاویرSEMتهیه گردید .زاویه تماس غشاها نیز اندازه گیری شد.
عملکرد غشاهای نانوفیلتراسیون تهیه شده به وسیله اندازه گیری فلاکس آب خالص وپس دهی محلولCr - NO3 - 3بااستفاده از سلdead-end - با حجم 80mlوبا سطح موثر غشاااا - 12.56 cm 2که متصل به گاز نیتروژن - برای ایجاد فشار - می باشد بررسی گردید. آبدوستی غشاها با اندازه گیری زاویه تماس مورد بررسی قرار داده شد. پایین بودن زاویه تماس نشان دهنده ی آبدوست بودن سطح غشا می باشد. غشای64/6 - PES - مقدار زاویه تماس بیشتری را نشان داد. در حالی که غشاهای با 0/01 و 0/05 درصد وزنی دارای زاویه تماس کمتری - به ترتیب 63/1 و 63 - بودند.
کاهش زاویهی تماس، نشان دهندهی افزایش میزان آبدوستی سطح غشا میباشد. که این به دلیل حضور گروههای عاملی آبدوست OHروی سطح غشا است که خاصیت آبدوستی غشا را افزایش می دهد. این نشان دهنده ی این واقعیت است که گروههای عاملی GO-CAازOHبه سمت بالای غشا مهاجرت می کند واین مهاجرت گروههای عاملی از-GO CAبه سطح بالایی غشا سبب بهبود آبدوستی غشا می شود .
نتایج زاویه تماس و فلاکس آب خالص به خوبی بهبود خاصیت آبدوستی غشا های تهیه شده را نشان می دهد .و روند افزایش شار آب با بهبود آبدوستی غشاها سازگاری دارد - شکل . - 3وبا افزایش نانو ذرهGO-CAبه عنوان یک ذره ی آبدوست در بافت غشا آبدوستی و به دنبال آن فلاکس آب خالص نیز افزایش یافت. اثر آبدوستی GO-CAهنگام تبادل حلال و غیر حلال در طول فرایندوارونگی فاز افزایش می یابد واین می تواند منجر به تخلخل بالاتر در سطح غشا شود.
