18964

۱۸۹۶۴

بهبود عملكرد غشاهاي تبادل كاتيون براي فرآيند الكترودياليز

كارشناسي ارشد

فرآيندهاي جداسازي

۱۳۹۴

۱۳۹۶/۱۱/۳۰

دكتر سيد نظام الدين اشرفي زاده

دكتر توان كيخاوني

مهندسي شيمي، نفت و گاز

چكيده غشاهاي تبادل يون نمونهاي از غشاهاي جداسازي پيشرفته هستند كه در صنايع مختلف كاربردهاي گسترده اي دارند. يكي از مهم ترين كاربرد اين غشناها، به كارگيري آنها در فرآيند الكترودياليز ميباشد. اين غشاها داراي سننناختناري پليمري بنا بارهاي ثابت مثبت و يا منفي بوده كه در اثر اعمال ميدان الكتريكي يونهاي داراي بار مشخصي را از يونهاي داراي بار مخالف جدا ميكنند. اين غشاها بايد گزينشگري مناسب، مقاومت الكتريكي پايين و پايداري شننيميايي، مكانيكي و حرارتي بالايي داشننته باشننند. با توجه به اين مواننوع، در تحقيب پيش رو سننتز غشاهاي تبادل كاتيون ناهمگن با هد بهبود خصوصيات آنها بررسي شده است. در اين تحقيب، ابتدا پليمر پليسولفون اPSF )به عنوان ماتريس پليمري انتخاب شد و نتايج مربوط به تاثير نوع رزين تبادل كاتيون (آمبرلايت 120-IR و پرولايت E-C100 (و ميزان بارگذاري ذرات رزين در ماتريس غشننا بررسني شده است. غشاهاي سنتز شده با رزين پرولايت عملكرد بهتري داشتند. با افزايش درصد ذرات رزين خصنوصنيات الكتروشننيميايي غشناها بهبود يافتند. غشناي بهينه با عدد انتقال 624/3 و مقاومت الكتريكي ا 2 cm.Ω )92/34 بدسنت آمد. به علت شنرايو نسنبتا سخت سنتز غشاهاي پليسولفون در درصدهاي بالاي ذرات رزين، اين پليمر كنار گذاشته شد و براي ادامهي كار پليمر پليوينيلكلرايد اPVC )به عنوان ماتريس پليمري انتخاب گرديد. غشنناهاي PVC با نسننبت 3:3 ارزين: پليمر( به عنوان غشنناي پايه سنننتز شنندند و عملكرد بسننيار مناسننبي داشننتند. به طوري كه عدد انتقال و مقاومت الكتريكي غشنناي پايه به ترتيب برابر 617/3 و ا 2 cm.Ω )34/32 به دسنت آمد. به منظور بهبود خواص غشناها، نانوذرات اكسنيد سنريم اCeO2 ،) پليآنيلين خال اPANI )و پليآنيلين اصنلا) شده اSiO2/PANI )انتخاب شده و در درصدهاي مختلف به محلول ريختهگري افزوده شندند. نانوذرات CeO2 به دليل خاصيت الكتريكي و جذب سطحي، خواص غشا را 2 بهبود بخشيدند. غشاي بهينه با عدد انتقال 673/3 و مقاومت الكتريكي ا اين از% 4 نسبت در 9/42 )Ω.cm نانوذره انسنبت به وزن كل جامد( بدسنت آمد. نانوذرات PANI به دليل خاصنيت رسانايي، جذب سطحي و تبادل يون، خواص غشنناها را بهبود بخشننيدند، به طوري كه غشنناي بهينه با عدد انتقال 699/3 و مقاومت الكتريكي 91/9 در نسنبت 4/3 % افزودني حاصل شد. نانوذرات SiO2/PANI علاوه بر خاصيت جذب سطحي بالاتر، با داشنتن سنطو ويژهي بسيار بالا، خواص غشا را بهبود بخشيدند. غشاي بهينه با عدد انتقال 692/3 و مقاومت الكتريكي 34/9 در نسبت 4/3 % افزودني بدست آمد. واژههاي كليدي: الكترودياليز، غشاي تبادل كاتيون ناهمگن، نانوذرهي اكسيد سريم، نانوذرات پليآنيلين

1397/03/23

Improvement of Cation Exchange Membranes for Electrodialysis

6/13/2018 12:00:00 AM

Abstract Ion exchange membranes are a sample of advanced separation membranes that have wide applications in various industries. Electrodialysis is one of the most important applications of these membranes. Ion exchange membranes should have suitable selectivity, low electrical resistance, and high chemical, mechanical and thermal stability. So in this research, the synthesis of heterogeneous cation exchange membranes with the aim of improving their properties has been investigated. At first, heterogeneous cation exchange membranes were synthesized with 1:0.5 (polymer to resin ratio) by using polysulfone polymer and two types of cation exchange resin particles i.e., Purolite C100-E and Amberlite IR-120. The synthesized membranes with C100-E resin has better electrochemical properties. Then, the effect of resin particle loading was investigated for this resin. By increasing the resin ratio, the properties of membranes such as ion exchange capacity, fixed ions concentrations, transport number, permselectivity and electrical resistance were improved. Due to the some problems about synthesis of PSF membranes in high percentage of resin particles, polyvinyl chloride (PVC) was selected as the polymer matrix. PVC membranes with the ratio of 1:1 (polymer: resin) were easily synthesized and had appropriate electrochemical properties. In order to improve the membranes properties, Cerium Oxide (CeO2), pure Polyaniline (PANI) and modified Polyaniline (PANI/SiO2) nanoparticles were selected as addetives. CeO2 nanoparticles improved the properties of the membrane because of their electrical adsorption properties. The best membrane was obtained with t+ = 0.970 and Rm = 5.42 (Ω.cm2 ) in 4/100 nanoparticle to total solid ratio. PANI nanoparticles improved the properties of membranes due to their conductivity, adsorption and ion exchange properties. The appropriate membrane was obtained with t+ = 0.955 and Rm = 5.63 (Ω.cm2 ) in 0.4/100 nanoparticle to total solid ratio. The PANI/SiO2 nanoparticles, in addition to the higher adsorption properties, have very high specific surface area. The best membrane was synthesized with t+ = 0.962 and Rm = 5.14 (Ω.cm2 ) in 0.4/100 nanoparticle to total solid ratio. Keywords: Electrodialysis, Heterogeneous cation exchange membrane, Cerium oxide nanoparticle, Polyaniline nanoparticle.