23067

بررسي نظري تاثير گروه هاي عاملي در عملكرد غشاهاي تبادلگر آنيوني براي فرايند يون زدايي ظرفيتي غشايي

كارشناسي ارشد

فرايندهاي جداسازي

1399

1399/8/12

دكتر سوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي، نفت و گاز

يكي از مهمترين اهداف استفاده از غشاهاي تبادل يون در فناوري يون¬زدايي ظرفيتي غشايي، حذف گزينشي يون¬هاي آلاينده از آب مي¬باشد. از عوامل تعيين¬كننده در عملكرد غشاهاي تبادل يون، گروه¬هاي عاملي باردار تثبيت شده در ساختار آن¬ها مي¬باشد. با توجه به اهميت موضوع بهبود عملكرد غشاهاي تبادل يون در اين فناوري و همچنين وجود خلأ تحقيقاتي در رابطه با توسعه غشاهاي گزينش¬¬پذير نسبت به آنيون¬هاي با خواص فيزيكي مشابه همچون نيترات و كلر، در اين پژوهش از شبييه¬سازي ديناميك مولكولي به عنوان يك ابزار بسيار مفيد در بررسي تعاملات ميكروسكوپي و شناخت پديده¬هاي انتقال در ساختار غشاهاي تبادل آنيون استفاده شده¬ است. در اين پايان¬نامه، تاثير افزايش طول زنجيره كربني گروه¬هاي عاملي تري¬متيل¬آمين، تري¬اتيل¬آمين، تري¬پروپيل¬آمين و تري¬بوتيل¬آمين در غشا با پايه پلي¬سولفون بر تمايل به جذب دو يون نيترات و كلر در ساختار غشا و همچنين هدايت آن¬ها مورد بررسي قرار گرفته است. براي اين هدف از پارامترهاي مختلف ساختاري و ترموديناميكي همچون تابع توزيع شعاعي، پتانسيل ميانگين نيرو و ميانگين مربع جابه¬جايي استفاده شده است. در مرحله اول از شبيه¬سازي ميزان حداكثر جذب آب توسط گروه عاملي تري¬متيل¬آمين به عنوان آبدوست¬ترين گروه عاملي در تحقيقات تجربي تعيين گرديده است. پس از تعيين ميزان آب مناسب، غشا با گروه¬هاي عاملي متفاوت با درصد وزني آب تعيين¬شده در مرحله اول مورد¬¬ مقايسه قرار¬¬ گرفته¬اند. نتايج به دست آمده نشان¬دهنده كاهش ميزان جذب آب با افزايش طول زنجيره كربني گروه عاملي مي¬باشد. با افزايش طول زنجيره كربني گروه¬هاي عاملي از تري¬متيل¬آمين به تري¬بوتيل¬¬آمين ميزان توزيع يون¬هاي نيترات و كلر در حول گروه¬هاي عاملي به ترتيب 42 و 68 درصد كاهش يافته است. كه نشان¬ دهنده كاهش بيشتر تمايل يون كلر نسبت به نيترات به جذب و برهمكنش با گروه¬هاي عاملي مي¬باشد. همچنين پارامتر ميانگين مربع جابه¬جايي نشان مي¬دهد كه با افزايش طول زنجيره كربني گروه¬هاي عاملي هدايت يون¬ها در غشا كاهش پيدا كرده است. از طرفي در تمامي غشاها ميزان هدايت يون كلر بيشتر از نيترات مي¬باشد. به طور كلي نتايج به دست آمده از اين تحقيق نشان¬ داده است كه با افزايش طول زنجيره كربني گروه¬هاي عاملي از تري¬متيل¬آمين به تري¬بوتيل¬آمين، ميزان تمايل يون نيترات به جذب در ساختار غشا نسبت به يون كلر افزايش يافته و باعث بهبود گزينش¬پذيري غشا نسبت به نيترات مي¬گردد.

1399/10/30

A theoretical investigation of the effect of functional groups on the performance of anion exchange polymer membranes for membrane capacitive deionization process

11/3/2021 12:00:00 AM

One of the main purposes of utilizing ion exchange membranes in membrane capacitive deionization technology is the selective removal of contaminating ions from water. One of the main factors affecting ion exchange membranes' performance is the stabilized functional groups in their structure. Because of the importance of enhancing the performance of ion exchange membranes in this technology and also the existence of a research gap about the development of anion-selective membranes used for ions with similar physical properties such as nitrate and chloride, this thesis takes advantage of molecular dynamics simulation as a valuable tool in the study of microscopic interactions and investigation of transfer phenomena in the structure of anion exchange membranes. In this thesis, the effect of increasing the carbon chain length functional groups of trimethylamine, triethylamine, tripropylamine and tributylamine in polysulfone-based membranes on the adsorption affinity of two nitrate and chloride ions in the membrane structure as well as its conductivity have been reviewed. For this purpose, various structural and thermodynamic parameters such as radial distribution function, the potential of mean force and mean square displacement have been used. In the first stage of simulation, the functional group trimethylamine's maximum water uptake as the most hydrophilic functional group in experimental research has been evaluated. After determining the appropriate amount of water, the membranes with different functional groups were compared in the weight percentage of water determined in the first step. The results show a decrease in water absorption with increasing carbon chain length of the functional group. As the functional groups' carbon chain length increased from trimethylamine to tributylamine, the distribution of nitrate and chloride ions around the functional groups decreased by 42% and 68%, respectively. This indicates a further decrease in chloride ions' tendency to absorb and interact with functional groups compared to nitrate.Furthermore, the mean square displacement shows that with increasing the functional groups' carbon chain length, the ion-conducting of membrane reduced. Additionally, in all membranes, the conductivity of chloride ions is higher than that of nitrate. In general, this study has shown that by increasing the length of the carbon chain of functional groups from trimethylamine to tributylamine, the affinity of nitrate ions adsorption in the membrane structure relative to chloride ions improved and consequently, the nitrate selectivity of membrane enhanced.

يون¬زدايي ظرفيتي غشايي , غشا تبادل آنيون , شبيه¬سازي ديناميك مولكولي , گروه¬هاي عاملي , پلي¬سولفون , نيترات¬زدايي

Membrane capacitive deionization , Anion exchange membrane , Molecular dynamic simulation , Functional groups , Polysulfone , Nitrate removal