28427

اصلاح سطحي غشاء تبادل كاتيون با هدف كاهش گرفتگي در فرآيند الكترودياليز

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي- فرايندهاي جداسازي

1398

1401/12/21

سيد نظام الدين اشرفي زاده

توان كيخاوني

دانشكده مهندسي شيمي، نفت و گاز

امروزه فرآيندهاي جداسازي غشايي كاربرد گسترده‌اي در صنايع گوناگون و همچنين زندگي روزانه انسان‌ها پيدا كرده است. الكترودياليز، با كاربرد در شيرين‌سازي آب و حذف و بازيابي كاتيون‌هاي فلزي و غيره در بين فرآيندهاي غشايي مورد توجه ويژه قرار گرفته است. دراين ميان غشاهاي تبادل يون در بسياري از فرآيندها به‌منظور جداسازي با نيروي محركه الكتريكي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. ساخت غشاهاي ارزان قيمت با ويژگي‌هاي فيزيكي و شيميايي مناسب گامي مهم در صنعت مي‌باشد. گاهي كارايي بالاي غشاء با اصلاح سطحي آن بدست مي‌آيد. در اين مطالعه، غشاي تبادل يون كاتيوني ناهمگن بر پايه پلي‌وينيل كلرايد، با استفاده از نانوذرات تركيبي زئوليت-نقره مورد اصلاح قرار گرفت. اثر غلطت‌هاي مختلف نانوذرات تركيبي زئوليت-نقره در ساختار غشاها برخواص الكتروشيميايي آن‌ها در عملكرد يون‌زدايي مورد بررسي قرار گرفت. بسياري از ويژگي‌هاي زئوليت از جمله جذب گازها، دارا بودن آب تبلور زياد، كاتاليزوري و تعويض يوني به ساختمان آن‌ها مربوط مي‌شود. نقره نيز داراي خاصيت الكتريكي، گرمايي و ضدميكروبي مي‌باشد. به اين منظور، در ابتدا غشاهاي تبادل يون كاتيوني ناهمگن با غلظت‌هاي مختلف پليمر، حلال و رزين ساخته شده و براي يافتن شرايط مطلوب و بهينه جهت كاهش گرفتگي مورد مطالعه قرار گرفتند و در نهايت اين مقادير بهينه توسط نانوذرات تركيبي زئوليت-نقره اصلاح شدند. اين غشاها با 3 تركيب مختلف نانوذره بررسي شد. به-طور كلي آناليز FT-IR ، FESEM، AFM، SEM و زاويه تماس آب جهت مشخصه¬يابي نانوذرات و غشاها مورد بررسي قرار گرفت. نتايج حاصل نشان¬دهنده¬ي كاهش درجه¬اي زاويه تماس، افزايش ظرفيت تبادل يون و غلظت بارهاي ثابت، تغيير بسيار اندك و تقريبا ثابت ماندن پتانسيل، عدد انتقال، تراوش انتخابي و مقاومت الكتريكي است. نتايج اين تست‌ها و آناليزها حاكي از اين است كه غشاي حاوي 5/0% نانوذرات تركيبي زئوليت-نقره، عملكرد مناسب‌تري در مقايسه با ساير غشاها داشته است. ميزان آب غشاء با افزايش غلظت نانوذرات تا 5/0% وزني در محلول، كاهش و سپس تا 1% افزايش مي‌يابد. ميزان آب غشاء دوباره با افزايش نسبت وزني نانوذرات از 1% تا 5% كاهش مي‌يابد. زاويه تماس غشاء قبل از اصلاح در حدود 70 درجه است، در صورتي كه براي غشاهاي در حضور درصدهاي مختلفي از نانوذره، اين زاويه كم‌تر و در نتيجه آب‌دوستي غشاء بيشتر شده است. با افزايش ميزان بارگذاري نانوذره تا 5/0% وزني، زاويه تماس به كمترين مقدار، 55 درجه، رسيده است. بيشترين ميزان IEC در نسبت افزودني 5/0% وزني مشاهده مي‌شود. غشايي كه كمترين ميزان آب را دارد بيشترين ميزان FIC را دارد. وجود اين نانوذرات باعث شده كه غشاهاي اصلاح شده پتانسيل و مقاومت الكتريكي كمتري نسبت به غشاهاي اصلاح نشده داشته باشند. همچنين عدد انتقال و تراوش انتخابي تقريبا ثابت مانده است. طبق نتايج حاصل از آناليزها و مشخصات غشاء، ما در غشاي 5/0% وزني به حداقل گرفتگي مي‌رسيم.

1402/03/30

Surface modification of cation exchange membrane with the aim of reducing clogging in the electrodialysis process

3/11/2024 12:00:00 AM

Today, membrane separation processes are widely used in various industries as well as people's daily life. Electrodialysis, with its application in water desalination and the removal and recovery of metal cations, etc., has received special attention among membrane processes. In the meantime, ion exchange membranes are used in many processes for separation with electric driving force. Making inexpensive membranes with appropriate physical and chemical properties is an important step in the industry. Sometimes the high efficiency of the membrane is obtained by modifying its surface. In this study, heterogeneous cationic ion exchange membrane based on polyvinyl chloride was modified using composite zeolite-silver nanoparticles. The effect of different gelates of mixed zeolite-silver nanoparticles in the structure of membranes and their electrochemical properties in deionization performance was investigated. Many characteristics of zeolite, including gas absorption, high crystallization water, catalysis and ion exchange are related to their structure. Silver also has electrical, thermal and antimicrobial properties. For this purpose, initially heterogeneous cation exchange membranes with different concentrations of polymer, solvent and resin were made and studied to find optimal conditions to reduce clogging and finally these optimal values were modified by combined zeolite-silver nanoparticles. These membranes were investigated with 3 different combinations of nanoparticles. In general, FT-IR analysis, FESEM, AFM, SEM and water contact angle were investigated to characterize nanoparticles and membranes. The results show a gradual decrease in the contact angle, an increase in the ion exchange capacity and the concentration of fixed charges, a very small and almost constant change in the potential, transfer coefficient, selective diffusion and electrical resistance. The results of these tests and analyzes indicate that the membrane containing 0.5% zeolite-silver nanoparticles has a better performance compared to other membranes. The amount of water in the membrane decreases with increasing the concentration of nanoparticles up to 0.5% by weight in the solution and then increases up to 1%. The amount of water in the membrane decreases again with the increase in the weight ratio of nanoparticles from 1% to 5%. The contact angle of the membrane before modification is around 70 degrees, while for the membranes with different percentages of nanoparticles, this angle is lower and as a result the hydrophilicity of the membrane is increased. By increasing the amount of nanoparticle loading up to 0.5% by weight, the contact angle has reached the lowest value, 55 degrees. The highest amount of IEC is observed in the additive ratio of 0.5% by weight. The membrane with the lowest amount of water has the highest amount of FIC. The presence of these nanoparticles has caused the modified membranes to have lower electrical potential and resistance than unmodified membranes. Also, the selected transfer and percolation number has remained almost constant. According to the results of the analysis and the characteristics of the membrane, we reach the minimum clogging in the membrane of 0.5% by weight.

الكترودياليز , غشاي تبادل كاتيون ناهمگن , اصلاح سطحي غشاء , نانوذرات تركيبي زئوليت-نقره

electrodialysis , Heterogeneous Cation Exchange Membrane , Surface Membrane Modification , Composite Zeolite-Silver nanoparticles

Parisa Sadat Fatemi

Dr. Nezameddin Ashrafizade