ساخت و ارزیابی غشاهای تبادل یونی برای استفاده در فرآیند الکترودیالیز
چکیده
ساخت غشاهای تبادل یون با خواص شیمیایی و فیزیکی مناسب، گام مهمی در به کارگیری و گسترش روز افزون این نوع از غشاها خواهد بود. انتخاب پلیمر مناسب پایه غشا، اختلاط پلیمر های پایه، تغییر نوع و میزان غلظت گروه های عامل، استفاده از مواد افزودنی معدنی مانند مواد جذب کننده فعال سطحی و نانو ذرات در ساختار غشاها، اصلاح سطحی و نیز پراکندگی مناسب و بهتر گروه های عامل غشاهای تبادل یون، از جمله عوامل مهم و برجسته در ساخت و بهبود خواص و عملکرد غشاهای تبادل یون محسوب می گردند. ساخت غشاهای تبادل یون ناهمگن، با خواص شیمیایی و فیزیکی مناسب، جهت استفاده در فرآیند الکترودیالیز و به منظور تصفیه آب و پساب در واحد های صنعتی هدف اصلی این تحقیق می باشد. در بخش اول این تحقیق، غشاهای تبادل کاتیونی ناهمگن بر پایه پلی کربنات و پلی وینیل کلراید با میزان مقادیر متفاوتی از پودر ذرات رزین تبادل کاتیونی تهیه گردیدند و اثر نوع پلیمر پایه و نیز میزان محتوای ذرات رزین بر ساختار و عملکرد غشاهای تهیه شده مورد بحث و بررسی قرار گرفت. ارتباط ساختار و عملکرد غشاهای تهیه شده نیز مورد مطالعه و ارزیابی قرار گرفت. همچنین نتایج حاصل از ارزیابی غشاهای تهیه شده با نتایج حاصل از ارزیابی یک نمونه غشای تجاری، مورد استفاده در صنایع پتروشیمی ایران، در شرایط یکسان آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که غشاهای تهیه شده عملکرد مناسبی در مقایسه با نمونه تجاری دارند. در بخش دوم تحقیق، اثر محلول های حاوی کاتیونهای یک و دو ظرفیتی بر عملکرد غشاهای پلی کربناتی تهیه شده در بخش قبل، مورد ارزیابی قرار گرفت. تشکیل رسوب یونهای دو ظرفیتی بر سطح غشاهای تبادل یونی در حین فرآیند الکترودیالیز یکی از مشکلات عمده می باشد که سبب مسمومیت و کاهش خواص الکتروشیمیایی غشا می گردد. نتایج حاصل نشان داد که غشاهای تهیه شده عملکرد پایین تری در محلول حاوی یون های دو ظرفیتی در مقایسه با محلول حاوی یون های تک ظرفیتی، از خود نشان می دهند. نتایج بدست آمده قابل مقایسه با دیگر نتایج ارائه شده در تحقیقات انجام شده بوده و برای استفاده در فرآیند الکترودیالیز به منظور تصفیه آب و پساب مفید خواهد بود. در بخش سوم این تحقیق غشاهای تبادل کاتیونی ناهمگن با استفاده از اختلاط پلیمرهای آکریلو نیتریل بوتادی ان استایرن و پلی استایرن فشرده تهیه گردید و اثر میزان نسبت اختلاط پلیمرهای پایه بر خواص غشاهای تهیه شده مورد ارزیابی قرار گرفت. در بین غشاهای تهیه شده، غشای کاتیونی با نسبت اختلاط پلیمر پایه،20 درصد وزنی آکریلو نیتریل بوتادی ان استایرن و 80 درصد وزنی پلی استایرن خواص الکتروشیمیایی مناسب تری در مقایسه با سایر غشاهای تهیه شده در این بخش از خود نشان داد. همچنین جهت بهبود خواص مکانیکی غشاهای تهیه شده استفاده از استحکام دهنده های مکانیکی مناسب پیشنهاد گردید. غشاهای تهیه شده عملکرد مناسبی در مقایسه با غشاهای گزارش شده در سایر تحقیقات از خود نشان دادند. در بخش چهارم تحقیق، غشاهای تبادل آنیونی ناهمگن مختلط آکریلو نیتریل بوتادی ان استایرن /پلی استایرن تهیه گردید و اثر میزان ماده افزودنی کربن فعال بر ساختار و خواص شیمی- فیزیک غشاهای تهیه شده مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. در طول تهیه غشاها از دستگاه التراسونیک جهت پراکندگی و توزیع یکنواخت تر گروه های عامل و ذرات کربن نیز استفاده شد. همچنین نتایج حاصل از ارزیابی غشاهای تهیه شده با نتایج حاصل از تست یک نمونه غشای تجاری، مورد استفاده در صنایع پتروشیمی ایران، در شرایط یکسان آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت. در بین غشاهای تهیه شده، نمونه حاوی 1 درصد وزنی کربن فعال، خواص و عملکرد مناسب تری در مقایسه با سایر غشاها و نمونه تجاری از خود نشان داد. همچنین غشاهای تهیه شده عملکرد مناسبی در مقایسه با نتایج گزارش شده در سایر تحقیقات از خود نشان دادند. در بخش پنجم این تحقیق اثر ماده افزودنی نانو تیوب کربن بر ساختار و خواص شیمی- فیزیک غشاهای تبادل یونی مختلط پلی کربنات/ استایرن بوتادی ان رابر، مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که غشای حاوی 8 درصد وزنی نانو تیوب کربن خواص و عملکرد مناسب تری در مقایسه با سایر غشاهای تهیه شده و نمونه فاقد ماده افزودنی دارا می باشد. همچنین جهت حفظ میزان استحکام مکانیکی غشاهای تهیه شده در مقادیر بالای نانو ذرات کربن که سبب گسیختگی پلیمر پایه غشا می گردد استفاده از استحکام دهنده های غیر بافته پیشنهاد گردید. سر انجام در بخش پایانی این تحقیق جهت بهبود عملکرد غشاهای تبادل یونی مختلط پلی وینیل کلراید/ استایرن بوتادی ان رابر، از لایه نشانی نانو ذرات نقره بر سطح غشاها به کمک دستگاه پلاسما استفاده گردید. اثر میزان لایه نشانی، بر خواص و عملکرد غشاهای تهیه شده مورد ارزیابی و بررسی قرار گرفت. نانو ذرات نقره علاوه بر داشتن خاصیت آنتی باکتریال، به سبب دارا بودن خواص فوق العاده هدایتی و نیز پایداری بالا، تاثیر به سزایی بر عملکرد غشاها داشتند. در بین غشاهای اصلاح شده، نمونه پوشش شده با نانو ذرات نقره به ضخامت لایه 40 نانومتر، عملکرد بالاتری در مقایسه با سایر نمونه های پوشش شده و نمونه بدون پوشش از خود نشان داد.