تأثير مواد افزودني به محيط بسپارش بر ويژگيهای گاز تراوايي غشاهای کامپوزيتي )TFC( با لايه بالايي پليآميدی تهيه شده به روش پليمريزاسيون بين سطحي )IP(

سعيد رضايي، عليرضا شريف*+
تهران، دانشگاه تربيت مدرس، دانشکده مهندسي شيمي، گروه مهندسي فرايندهاي پليمريزاسيون

محمد کريمي
تهران، دانشگاه صنعتي اميرکبير، دانشکده مهندسي نساجي

چكيده: در اين مقاله، تأثير افزودن سديم دو دسيل سولفات، بهعنوان ماده سطح فعال، و کربنات سديم، به عنوان ماده پذيرنده اسيد، به سامانه واکنشي پليمريزاسيون بين سطحي بر ويژگيهاي لايه بالايي و همچنين رفتار جدايش گاز غشاهاي کامپوزيتي لايه نازک پلي آميدي تهيه شده به روش پليمريزاسيون بين سطحي مطالعه شد .نتيجههاي بهدست آمده از روشهاي پرتوسنجي فروسرخ و ميکروسکوپ الکتروني روبشي بر نقش مهم افزودنيها در تراکم ساختاري و ضخامت لايه بالايي دلالت داشت. بر اين اساس، لايه بالايي نمونه تهيه شده در حضور هر دو افزودني
ياد شده، داراي بالاترين تراکم ساختاري و ضخامت و نمونه تهيه شده در نبود هر دو افزودني داراي کمترين ضخامت بود .همچنين، زبري سطح غشاهاي تهيه شده با روش ميکروسکوپي نيروي اتمي مطالعه و نشان داده شد که غشاي تهيه شده در حضور سديم کربنات، به تنهايي، بالاترين و غشاي تهيه شده در حضور هر دو افزودني ، کمترين زبري سطح )بهترتيب برابر با 025 و 841 نانومتر( را دارا هستند. داده هاي گاز تراوايي نشان داد که بالاترين شدت تراوش کربن دي اکسيد) GPU 2/20( در غشاي داراي لايه بالايي تهيه شده در حضور سديم کربنات ، به تنهايي، رخ مي دهد. اين امر، به ضخامت کم و زيري سطح بالاي لايه بالايي اين غشا نسبت داده شد. همچنين ،بالاترين گزينش پذيري براي کربن دي اکسيد/متان )برابر با 01( با استفاده از غشاي کامپوزيتي تهيه شده با لايه بالايي پليمري شده در حضور هر دو افزودني بهدست آمد. از سوي ديگر، براي کربن دي اکسيد/نيتروژن و کربن دي اکسيد/اکسيژن بالاترين گزينش پذيري ها )بترتيب برابر با 36 و 04( با بهکارگيري غشاي کامپوزيتي تهيه شده با لايه بالايي پليمري شده در حضور سديم دو دسيل سولفات، به تنهايي، به دست آمد.
واژههاي كليدي: غشاي کامپوزيتي لايه نازک؛ شدت تراوش؛ پليمريزاسيون بين سطحي؛ جدايش گاز.
KEYWORDS: Thin film composite membrane; Permeance; Interfacial polymerization; Gas
Separation.

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
49
مقدمه
امروزه فناوري غشا جايگاه مهمي را در صنايع گوناگون به خود اختصاص داده و در گستره وسيعي از کاربردها مانند توليد و بهينه سازي مصرف انرژي، پزشکي و خالصسازي آميزههاي گازي و مايع مورد استفاده قرار ميگيرد. در ميان انواع ساختارهاي غشايي ، استفاده از غشاهاي پليمري به دلايلي از جمله سادگي فرايند پذيري، هزينه تمام شده کمتر، اندازه کوچکتر و اثرهاي مخرب زيست محيطي اندک، بيشتر مورد توجه پژوهشگران و صاحبان صنايع گوناگون قرار گرفته است [1] از سوي ديگر، افزايش قابليت غشاهاي پليمري در عبور دادن سريع حجم چشمگيري از يک جزء، همزمان با جلوگيري از نفوذ ساير اجزاي يک مخلوط در توده غشا و در شرايط عملياتي گوناگون اصليترين چالش موجود در مسير توسعه کاربردهاي صنعتي اين دسته از غشاها به شمار رفته و با وجود تلاش هاي فراوان علمي و فني صورت گرفته در اين زمينه هنوز تا دستيابي به مجموعه هاي غشائي پليمري برخوردار از ويژگيهاي بيان شده راه درازي باقي است [2].
استفاده از غشاهاي پليمري کامپوزيتي، متشکل از يک زير لايه ضخيم متخلخل)1( و يک پوسته متراکم و بسيار نازک بالايي)2( راهکار مناسبي براي دستيابي همزمان به تراوايي)3( و گزينش پذيري)4( بالا در فرايندهاي غشايي بشمار ميرود] 4، 3[. زيرلايه در حالت کلي يک غشاي اولترافيلتراسيون يا ميکروفيلتراسيون بوده و به عنوان محافظ و نگهدارنده پوسته نازک عمل مي نمايد .
از سوي ديگر، قابليت گزينشپذيري غشاهاي کامپوزيتي، بهعنوان مهمترين ويژگي ساختارهاي غشايي، عمدتا توسط لايه نازک بالايي کنترل ميشود. در ميان روشهاي تهيه لايه نازک ،
روش بسياري بين سطحي )Interfacial Polymerization, IP(، براي توليد لايه بالايي پلي آميدي، از برتريهاي مهمي مانند شکلدهي لايه فعال فوقاني بسيار نازک) ۰۹۹-1۹۹ نانومتر( بر سطح زيرلايه، ايجاد کمترين نقصهاي ساختاري و نيز در اختيار قرار دادن گروه هاي عاملي مورد نياز به صورت کنترل شده برخوردار بوده و بنابراين تعداد زيادي از پژهشهاي دانشمندان علوم غشائي به آن اختصاص يافته است] 7-5[.
-39496275820

در اين روش ،ابتدا زيرلايه متخلخل در محلول آبي داراي
)0( Morgan
)3( Cadotte
)7( Wang

)1( Tianjin university
مونومر آميني غوطه ور مي شود. پس از زماني مشخص، زيرلايه اشباع شده از مونومر آميني در تماس با محلول آلي داراي مونومر داراي گروههاي اسيد کلريدي قرار ميگيرد تا واکنش بسپارش بين سطحي انجام شده و لايه بالايي پلي آميدي بر زيرلايه شکل گيرد.
در دهه 1۰9۹ ميلادي )مورگان5( براي اولين بار استفاده از روش پليمريشدن بين سطحي را براي تهيه غشاهاي کامپوزيتي پيشنهاد نمود.
با اين حال توسعه بيشتر و توفيقات صنعتي اين دسته از غشاها را بايد مرهون تلاشهاي دانشمندان ديگر، از جمله )کادوت9( و همکاران دانست] 8[.
ايشان با ايجاد اصلاحاتي در روش اوليه ساخت غشاي کامپوزيتي
لايه نازک به روش پليمريشدن بين سطحي )IP-TFC( با استفاده از مونومرهايي مانند پيپرازين و مخلوط تري مزوئيل کلريد و ايزوفتالويل کلريد، موفق به توليد غشاهايي با شار عبوري بالا و گزينش پذيري مناسب نسبت به خوراکهاي مايع شدند. با بهره برداري از روش معرفي شده، شرکتهاي گوناگوني به توليد انواع غشاهاي کامپوزيتي و معرفي آنها به بازار فرايندهاي جداسازي صنعتي پرداخته اند ]8[.
تاکنون، غشاهاي IP-TFC بهطور عمده در فرايندهاي غشايي اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون مورد استفاده قرار گرفته و بنابراين، جنبههاي گستردهتري از آن ها در فرايندهاي يادشده مورد بررسي واقع شده است] 1۹، ۰[. اما، به دليل نوپا بودن و تعداد اندک پژوهشها در زمينه جداسازي گازها با غشاهاي کامپوزيتي ساخته شده به روش IP، هنوز کليه عاملها مرتبط با ساختار لايه بالايي و تأثيرهاي آن بر عملکرد غشا در فرايند جدايش گاز مطالعه نشده و دستيابي به تحليلي جامع در اين مورد، نيازمند پژوهشهاي بيشتر است. تمرکز بر جدايش گاز با استفاده از غشاهاي IP-TFC، محدود به مطالعههاي گروه ژي )ونگ7(، در دانشگاه تيانژين)8( چين، بوده است .پژوهشهاي ايشان در اين زمينه از سال 2۹۹9 ميلادي آغاز شده و در حال حاضر نيز ادامه دارد] 19-11[. گروه پژوهشي ياد شده در طي اين سالها به مطالعه اثر عاملهاي گوناگون مانند نوع و غلظت مونومرهاي آسيل کلريدي و آميني، نوع حلال آلي و شرايط فرايندي مثل دما و زمان واکنش بر عملکرد غشاهاي IP-TFC پلي آميدي در فرايند جدايش گاز مبادرت نموده اند .
)8( Porous substrate
)2( Thin dense top layer
)6( Permeability
)4( Selectivity
از سوي ديگر، به نظر ميرسد که ساير مواد افزودني ،افزون بر مونومرها و حلالها، در محيط واکنش پليمريزاسيون بين سطحي نيز ميتوانند بر ويژگيهاي ساختاري لايه بالايي و در نتيجه بر رفتارهاي تراوايي و گزينش پذيري غشاهاي کامپوزيتي به دست آمده تأثير گذار باشند] 18، 17[. بهعنوان نمونه، ميتوان به عاملهايي مانند حضور و بدون حضور ماده هاي پذيرنده اسيد و فعال سطحي
در اين ارتباط اشاره نمود. اين دو عامل، همواره و بدون تغيير در همه پژوهشهاي مرتبط با جدايش گاز، با استفاده از غشاهاي IP-TFC، مورد استفاده قرار گرفتهاند و بررسي تأثير آنها در گازتراوايي غشاها گوناگون مغفول مانده است. تنها ،يک گروه پژوهشي در سال 2۹13 و در ادامه در سال 2۹14 ميلادي [18، 17] به بررسي تأثير بهکارگيري و يا استفاده نکردن از مواد پذيرنده اسيد و فعال سطحي در فرايند پليمريزاسيون بين سطحي لايه بالايي بر ريخت شناسي و در نتيجه رفتار پسزني نمک)1( غشاهاي IP-TFC در فرايند اسمز معکوس پرداخته اند. ايشان ،سرانجام پيشنهاد نمودند که ميتوان از طريق بهکارگيري حساب شده اين عاملها، تراوايي و رفتار پس زني غشاها را کنترل نمود .
اکنون، سوال اين است که با توجه به تفاوت سازوکارهاي عبور گازها با سازوکارهاي عبور نمک از غشاهاي متراکم ،عاملهاي ياد شده چه تأثيري بر فرايند جدايش گاز با غشاهاي IP-TFC خواهند داشت.
همچنين، سوال ديگري که بايد در پي پاسخ آن بود اين که تغيير اين عاملها تراوايي هريک از گازهاي مهمي مانند کربن دي اکسيد، نيتروژن، متان و اکسيژن را به چه ميزان تحت تأثير قرار ميدهند .
به عبارت ديگر، در تراوش هر يک از گازهاي ياد شده کدام عامل نقش مهمتري بازي ميکند.
بين ويژگيهاي لايه بالايي هريک از غشاهاي تهيه شده در طي فرايند پليمريزاسيون بين سطحي، و سديم دو دسيل سولفات با رفتار گاز تراوايي آنها برقرار شود. بدين منظور از گازهاي کربن دي اکسيد ،)SDS( از شرکت Merck، بهعنوان ماده فعال سطحي، نيتروژن، متان و اکسيژن استفاده شده است. همچنين عملکرد نهايي و حلال هگزان نرمال از شرکت دکتر مجللي تهيه شدند.

)8( Salt rejection )4( N-Methypyrrolidone
)2( Polyethersulphone )0( Triethylene tetramine
)6( Polyethylene glycol
33
براي پاسخ به سوالهاي بالا و کمک به رفع ابهامهاي موجود که ميتواند مبناي طراحي غشاهايي با ويژگيهاي کنترل شده قرار گيرد، در اين پژوهش 4 نوع غشا کامپوزيتي به روش بسپارش بين سطحي، در حضور يا بي حضور سديم کربنات به عنوان پذيرنده اسيد و سديم دو دسيل سولفات بهعنوان عامل سطح فعال، تهيه شدند. در ادامه سعي شده است تا ارتباطي منطقي

TETA

TMC

TETA

TMC



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید