12078

12078

بررسي تأثير سيليكا بر خـواص و ريزسـاختار ممبران¬هاي تيتانيايي نانوساختار

دكتري

مواد و متالورژي

شهريور 1392

شهريور 1392

دكتر حسين سرپولكي

دكتر تورج محمدي

چكيده امروزه استفاده از غشاها خصوصا انواع سراميكي در زمينه تكنولوژي جداسازي مواد نقش مهمي را ايفا مي¬كنند. ويژگي كليدي و مهم يك غشا، توانايي آن در كنترل سرعت عبور گونه¬هاي مختلف شيميايي حين عبور سيال از غشاست. در اين ميان استفاده از غشاهاي تيتانيايي به دليل پايداري بالا در محيطهاي شيميايي و ارائه خاصيت فوتوكاتاليستي، مدت زماني است مورد توجه پژوهشگران در صنايع تصفيه آب قرار گرفته است. البته وجود محدوديت¬هايي همچون عدم پايداري حرارتي در حين فرايند سنتز و عدم كنترل دقيق اندازه تخلخل¬ها، استفاده از غشاهاي تيتانيايي را تا حدودي محدود كرده است. استفاده از افزودني¬هاي مختلف از جمله اكسيدهاي فلزي يكي از روش¬هايي است كه امروزه در راستاي رفع محدوديت¬هاي موجود مورد توجه برخي از پژوهشگران قرار گرفته است. بر پايه مطالعات صورت گرفته مشخص شد استفاده از افزودني سيليكا در قالب سنتز غشا كامپوزيتي تيتانيا-سيليكا مي¬تواند بسياري از انتظارات مورد نظر را فراهم آورد. البته لازم به ذكر است بسياري از محققان پيشرفت¬هاي قابل توجهي در زمينه فراوري غشاهاي كامپوزيتي سيليكا-تيتانيا بدست آوردند كه البته كاربرد اين دسته از غشاها به دليل داشتن اندازه تخلخل¬هاي بسيار ريز معمولا در زمينه جداسازي گازها بوده و به دليل مقادير بالاي سيليكا و درصد كم تيتانيا در تركيب آن خواص فوتوكاتاليستي قابل توجهي ندارند. همچنين در معدود پژوهش¬هاي صورت گرفته در زمينه سنتز غشاهاي كامپوزيتي تيتانيا-سيليكا مطالعه جامعي بر تاثير مقادير مختلف مولي سيليكا بر خواص غشا صورت نگرفته است. از اين¬رو در پژوهش حاضر تلاش شد با استفاده از افزودن مقادير مختلف مولي سيليكا در تركيب غشاهاي تيتانيايي از طريق سنتز غشاهاي كامپوزيتي تيتانيا-سيليكا به بررسي تغييرات خواص غشاهاي تيتانيايي و رفع محدوديت¬هاي موجود در آن پرداخته شود. براي دستيابي به اين مهم از زيرپايه آلومينايي به عنوان نگهدارنده و از سل كلوئيدي تيتانيا جهت ايجاد لايه مياني استفاده شد. سپس سل¬هاي تيتانيا و سيليكا به روش پليمري فراوري و پس از تهيه سل¬هاي كامپوزيتي به روش هيدروليز جدا با مقادير مختلف مولي سيليكا، پوشش¬دهي آن¬ها بر زيرپايه¬هاي سنتزي انجام گرفت تا پس از عمليات حرارتي لايه موثر رويي ايجاد شود. در ادامه تاثير سيليكا بر خواص لايه موثر تيتانيايي توسط آناليزهاي مختلف همچون توزين حرارتي و آناليز حرارتي افتراقي (DTA-TG)، ديلاتومتري، تخلخل¬سنج جيوه¬اي، جذب و واجذب نيتروژن (منحني¬هاي BJH و BET)، طيف¬سنجي مادون قرمز تبديل فوريه (FTIR)، پرتونگاري فوتوالكتروني اشعه ايكس (XPS)، پراش اشعه ايكس (XRD) و طيف¬سنجي بازتابي نفوذي ماورابنفش-مرئي (DRS) مورد بررسي قرار گرفت. همچنين مورفولوژي و ريزساختار غشاهاي سنتزي با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM)، ميكروسكوپ¬هاي الكتروني روبشي (FESEM) و عبوري (TEM) بررسي شد. جهت بررسي خواص فوتوكاتاليستي و قابليت فيلتراسيون غشاهاي سنتزي از ميزان تخريب و حذف متيل اورنژ به عنوان مدل آلاينده بهره گرفته شد. با مشاهده پيك مربوط به طيف جذبي cm-1940 در آناليز FTIR و پيك مربوط به O 1s با انرژي پيوند 6/531 الكترون ولت در آناليز XPS، تشكيل اتصالات Ti-O-Si در نمونه¬هاي كامپوزيتي تيتانيا-سيليكا اثبات شد. نتايج بدست آمده از آناليز حرارتي نيز نشان داد با افزايش مقدار سيليكا در نمونه¬هاي كامپوزيتي، دماي استحاله فازي تيتانيا از آمورف به آناتاز افزايش مي¬يابد. با افزودن 5 و 10 درصد مولي سيليكا در تركيب غشا تيتانيايي، دماي استحاله فازي آناتاز به روتايل از °C750 به ترتيب تا 850 و 1000 درجه سانتيگراد افزايش و اندازه بلورك¬هاي فاز آناتاز در دماي °C500 از 5/12 نانومتر به ترتيب تا 6/9 و 8/6 نانومتر كاهش يافت كه علت آن ناشي از تشكيل اتصالات Ti-O-Si در ساختار و ممانعت آن در برابر رشد ذرات است. مشاهده تغييرات پارامتر شبكه و شيفت پيك (101) از فاز آناتاز، مشخص كرد افزودن سيليكا به تيتانيا تا 10 درصد مولي منجر به تشكيل محلول جامد شده؛ در حالي¬كه مقادير بيش¬تر سيليكا، احتمال جدايش فازي را به همراه دارد. بر اساس نتايج بدست آمده از آناليز ديلاتومتري نيز مشخص شد با افزودن 5 و 10 درصد مولي سيليكا به تيتانيا، تغييرات حجمي از 5/17 درصد به ترتيب تا 16 و 13 درصد كاهش مي¬يابد كه اين امر كاهش احتمال تشكيل ترك هنگام كلسينه كردن غشاهاي كامپوزيتي تيتانيا-سيليكا را در مقايسه با انواع تيتانيايي به همراه دارد. نتايج آناليز جذب و واجذب نيتروژن نشان داد با حضور 5 و 10 درصد مولي سيليكا در تركيب تيتانيا، اندازه تخلخل از 2/8 نانومتر به ترتيب تا 4 و 7/2 نانومتر كاهش و سطح ويژه از 8/32 متر مربع بر گرم به ترتيب تا 1/99 و 5/116 متر مربع بر گرم افزايش مي¬يابد كه با يكنواخت شدن تخلخل¬ها در اثر افزودن سيليكا نيز همراه است. همچنين الگوهاي بدست آمده از حلقه¬هاي هيسترزيس نشان داد با افزودن 10 درصد مولي سيليكا به تيتانيا، مشخصه غشا از نوع مزومتخلخل به ميكرومتخلخل تغيير مي¬يابد. نتايج آناليز جذب حالت جامد (DRS) نيز نشان داد با افزودن سيليكا به تيتانيا، ميزان جذب در محدوده نور مرئي افزايش و در محدوده فرابنفش كاهش مي¬يابد. همچنين مشخص شد افزودن 5 و 10 درصد مولي سيليكا به تيتانيا، انرژي نوار ممنوعه را از 1/3 الكترون ولت به ترتيب تا 15/3 و 17/3 الكترون ولت افزايش مي¬دهد. با افزودن 5 درصد مولي سيليكا در تركيب غشا تيتانيايي، بازده فوتوكاتاليستي از 72 تا 87 درصد افزايش يافت؛ ولي حضور سيليكا تا 10 درصد مولي، به دليل كاهش مقدار ماده فوتوكاتاليست، بازده فوتوكاتاليستي را تا 23 درصد كاهش داد. با حضور 5 درصد مولي سيليكا در تركيب غشا تيتانيايي به دليل كاهش اندازه تخلخل از 9 تا 3 نانومتر، بازده فيلتراسيون از 8/51 تا 7/55 درصد افزايش و شار جريان عبوري از 3/11 به 8/8 ليتر بر متر مربع ساعت كاهش يافت. بر پايه اثر همزمان جداسازي و فوتوكاتاليستي، بازده حذف آلاينده توسط غشا تيتانيايي 5/86 درصد تعيين شد كه با افزودن 5 و 10 درصد مولي سيليكا، به ترتيب به 2/94 و 2/71 درصد تغيير يافت. از اين¬رو بر پايه نتايج بدست آمده، غشا كامپوزيتي تيتانيا با 5 درصد مولي سيليكا كه در °C500 كلسينه شده (غشا TS5-500) به دليل داشتن بالاترين بازده حذف آلاينده، به عنوان غشا بهينه در اين پژوهش انتخاب شد. واژه‌هاي كليدي: تيتانياي نانوساختار، تيتانيا-سيليكا، غشا كامپوزيتي، فوتوكاتاليست، جداسازي.