20833

۲۰۸۳۳

بررسي آزمايشگاهي حذف گزينشي آلاينده‌هاي آب با استفاده از روش يون‌زدايي ظرفيتي غشايي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

۱۳۹۵-۹۶

۱۳۹۸/۰۲/۳۱

دكتر سوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي

يونزدايي ظرفيتي در ميان فناوريهاي الكتروشيميايي تصفيه آب و پساب، با توجه به عملكردش در ولتاژ هاي پايين و عدم استفاده از مواد شيميايي در طول فرايند، بعنوان يك فناوري پاك با بهرهوري بسيار بالا و مصرف انرژي كم شناخته ميشود. يكي از اصلاحات مهم در سال‌هاي اخير بر اين فناوري، استفاده از غشاهاي تبادل يون در فرايند يون زدايي است. با توجه به اهميت تهيه و اصلاح غشاهاي مورداستفاده در اين فناوري و وجود خلأ تحقيقاتي در رابطه با توسعه غشاهاي همگن نيتراتگزين؛ در اين پژوهش ابتدا 11 غشا تبادل آنيون بر پايه پليسولفون و داراي گروههاي عاملي آمونيم، با اعمال شرايط متفاوت در مراحل كلرومتيلدار كردن و آميندار كردن، تهيه شد. با تغيير زمان واكنش در مرحله كلرومتيلدار كردن دو نوع پودر پليسولفون كلرومتيلدارشده با درجات كلرومتيلاسيون 83 و 122 درصد تهيه گرديد. در مرحله آميندار كردن نيز از تري متيل آمين، تري اتيل آمين و تترا متيل هگزان دي آمين بعنوان عوامل آميندار كردن و ايجاد اتصالات عرضي استفاده شد تا اثرات عدد HLB گروه عاملي و پيچيدگي ساختار غشا بر نيترات گزيني مشخص گردد. متعاقباً، غشاهاي تبادل آنيون، بصورت برون محلي و درون محلي ارزيابي شدند. ارزيابي هاي برون محلي شامل HNMR براي تعيين درجه كلرومتيلاسيون، FTIR براي تأييد انجام واكنش آميندار شدن و FESEM براي تأييد قرارگيري لايههاي غشا بر روي يكديگر انجام شدند. ضمناً با استفاده از روشهاي آزمايشگاهي، ظرفيت تبادل يون، هدايت يوني، ميزان جذب آب و اعداد انتقال نيترات و كلر در غشاها اندازهگيري شدند. مقادير هدايت يوني كه به نوعي بيانگر كيفيت كليه خواص الكتروشيميايي غشاها هستند در بازه mS/cm 5/9-1/1 بدست آمدند. اين در حالي است كه ميزان جذب آب غشاها در بازه 4 تا 29 درصد قرار دارد. گزينشپذيري يا به عبارتي نسبت اعداد انتقال نيترات به كلر نيز كه جزء خواص انتقالي غشاها هستند نيز در بازه 52/1-96/0 قرار گرفتند. از ميان غشاهاي ساخته شده، نوع آميندار شده با تري اتيل آمين و نوع دو لايه تهيه شده با تري متيل آمين و تترا متيل هگزان دي آمين به علت گزينشپذيري بالا و همچنين مشخصههاي الكتروشيميايي مناسب براي ارزيابي درون محلي در يك فرايند يون زدايي ظرفيتي انتخاب شدند. در فرايند يون زدايي ظرفيتي غشايي، با استفاده از محلول خوراك فرايند حاوي سديم نيترات بهرهوري جذب نيترات به ميزان %20 نسبت به فرايند يون زدايي ظرفيتي معمولي افزايش يافت. ضمناً ميزان ظرفيت جذب نيترات نسبت به كلر نيز حدوداً 4/1 برابر شد كه بيانگر عملكرد گزينشپذير غشاها در شرايط عملياتي ميباشد. واژه‌هاي كليدي: تصفيه آب، يون‌زدايي ظرفيتي، غشاي تبادل آنيون، پلي‌سولفون، نيترات‌زدايي.

1398/04/11

Selective Removal of Water Pollutants Using Capacitive Deionization

5/20/2020 12:00:00 AM

With its performance at voltages of 1 to 2 volts, as well as the disuse of chemicals, Capacitive Deionization (CDI), is considered as an efficient green electrochemical water treatment technology. Recently an important modification to the process is proposed which adds ion exchange membranes to the corresponding process. Considering the importance of synthesis and modification of capacitive deionization membranes as well as the existence of a research gap on the development of homogeneous nitrate-selective membranes, in this study by firstly preparing 11 polysulfone-based anion exchange membranes with different chloromethylation and amination conditions. By changing the reaction time, in the process of chloromethylation, two kinds of chloromethylated polysulfone with degrees of 83 and 122 were prepared. At the amination step, trimethylamine, triethylamine, and tetramethylhexanediamine were used as aminating and cross-linking agents to investigate the effects of HLB and crosslinking on nitrate selectivity. After preparation of the anion exchange membranes, ex-situ and in-situ analysis were performed. Ex-situ evaluations include HNMR to determine the degrees of chloromethylation, FTIR to confirm amination, FESEM to assure the placement of membrane layers on each other. Furthermore, ion exchange capacity, ionic conductivity, water uptake and transport numbers of nitrate and chloride were also measured by experimental methods. Ion conductivity values which represent the state of electrochemical properties of the membranes were at the range of 1.1-9.5 mS/cm. Meanwhile, values of selectivity which is the ratio of nitrate to chloride transport number were measured to be between 0.96 and 1.52. Among the prepared membranes, due to higher selectivity and other suitable electrochemical properties, the one that was aminated by triethylamine and the double-layer membrane which was aminated by trimethylamine and tetramethylhexanediamine were selected to be investigated by an in-situ analysis in a capacitive deionization module. When using a feed containing sodium nitrate, utilization of these membranes in the capacitive deionization module increased the nitrate removal efficiency by 20% compared to the typical capacitive deionization without membranes. Moreover, the amount of nitrate adsorption was about 1.4 times higher than chloride adsorption which confirms nitrate selectivity at process conditions. Keywords: Water treatment, Capacitive deionization, Anion exchange membrane, Polysulfone, Nitrate removal