بررسي اثر سولفوناسيون پليمر پايه بر ويژگيهاي الکتروشيميايي غشاهاي نانوکامپوزيتي تبادل کاتيوني ناهمگن

مهسا نعمتی، سيد محسن حسينی*+
اراک، دانشگاه اراک ،دانشکده فنی مهندسی، گروه مهندسی شيمی

سيد سياوش مدائنی
کرمانشاه، دانشگاه رازی، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شيمی، مرکز تحقيقات غشا

پروانه کرانيان، فاطمه جدی
اراک، دانشگاه اراک ،دانشکده فنی مهندسی، گروه مهندسی شيمی

چكيده: در اين پژوهش غشاهای تبادل کاتيونی ناهمگن بر پايه پلی وينيل کلريد با استفاده از حلال تتراهيدروفوران و پودر ذرههای رزين تهيه شد. غشاهای مورد نظر با استفاده از روش قالب گيری محلول پليمری ساخته شدند. در ابتدا اثر سولفوناسيون پليمر پايه غشا و ميزان غلظت آن در ساختار غشا، بر ويژگیهای الکتروشيميايی غشاها مورد بررسی قرار گرفت.
سپس نمونه بهينه با استفاده از نانو ذرههای اکسيد آهن- نيکل ،دوباره مورد اصلاح قرار گرفت .نتيجههای بهدست آمده
نشان می دهد که افزايش ميزان غلظت پليمر سولفونه شده در ساختمان غشاها سبب افزايش ميزان آب آن )از% 4/92 به% 1/53( و ظرفيت تبادل يونی )از 7/9 به 9/5( شده است. همچنين غشاهای تهيه شده عدد انتقالی و انتخاب پذيری مناسبی به ترتيب در بازهی 25% ـ 21% و 92% ـ 93% از خود نشان دادند. ميزان شار يونی غشاها، با افزايش ميزان غلظت پليمر سولفونه شده )تا 98 درصد وزنی( روند افزايشی داشت و سپس با افزايش بيشتر ميزان غلظت پليمر سولفونه شده از 98 تا 188 درصد وزنی به آرامی کاهش يافت. مقاومت الکتريکی غشاها نيز با افزايش ميزان غلظت پليمر عامل دار شده در بدنه غشا به ميزان %6/97 کاهش يافت. همچنين استفاده از نانو ذرههای آهن اکسيد ـ نيکل در ساختار غشاها ، سبب بهبود عملکرد آنها به صورت چشمگيری شد. غشاهای اصلاح شده نانو کامپوزيتی ويژگیهای جداسازی بهتری در مقايسه با نمونه اصلاح نشده از خود نشان دادند. مطالعهها صورت پذيرفته برای صنايع الکترو ـ غشايی بهويژه الکترودياليز کاربری داشته و میتواند برای بهبود و افزايش ميزان عملکرد سامانهها مورد استفاده قرار گيرد.

واژههاي كليدي: غشای تبادل کاتيونی ناهمگن؛ ساخت/ اصلاح غشا؛ فعال سازی/سولفوناسيون پليمر پايه؛ ويژگیهای الکتروشيميايی؛ نانو ذرههای اکسيد آهن/ نيکل.

KEYWORDS: Heterogeneous cation exchange membrane; Membrane fabrication/modification;
Activation/polymer binder sulfonation; Electrochemical properties; Iron-nickel oxide nanoparticle.

+E-mail: [email protected] ; [email protected] عهده دار مکاتبات*
99
مقدمه
در سالهای اخير فرايندهای جداسازی غشايي، كاربردهای گستردهای را در صنايع گوناگون و حتي در زندگي روزانه انسانها به خود اختصاص دادهاند [3 ـ 1]. در اين ميان، غشاهای تبادل يوني به عنوان جداسازهای فعال، در فرايندهای دارای نيروی محركه الکتريکي، مورد استفاده قرار مي گيرند. اين غشاها ابزارهای بسيار كارآمدی در فرايندهايي چون نمک زدايي و تغليظ آبهای شور، بازيافت فلزهای با ارزش از پساب صنايع، صنايع دارويي، فرايندهای زيست محيطي، تصفيه پسابها و صنايع زيستي و… محسوب ميشوند [11 ـ 1]. در غشاهای تبادل يون گروههای باردار به بدنه غشا اتصال يافته و عبور و مرور يونها را در يک ميدان الکتريکي معين كنترل مي كنند. در غشاهای تبادل كاتيوني، آنيونهای تثبيت شده بر روی بدنه پليمر با كاتيونهای متحرک موجود در درون آن در حالت تعادل الکتريکي قرار دارند. به علت دفع هم بارها، غشای تبادل كاتيوني تنها اجازه عبور به كاتيونها را ميدهد. در مقابل غشای تبادل آنيوني ،كاتيونها را دفع نموده و تنها آنيونها را از خود عبور ميدهد .
اجزای منتقل شونده ميتوانند از فضای خالي موجود بين زنجيرههای پليمر و تقاطعهای عرضي عبور نمايند [11، 1، 1].
از آنجا كه ويژگيهای الکتروسينتيکي و ساختاری غشاهای تبادل يون، عامل مهمي در بهكارگيری اين نوع از غشاها در فرايندهای جداسازی گوناگون بهحساب ميآيد. ساخت غشاهای تبادل يون با ويژگيهای شيمي ـ فيزيکي دلخواه و همچنين هزينه قابل قبول، گام مهمي در به كار گيری اين نوع از غشاها در فرايندهای پربازده است [11 ـ 11، 11].
از دلخواهترين ويژگيها برای غشاهای تبادل يوني ميتوان به انتخابگری بالا، مقاومت الکتريکي پائين، مقاومت مکانيکي مناسب ،شکل پايدار و پايداری شيميايي مناسب اشاره كرد [22 ـ 22، 11، 3].
111
تغيير گروههای عاملي موجود در بدنه غشا ،انتخاب پليمرهای گوناگون، اختلاط پليمرها، استفاده از افزودنيهای متفاوت مانند نانو ذرهها و سورفکتانتها، ايجاد پيوندهای عرضي با دانسيتههای متفاوت در بدنه غشا، اصلاح سطحي غشاها با استفاده از روشهايي چون پلاسما و همچنين پراكندگي يکنواخت گروههای عاملي در بدنه غشا از جمله راهکارهايي هستند كه تا به حال برای بهبود ويژگيهای شيمي ـ فيزيکي غشاهای تبادل يون مورد استفاده قرار گرفتهاند [31 ـ 12، 11، 11، 13، 11، 1، 1].
با توجه به محدوديتهای زيست محيطي، كمبود منابع آبي و بحران تأمين آبهای شيرين، لزوم بهكارگيری فرايندهای نوين جداسازی در نمک زدايي و بازيافت آبهای شور و پسابهای صنعتي بسيار آشکار است. در اين ميان غشاهای تبادل يون با عنوان جداسازهای فعال، نقش بسيار مهمي در بازيابي و تصفيه آب و پسابهای صنعتي بر عهده دارند. ساخت غشاهای تبادل يوني ناهمگن با ويژگيهای جداسازی مناسب ،برای استفاده در فرايند الکترودياليز و به منظور بازيافت و نمکزدايي از پسابهای صنعتي هدف اصلي اين پژوهش ميباشد. بدين منظور در اين پژوهش غشاهای تبادل كاتيوني ناهمگن بر پايه پلي وينيل كلريد به كمک فناوری قالبگيری محلول پليمری و با استفاده از پودر ذرههای رزين و حلال تتراهيدروفوران تهيه شد و اثر سولفوناسيون پليمر پايه و بهكارگيری نانو ذرههای آهن اكسيد ـ نيکل به عنوان ماده افزودني در بدنه غشاها بر ويژگيهای جداسازی آنها در فرايند نمکزدايي بررسي شد. بر اساس مطالعههای صورت پذيرفته، پژوهشي همانند با اين مورد يافت نشد.
پلي وينيل كلريد پليمری انعطاف پذير و با دوام بوده و مقاومت شيميايي و زيستي مناسبي نيز دارد [31 ـ 32]. سولفوناسيون /عامل دار كردن پليمر پايه ی غشا نيز با فعالسازی ناحيههای غير فعال، ميتواند سبب بهبود ويژگيهای الکتروشيمايي آنها شود. همچنين نانو ذرههای آهن اكسيد ـ نيکل به عنوان ماده افزودني معدني ،برای بهبود ويژگيهای شيمي ـ فيزيکي غشاها مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از مواد پركننده و افزودني معدني به ويژه نانوذرهها در ساختارهای پليمری به منظور بهبود پايداری مکانيکي ،گرمايي و شيميايي اين ساختارها در شرايط محيطي خورنده و نيز بهبود
عملکرد جداسازی غشاها ،مورد پژوهش و بررسي قرار گرفته است [33 ـ 31، 31 ـ 21، 21، 12، 1]. نانو ذرههای مغناطيسي آهن اكسيد ـ نيکل گروه جديدی از مواد معدني پيشرفته و پايدار مي باشد كه دارای ويژگيهای ويژهای چون جذب بالا است [21].
در زمان ساخت غشا ،برای پراكندگي بهتر ذرهها در بدنه غشاها و نيز برقراری تعادل ميان ويژگيهای الکتروشيميايي و مکانيکي غشاها از دستگاه التراسونيک استفاده مي شود. همگني و پراكندگي يکنواخت ذرهها در بدنه و سطح غشاهای ساخته شده ،نواحي فعال بيشتری را ايجاد نموده و سبب بهبود ويژگيهای شيمي ـ فيزيکي غشاهای ساخته شده خواهد شد. در طول آزمايشها نيز برای بررسي ويژگيهای الکتروشيميايي غشاهااز محلول يوني سديم كلريد استفاده ميشود. نتيجههای بهدست آمده در فرايندهای الکتروشيميايي بويژه الکترودياليز مفيد خواهد بود.

بخش تجربي
ساخت غشاهاي تبادل کاتيوني ناهمگن
ساخت غشاهای تبادل كاتيوني ناهمگن به شرح زير صورت پذيرفت:
در ابتدا ذرههای رزين در دمای 32 درجه سلسيوس به مدت
11 ساعت گرمادهي شد و سپس در آسياب گلوله ای به صورت پودر تبديل شد. پودر تهيه شده با مش 122+322- اندازه بندی شد .
در گام بعدی سولفوناسيون پليمر پايه غشا صورت پذيرفت [31].
برای سولفوناسيون پليمر پايه )پلي وينيل كلريد( از سولفوريک اسيد غليظ) 11%( استفاده شد. بدين صورت كه پليمر مورد نظر در سولفوريک اسيد غليظ به مدت 1 ساعت و در دمای 12 درجه سلسيوس قرار گرفت و به خوبي هم زده شد. رنگ پليمر طي فرايند سولفوناسيون ابتدا به قهوهای روشن و در پايان فرايند به رنگ قهوهای تيره تبديل شد كه نشان از انجام فرايند مورد نظر مي باشد. سپس برای متوقف نمودن واكنش، ظرف دارای مواد در حمام آب و يخ قرار گرفت. در مرحله بعد محتويات ظرف صاف شد و چندين بار با استفاده از آب مقطر شست و شو شد. چنانچه واكنش سولفوناسيون بيشتر از زمان تعيين شده بهطول بينجامد، پليمر

01

01

01

01

1

پراکنش

01

01

01

01

1

پراکنش



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید