پایان نامه ارشد رایگان درمورد مورفولوژی، مرور زمان، مزایا و معایب

قرار گیرد. بدین منظور غشاهای تهیه شده پس از هیدرولیز، در زمانهای 5، 10، 15 و 20 ثانیه در دمای ثابت 80 درجه سلسیوس اصلاح حرارتی گردیدهاند. شکل3-8 اثر زمان اصلاح حرارتی را بروی شار و احتباس پلیاکریل آمید نشان میدهد.
شکل3-8: تغییرات شار و احتباس پلی اکریل آمید در پی تغییرات زمان اصلاح حرارتی (غلظت پلی‌اکریل‌آمید ppm10، سرعت جریانL/min 5/6 و فشار 3 بار)
با افزایش زمان اصلاح حرارتی میزان شار کاهش و احتباس پلیاکریل آمید افزایش نشان میدهد زیرا با افزایش زمان اصلاح حرارتی، چروکیدگی و جمع شدن زنجیرههای پلیمر روی سطح حفرات غشا افزایش مییابد و در نتیجه حفرههای غشا کوچکتر میشوند.
نتایج نشان میدهند پس از زمان 10 ثانیه روند افزایشی احتباس پلیاکریل آمید بسیار کم میگردد و در زمانهای اصلاح بالاتر از آن تنها شار بطور قابل توجهی کاهش مییابد. همانطور که در شکل3-8 دیده میشود، از زمان 10 تا 20 ثانیه احتباس تنها 2/0 % افزایش میباید در حالیکه شار کاهش چشمگیر 6% نشان میدهد. بنابراین زمان 10 ثانیه در دمای 80 درجه سلسیوس به‌عنوان زمان بهینه اصلاح حرارتی انتخاب میگردد.
3-5 اصلاح غشا با استفاده از نانوذرات
همانطور که در فصل1 مطرح گردید حضور پلیاکریل آمید در محلول خوراک سبب گرفتگی در غشاها میشود که این گرفتگی بطور معمول در سطح غشا به صورت لایه کیک ظاهر میگردد. یکی از روشهای کاهش گرفتگی غشاهای مختلف افزایش آبدوستی سطح آن میباشد زیرا در این حالت جریان عبوری از سطح قادر به شستشوی بهتر لایه کیک میباشد و از طرف دیگر تمایل سطح غشا به جذب گرفتگی کاهش مییابد]37[. یکی از این روشهای نوین افزایش آبدوستی سطح غشا افزودن نانوذرات به ساختار غشاها میباشد. در این پژوهش از نانوذرات تیتانیوم دیاکسید با اندازه ذرات 25 نانومتر جهت افزایش آبدوستی سطح غشا به دو روش خودآرایی و مخلوط کردن استفاده شده است. در ادامه به شرح و نتایج این دو روش پرداخته خواهد شد.
3-5-1 اثر خودآرایی نانوذرات تیتانیوم دیاکسید بروی سطح غشا
نانوذرات به دلیل اندازه بسیار کوچکشان در فضاهای خالی بین زنجیرههای پلیمر در ساختار غشا قرار میگیرند. همچنین از آنجائیکه غشاها هیدرولیز شدهاند و دارای گروههای کربوکسیلات میباشند امکان تثبیت نانوذرات را بروی سطح غشا فراهم میسازند. حضور این گروهها سبب تشکیل هرچه بیشتر پیوندهای قوی داتیو و در نتیجه تثبیت نانوذرات تیتانیوم دیاکسید بروی غشا ساخته شده میشود. غشاهای تهیه شده پس از هیدرولیز و عملیات حرارتی بهینه شده در محلول 1/0% نانوذرات تیتانیوم دیاکسید غوطهور میگردند.
نانوذرات تیتانیوم دیاکسید، پس از غوطه‌وری غشا ساخته شده در محلول 1/0% وزنی از تیتانیوم دیاکسید، به مرور زمان و با تشکیل پیوندهای هیدروژنی و داتیو با گروههای کربوکسیلات موجود در سطح غشا تثبیت میشوند. شکل 3-9 نحوه هیبرید شدن نانوذرات را بروی ساختار پلیمر پلیاکریلو نیتریل نشان میدهد.
شکل3-9: خودآرایی نانوذرات تیتانیوم دیاکسید بروی سطح غشا ]70[
برای افزودن نانوذرات به غشا با روش خودآرایی در ابتدا باید نانوذرات تیتانیوم دیاکسید بخوبی در محیط آبی پخش و همگن شوند که برای این منظور از دستگاه حمام اولتراسونیک استفاده شده‌است. نانوذرات تیتانیوم دیاکسید در آب، اگرچه با استفاده از دستگاه حمام اولتراسونیک کاملاً پخش میشوند، اما به مرور زمان در کف ظرف ته نشین میشوند. جهت به حداقل رساندن ته ‌نشینی در این پرژه غلظت نانوذرات بسیار اندک (1/0 % وزنی) انتخاب شد و اثر زمان های متفاوت (5، 15، 30 و 60 دقیقه) به روی خواص غشا مورد بررسی قرار گرفت. در غلظت حاضر، سوسپانسیون محلول تا بیش از یک ساعت به خوبی یکنواخت و شیری رنگ باقی میماند و ته نشینی بسیار اندک رخ میدهد.
شکل3-10 اثر تغییر زمان غوطهوری غشاها را در محلول تیتانیوم دیاکسید بروی خواص غشا نشان میدهد.
شکل3-10: اثر زمان غوطهوری غشا در محلول نانوذرات TiO2 بر میزان احتباس و شار پلیاکریل آمید (غلظت پلی‌اکریل‌آمید ppm10، سرعت جریانL/min 5/6 و فشار 3 بار)
همانطور که مشاهده میشود زمان غوطهوری بروی میزان احتباس پلیاکریل آمید اثر بسیار ناچیزی دارد (6/0%) که قابل صرف نظر کردن میباشد. در مقابل نانوذرات بروی شار عبوری از غشاها بطور چشمگیری اثر بخش میباشند. شار غشا تا زمان 15 دقیقه 33% افزایش نشان میدهد و پس از آن با افزایش بیشتر زمان غوطهوری کاهش شار مشاهده میشود. علت این کاهش شار را میتوان تجمع بیش از حد نانوذرات در سطح غشا عنوان کرد به گونهایی که نانوذرات در اثر تجمع بر روی سطح مانند یک سد عمل کرده و مانع عبور مولکولهای آب میگردند]71[. از اینرو زمان 10 دقیقه بدلیل حداکثر افزایش شار عبوری و بدون کاهش احتباس به‌عنوان زمان غوطهوری بهینه انتخاب میگردد.
3-5-2 اثر مخلوط کردن نانوذرات تیتانیوم دیاکسید در محلول پلیمری
در این روش نانوذرات در محلول پلیمری اولیه پلیاکریلو نیتریل با غلظتهای مختلف قرار میگیرند. مهمترین نکته‌ایی که باید در این روش مورد توجه قرار گیرد پخش شدن مناسب نانوذرات در محلول پلیمری میباشد. برای این منظور نانوذرات پس از حذف رطوبت در آون، در حلال دی‌متیل‌فرمآمید توسط حمام اولتراسونیک پخش شده و سپس با نسبت مشخص با پلیمر مورد نظر مخلوط میشود. به دلیل حضور کمتر نانوذرات روی سطح غشا در این روش سعی شده‌است غلظتهای بالاتری از نانوذرات نیز استفاده شود. نانوذرات با درصدهای مختلف 01/0، 05/0 و 1/0 درصد با 16% پلیاکریلو نیتریل مخلوط شدهاند و پس از تهیه فیلم و فرآیند وارونگی فاز غشاهای ساخته شده در این روش مورد ارزیابی قرار گرفتند.
تفاوتی که در روش مخلوط کردن با روش خودآرایی دارد، در میزان نانوذراتی است که در سطح غشا قرار میگیرند. زیرا در این روش پیوند شیمیایی بین نانوذرات و زنجیرههای پلیمر وجود ندارد و نانوذرات تنها در محلول پلیمری مخلوط میگردند. درحالیکه در روش خودآرایی با عمل هیدرولیز گروههای کربوکسلیک اسید در طول زنجیره پلیمر افزایش مییابد و پیوند شیمیایی بین نانوذره و پلیمر برقرار میشود. در حقیقت در روش مخلوط کردن نانوذرات در ماتریکس غشا قرار میگیرند، اگرچه در ادامه و در طول فرآیند هیدرولیز و تشکیل کربوکسیلات قادر به پیوند شیمیایی با زنجیرههای پلیمر نیز میباشند. نتایج ارزیابی غشاهای ساخته شده با روش مخلوط کردن در شکل 3-11 نشان داده شده است.
شکل3-11: اثر نانو ذرات بروی احتباس و شار عبوری پلیاکریل آمید در روش مخلوط کردن (غلظت پلی‌اکریل‌آمید ppm10، سرعت جریانL/min 5/6 و فشار 3 بار)
همانطور که از شکل3-11مشخص است روند نتایجی که از روش مخلوط کردن با روش خودآرایی بدست آمده است متفاوت میباشد. در روش مخلوط کردن بر خلاف روش خودآرایی با افزایش غلظت نانوذرات شار عبوری از غشا بیشتر میشود. البته با افزایش بیشتر نانوذرات شیب افزایش شار روندی کاهشی نشان میدهد و میزان احتباس پلیاکریل آمید پس از غلظت 05/0% بطور چشمگیر و غیر قابل قبولی افت میکند.
با توجه به نتایج میتوان دریافت که غلظت بهینه در این روش غلظت 05/0% از نانوذرات در محلول پلیمری است چرا که در غلظت های کمتر از این مقدار میزان شار خروجی با رشد کمی همراه خواهد بود و در غلظت های بالاتر از 05/0% نانوذره، علاوه بر مشکلات هموژن کردن تیتانیوم دیاکسید در محلول پلیمری، با کاهش احتباس پلیاکریل آمید مواجه خواهیم شد.
3-6 مقایسه بین دو روش افزودن نانوذرات
به منظور تعیین روش بهتر جهت افزایش عملکرد غشاهای تهیه شده با دو روش خودآرایی و مخلوط کردن باید به نتایج در حالت بهینه آن توجه نمود چرا که هریک از روشها همانطور که عنوان شد، مزایا و معایبی دارند که به تنهایی نمیتوانند موید روش به کار گرفته باشند.
روش خودآرایی از نقطه نظر سنتز روش آسانتری نسبت به روش مخلوط کردن میباشد زیرا در روش مخلوط کردن تهنشینی ذرات در طول فرآیند ریختهگری بسیار میتواند مشکلساز باشد. در روش مخلوط کردن شار همواره روند افزایشی نشان میدهد و در غلظتهای بالا نانوذرات احتباس کاهش مییابد در حالیکه در روش خودآرایی شار ابتدا افزایش و سپس کاهش میباید و میزان احتباس آن همواره ثابت است. شکل3-12 مقایسه بین دو روش به کار گرفته شده را برای حالت بهینهشان نشان میدهد، ملاک مقایسه درصد افزایش شار خروجی در پی جداسازی پلیاکریل آمید میباشد.
شکل3-12: مقایسه درصد افزایش شار در دو روش خودآرایی و مخلوط کردن(غلظت پلی اکریل آمید ppm10 و سرعت جریانl/min 5/6 و فشار 3 بار)
3-7 آنالیز میکروسکوپ الکترونی پویشی از سطح غشا
شکل 3-13: تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، پ) سطح غشا پس از عملیات‌های هیدرولیز و حرارتی با بزرگنمایی 5000 برابر، ت) سطح غشا پس از عملیات های هیدرولیز و حرارتی با بزرگنمایی 7500 برابر
شکل 3-13: تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، ث) سطح غشای نانوذره دار شده با روش خودآرایی با بزرگنمایی 5000 برابر، ج) سطح غشای نانوذره دار شده با روش خودآرایی با بزرگنمایی 7500 برابر
شکل 3-13: تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، ح) سطح غشای نانوذره دار شده با روش مخلوط کردن با بزرگنمایی 5000 برابر، چ) سطح غشای نانوذره دار شده با روش مخلوط کردن با بزرگنمایی 7500 برابر
مورفولوژی سطح غشاهای تهیه شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. شکل 3-13 (الف) و (ب) مورفولوژی سطح غشا پلیاکریلونیتریل اولیه را بعد از فرآیند وارونگی فاز نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود غشا دارای سطح هموار همراه با توزیع اندازه منفذ یکنواخت در سرتاسر سطح میباشد. همچنین سطح غشا پس از عملیات هیدرولیز و حرارتی در شکل 3-13 (پ) و (ت) نشان میدهد مورفولوژی سطح تغییر محسوسی نکرده است. از آنجائیکه نتایج حاصل از شار و احتباس محلول پلیاکریل آمید توسط غشاهای اصلاح شده رفتار کاملاً متفاوتی را نسبت به غشاهای پلیاکریلو نیتریل اولیه نشان میدهد، جهت بررسی دقیقتر در ادامه آنالیز زاویه تماس و نیز تعیین آستانه شکست غشاها بررسی گردید.
شکل 3-13 (ث) و (ج) و شکل 3-13 (ح) و (چ) بترتیب مورفولوژی سطح غشاهای حاوی نانوذره TiO2باروش‌های خودآرایی و مخلوط را نشان میدهد. همانطور که دیده میشود علیرغم عملکرد بسیار متفاوت غشاهای حاوی تیتانیوم دیاکسید با غشاهای اولیه، مورفولوژی سطح بسیار شبیه یکدیگر هستند. همچنین هیچگونه تجمعی از نانوذرات تیتانیوم دیاکسید بروی سطح غشاها دیده نمیشود که این امر دلالت بر بهینهسازی مناسب در هر دو روش تهیه غشا میباشد.
3-8 آنالیز پراش انرژی پرتو ایکس(EDX) 
جهت تصدیق حضور نانوذرات TiO2 در ساختار غشاهای تهیه شده با روشهای خودآرایی و مخلوط کردن از پراش الکترونی پرتو ایکس (EDX) استفاده گردیده‌است و نتایج در شکلهای3-14 و 3-15و نیز جدول3-1 نشان داده شدهاند.
شکل3-14: پراش الکترونی پرتو ایکس غشا خودآرایی شده با نانوذرات TiO2

مطلب مشابه :  پایان نامه با واژگان کلیدیپایان‌نامه، سلامت عمومی، اوقات فراغت

دیدگاهتان را بنویسید