پایان نامه ارشد رایگان درمورد ارزیابی عملکرد، مورفولوژی

می‌شوند.
شکل2-3: مراحل کامل ریخته‌گری و انعقاد غشا پلیمری
2-2-2 ساخت غشای پلی اکریلونیتریل مناسب
به منظور رسیدن به مورفولوژی و خواص مکانیکی مناسب و همچنین شار و جداسازی مطلوب، تاثیر مورفولوژی غشاهای پلیمری پلی‌اکریلونیتریل که در این پژوهش به عنوان غشا به کاربرده شد، مورد بررسی قرار گرفت.
جهت بررسی و انتخاب غشای پلیاکریلونیتریل با حداقل مقاومت، محدودهای از غشاها با تغییر در ترکیب درصد پلیمر (14، 16، 18w/w%) و حلال (82، 84 و86 w/w%) ساخته شد. در نهایت ترکیب پلیمر-حلال مناسب (w/w %16-84) برای ادامه کار انتخاب شد. غشاهای تهیه شده مورد تست و ارزیابی قرار گرفته و بر اساس بهترین عملکرد، درصد بهینه پلیمر انتخاب شد. این تستها شامل ارزیابی شار غشاهای پلیمری پلیاکریلونیتریل و درصد احتباس پلی‌اکریل‌آمید میباشد.
2-3 اصلاح سطح غشا با روش عملیات حرارتی و هیدرولیز
در این پژوهش به منظورجداسازی پلی‌اکریل‌آمید از محلول آبی با شار و احتباس بالا از عملیات هیدرولیز و حرارتی استفاده شده‌است. به دلیل اسیدی بودن محیط و احتمال هیدرولیز غشا ساخته شده، نیاز است تا قبل از قرارگیری در محیط، هیدرولیز شود تا از تغییرات در حین استفاده از غشا اجتناب شود. یکی دیگر از مزایای هیدرولیز کردن غشا تبدیل گروههای موجود سیانید (CN) به گروههای(COO-) است که این عمل باعث می‌شود تا در ادامه پیوند قوی‌تری بین سطح غشا و نانوذراتی که در ادامه به منظور افزایش آبدوستی سطح غشا و ضدگرفتگی کردن آن به کار می‌رود، ایجاد شود]38[.
یکی از ویژگی‌های غشاهای ساخته شده از پلی‌اکریلونیتریل مقاوم بودن در مقابل حرارت و محیط اسیدی و بازی مقاوم است. همین ویژگی باعث شده است تا در این پژوهش به منظور دستیابی به احتباس بالا و کوچک شدن اندازه حفرات از عملیات حرارتی بر روی غشا استفاده شود. بدین منظور پس از تهیه فیلم، غشا در محلول سود سوزآور یک مولار با مدت زمان‌های 5، 15، 30 و 60 دقیقه قرار می‌گیرد. زمان بهینه قرارگیری در محلول سود با توجه به نتایج بدست آمده 60 دقیقه بوده‌است. در ادامه غشا هیدرولیز شده در حمام آب با دما و زمان‌های مختلف قرار گرفته‌است و با توجه به میزان شار خروجی و احتباس پلی‌اکریل‌آمید مقدار بهینه‌ی دما و زمان اصلاح را بدست آمده است. اصلاح سطح غشا در دماهای 50، 60، 70، 80 و 90 درجه سلسیوس در زمان های 5، 10، 15و 30 ثانیه صورت گرفته است که از این بین غشای اصلاح شده در دمای 80 درجه سلسیوس و زمان 10 ثانیه بهترین عملکرد را داشته است]46[.
2-4 ترکیب غشا با نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید
اصلاح سطح غشا در حضور نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید به دو روش خودآرایی و مخلوط کردن در محلول پلیمری انجام شده است. اندازه ذرات تیتانیوم‌دی‌اکسید ساخته شرکت آلدریج، 25 نانومتر بوده‌است.
2-4-1 خود آرایی نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید بر روی سطح غشا پلی‌اکریلونیتریل
در این مرحله سطح غشا در محلول تیتانیوم‌دی‌اکسید با غلظت مشخص در زمان‌های مختلف قرار می‌گیرد. بدین منظور در ابتدا مقداری از نانوذرات TiO2 به دقت توزین شد و محلول 1/0 درصد وزنی در آب مقطر ساخته شد و به مدت 30 دقیقه تحت اموج ماورا صوت در دستگاه اولتراسونیک قرار گرفت تا محلول یکنواخت از نانوذرات بدست‌آید. سپس غشای ساخته شده که از پیش بر روی آن عملیات هیدرولیز و حرارتی صورت گرفته در زمان‌های مختلف در محلول تهیه شده از نانوذرات، قرار می‌گیرد. این زمان‌ها مقدارهای 5، 15، 30 و 60 دقیقه را در بر می‌گیرد. بعد از اتمام زمان غوطه‌وری، غشا از محلول خارج شده و با آب فراوان شسته می‌شود تا از خروج نانوذرات TiO2اضافی از سطح و ساختار غشا اطمینان حاصل شود. زمان غوطه‌وری بهینه غشا در محلول، از آزمایش آن با پلی‌اکریل‌آمید بدست آمده است]48[.
2-4-2 مخلوط کردن نانوذرات تیتانیوم‌دی‌اکسید در محلول پلیمری
در این روش نانوذرات در ماتریکس پلیمری قرار می‌گیرند. بدین منظور نانوذرات با الیاف اکریلیک و حلال با درصدهای مختلف ترکیب می‌شود. محلول های تهیه شده شامل 16% الیاف اکریلیک و مقادیر 01/0 %، 05/0% و 1/0 % از نانوذرات به همراه حلال دی‌متیل‌فرم‌آمید می‌باشند. جهت ساخت این نوع غشا با توجه به درصدهای مطلوب مقداری از نانوذره تیتانیوم‌دی‌اکسید که قبل از آن به مدت 12 ساعت در آون رطوبت آن خارج شده، توزین و با پلیمر و حلال ترکیب شدند. سپس محلول حاصل برای مدت 12 ساعت بر روی همزن مغناطیسی در دمای 80 درجه سلسیوس همگن شد. به محلول حاصل به مدت 2 ساعت فرصت داده شد تا حباب های آن خارج شود. در این مدت امکان ته نشین شدن نانوذرات وجود داشت لذا قبل تهیه فیلم از محلول پلیمری، مجدد برای مدت کوتاهی روی همزن مغناطیسی با دور پایین قرار گرفت. در این روش ترکیب نانوذرات با غشا غلظت نانوذرات پارامتر مهمی در کارایی غشا می‌باشند]39[.
2-5 ارزیابی عملکرد غشا
فاکتورهای توصیف کننده غشا که در آزمایشگاه تست می‌شوند، شامل اندازه‌گیری شار آب خالص و میزان شار و احتباس محلول پلی اکریل‌آمید، می‌باشد. مهمترین مرحله در پروژههای طراحی و ساخت غشا، ارزیابی عملکرد آن در فرآیند جداسازی میباشد. به این منظور باید یک سل42 به گونهای طراحی و ساخته شود که بیشترین مشابهت را به فرآیند اصلی داشته و عملیات همانندسازی43 به حالت واقعی، راحتتر بوده و نتایج از درجه اطمینان بیشتری برخوردار باشند.
در مطالعات غشایی، دو نوع سل مورد استفاده قرار میگیرند:
سل با انتهای بسته44
سل با جریان متقاطع45
در شکلهای 2-5 (الف و ب) نمای شماتیک این دو نوع سل نمایش داده میشود.
شکل2-4: الف) نمای شماتیک از سل با انتهای بسته . ب)نمای شماتیک از سل با جریان متقاطع
با توجه به تصاویر فوق، مشاهده میشود که تفاوت دو نوع سل مربوط به چگونگی برخورد جریان ورودی با سطح غشا میباشد. در سل با انتهای بسته، خوراک ورودی به صورت عمود بر غشا جریان مییابد. این سل برای فرآیندهایی با فشار عملیاتی پایین و اتمسفریک مناسب است و غالباً در فرآیندهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون و همچنین در فرآیندهای جداسازی گاز استفاده میشود.
در سل با جریان متقاطع، جهت عبور جریان موازی با سطح غشا میباشد و مناسب فرآیندهایی است که اولاً حجم خوراک ورودی زیاد است و ثانیاً فشار عملیاتی بسیار بالاست. این سلها برای مطالعه غشاها و فرآیندهای نانوفیلتراسیون و اسمزمعکوس مناسب میباشند.
پس از آمادهسازی غشاهای مورد نظر، تست ارزیابی آنها انجام میگیرد. در این مرحله غشاها در شرایط عملیاتی فرآیند اولترافیلتراسیون اصلاح شده با نانوذرات (غلظت خوراک ppm 10 و فشار bar3) قرار گرفته و میزان شار و احتباس آنها اندازهگیری شد.
شکل2-5: نمای شماتیک تست عملکرد غشا]26[
دستگاه فیلتراسیون موجود در آزمایشگاه به روش فیلتراسیون موازی و پیوسته است (شکل 2-5). در این دستگاه محلول گذرنده از غشا ابتدا درون مخزن استیل ریخته میشود. سپس غشای مورد نظر درون سل قرار میگیرد. پمپ این دستگاه میتواند تا حداکثر 4 بار فشار روی غشا وارد کند. پس از قرار دادن غشا در سل و پر کردن مخزن از سیال مورد نظر، پمپ را روشن می‌کنیم و با دو عدد شیر موجود بر روی دستگاه فشار و دبی مورد نظر را تنظیم میکنیم. فشارسنج و مانومتر موجود در دستگاه به ما امکان اطلاع از فشار و دبی گذرنده از غشا را میدهد. دمایی که در آن عملکرد غشاها با استفاده از محلولهای تهیه شده مورد بررسی قرار گرفت ℃ 2±25 بود. شار غشا با اندازهگیری حجم آب خروجی در واحد زمان و سطحی از غشا که در برابر خوراک قرار میگیرد، محاسبه میگردد. بدست آوردن اطلاعات درست و مطمئن در پروژههای غشایی امری زمانبر و در عین حال بسیار مشکل است. عواملی که بدست آوردن اطلاعات را دشوار میکند عبارتند از:
از آنجایی که سطح غشا کم است (21 سانتیمترمربع)، محصول بدست آمده دبی کمی دارد و دسترسی به مقدار مورد نظر از محلول عبوری که بتوان غلظت ماده مورد نظر جهت جداسازی در آن را محاسبه کرد، طولانی و زمانبر است.
برای هر بار آزمون سل غشایی باز میگردد تا غشا مجددا و با دقت فراوان در آن قرار گیرد، به گونهای که غشا پاره نشود و تمام فضای داخل سل آببندی شود که این مرحله نیز بسیار حساس است.
از آنجایی که غشای تهیه شده بسیار نازک بوده و میتواند در حین فرآیند جاگذاری غشا و در حین فرآیند جداسازی تحت فشار بخصوص در ابتدای فرآیند که به یک باره فشار اعمال میشود دچار آسیب و پارگی شود. برای جلوگیری از پارگی غشا در شروع فرآیند فشار را به آرامی افزایش میدهیم تا غشا به طور آنی، در معرض فشار بالا قرار نگیرد.
به دلیل افزایش دما در پی کارکرد پمپ نیاز به یک سیستم خنک کننده در سیستم احساس می‌شود لذا سیستم به یک سیستم خنک کننده یخچالی مجهز می‌باشد.
2-6 شار آب خالص
شار جریان خروجی از غشا از طریق توزین محلول عبوری از غشا محاسبه می‌شود. با در نظر گرفتن آنکه چگالی محلول‌های مورد آزمون حدوداً برابرkg/lit 1 می‌باشد شار جریان عبوری از غشا از طریق رابطه زیر به دست می‌آید:
(2-1) Jw=∆W/(A×∆t)
∆wحجم محلول عبوری از غشا (m3)،A سطح موثر غشا (m2) و ∆tزمان عبور محلول از غشا (h) می‌باشد. از آنجا که با افزایش فشار، شار غشا نیز افزایش می‌یابد، برای درک بهتر تراوایی غشا و حذف اثر فشار، ضریب نفوذپذیری غشا عبارت است از شار جریان عبوری از غشا بر واحد فشار، که از رابطه زیر به دست می‌آید:
(2-2) Lp=J_W/∆P
: شار جریان عبوری
: فشار موثر وارده بر غشا
استفاده از رابطه فوق برای محاسبه نفوذپذیری محلول با فرض ناچیز بودن فشار اسمزی حل شونده که در اینجا فرض معقولی می‌باشد، امکانپذیر می‌باشد ]60[.
2-7 احتباس
احتباس معیاری است از مقدار ماده حل شده موردنظر در یک محلول که توسط لایه گزینشی یعنی غشا احتباس میشود. در واقع میزان احتباس یک ماده نماینده خواص گزینشی غشا نسبت به آن ترکیب است و عبارت است از:
(2-3) R%= (1 – C_P/C_b )×10
Cpغلظت ماده مورد نظر در محلول عبوری از غشا و Cb غلظت ماده در محلول اولیه (محلول خوراک) میباشد ]60[.
2-8 آستانه شکست و محاسبه اندازه حفرات
در انتخاب یک غشا برای جداسازی و فیلتراسیون یک محلول، اولین مشخصه مهم اندازه قطر منافذ غشا است. در غشاها اندازه قطر منافذ بطور غیرمستقیم توسط آستانه شکست بیان می‌شود و طبق تعریف عبارت است از وزن مولکولی کوچکترین ماکرومولکولی که توسط غشا در یک شرایط عملیاتی مشخص به میزان 90 تا 95 درصد پس‌زده می‌شود.
موادی را که برای اندازهگیری آستانه شکست استفاده می‌شود ردیاب46 خوانده می‌شود. موادی که به عنوان ردیاب از آنان استفاده می‌شود بایستی خصوصیات زیر را دارا باشند:
مواد مورد استفاده بایستی تا حد امکان دارای بار خنثی باشند.
اندازه کاملا مشخصی داشته باشند.
برهمکنش ردیاب با غشا تا حد امکان کم باشد تا از انسداد غشا در طول فرآیند جلوگیری شود.
ردیابها بایستی در محدوده وسیعی از اندازهها (با اوزان مولکولی مختلف) در دسترس باشند.
قیمت معقولی داشته باشد]59[.
هم اکنون انواع مختلفی از ردیابها در فیلتراسیون غشاها مورد استفاده قرار

مطلب مشابه :  پایان نامه ارشد با موضوعقصاص، قانون مجازات، حقوق انسان

دیدگاهتان را بنویسید