سنتز نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم وكاربرد در ساخت غشاهاي مورد استفاده در فرآيندهاي جداسازي و شيرين سازي آب

كارشناسي ارشد

تقطير غشايي فرآيندي است كه براي توليد آب خالص، تغليظ محلول ها، خالص سازي جريان هاي پساب و ...، به طور گسترده اي مورد مطالعه قرار گرفته است. اين فرآيند نسبتا جديد است و به علت هزينه كم و صرفه جويي در مصرف انرژي به عنوان جايگزين مناسبي براي فرآيندهاي جداسازي متداول مانند تقطير و اسمز معكوس مطرح شده است. هدف از اين پژوهش، سنتز نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم و سپس سنتز غشاي پلي وينيليدين فلورايد (PVDF) و اصلاح آن با نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم به منظور استفاده در فرآيند تقطيرغشايي در مقياس آزمايشگاهي مي‌باشد. افزايش خواص مكانيكي و تخلخل غشاها به منظور بهبود كارايي تقطير غشايي مدنظر مي‌باشد. در اين پژوهش، ابتدا نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم (TNT) با استفاده از نانوذرات دي اكسيد تيتانيوم (TiO2) به همراه سديم هيدروكسيد (NaOH) در اتوكلاو به روش هيدروترمال با موفقيت سنتز شد. ساختار نانولوله‌هاي سنتز شده با انجام آناليزهاي گوناگون مانند پراش پرتو ايكس (XRD)، تصويربرداري به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) ، ميكروسكوپ الكتروني گسيل ميدان (FE-SEM) و ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) و طيف سنجي پراش انرژي پرتوايكس (EDX) ارزيابي شد. طيف (XRD) حاصل از نمونه‌ها، تشكيل ساختار نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم را در فاز آناتاس خالص تاييد كرد. تصاوير (FE-SEM) نشان داد كه محصول هيدروترمال توده‌هاي متراكمي از نانولوله‌هاست. تصاوير (TEM) نانولوله‌اي شدن نانوذرات دي اكسيد تيتانيوم را با وضوح بالاتري تاييدكرد. در ادامه، غشاهاي زمينه آميخته حاوي نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم با استفاده از پليمر پلي وينيليدن فلورايد (PVDF) و حلال دي‌متيل‌استاميد (DMAC) به روش وارونگي فاز ساخته شد و عملكرد آنها در فرايند تقطير غشايي خلا مورد ارزيابي قرار گرفت. خواص ساختاري و ساختار غشاهاي ساخته شده به وسيله‌ي تصويربرداري ميكروسكوپي الكترون روبشي گسيل ميداني(SEM) و (FE-SEM) و ميكروسكوپ الكتروني عبوري TEM)) و اندازه گيري زاويه تماس ارزيابي شد. تأثير استفاده از غلظت‌هاي مختلف نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم بر روي عملكرد غشاهاي حاصل در فرآيند تقطير غشايي خلا مورد بررسي قرار گرفت. فلاكس آب خالص و ميزان دفع نمك غشاها در فرآيند تقطير غشايي خلا اندازه گيري شد. نتايج حاصل نشان مي‌دهد كه افزودن نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم با بهبود ساختار غشا از قبيل افزايش اندازه حفرات سطحي، افزايش حفرات انگشت مانند غشا و در نتيجه افزايش تخلخل موجب بهبود عملكرد غشاهاي زمينه آميخته شده است. غشاي زمينه آميخته حاوي (2 درصد وزني) نانولوله دي اكسيد تيتانيوم به عنوان غشاي بهينه شناخته شد كه در مقايسه با غشاي خالص حدود (30 درصد) افزايش فلاكس آب خالص و (9/99 درصد) دفع نمك را در دماي (70 درجه سانتيگراد) و فشار خلا (8/0 بار) از خود نشان داد. تاثير پارامترهاي عملياتي مانند غلظت خوراك، شدت جريان خوراك و دماي خوراك با استفاده از روش طراحي آزمايش (CCD RSM-) با انجام 15 آزمايش مورد بررسي قرار گرفت و شرايط بهينه تعيين شد. نتايج حاصل از اين پژوهش نشان داد كه نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم با داشتن خاصيت آب دوستي مي‌تواند به بهبود ساختار غشاي پلي وينيليدين فلورايد منجر شود به اين ترتيب كه در فرآيند ساخت غشا به روش جدايش فازي، تأثير ضد حلال را تشديد مي‌كند. در واقع حضور نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم آب دوست، باعث تسريع نفوذ آب به عنوان ضد حلال درون فيلم پليمري و تشكيل غشايي با روزنه‌هاي بزرگ‌تر خواهد شد. در نتيجه با بالا رفتن ميزان نانولوله‌ها در شبكه غشا، تخلخل غشاها بيشتر شده و روزنه‌هاي انگشت مانند بزرگتر و كشيده‌تري شكل مي‌گيرند. در نتيجه افزودن نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم مي‌توانند ميزان فلاكس عبوري بخار آب از غشا را افزايش دهند. از ديگر تاثيرات افزودن نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم به غشاي پلي وينيليدين فلورايد، افزايش مقاومت مكانيكي غشا و افزايش دفع نمك مي‌باشد.

194925

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر مريم احمدزاذه توفيقي

مهندسي شيمي

دكتر تورج محمدي