26424

بررسي تأثير افزودنيها بر خواص و رفتار غشاءهاي رسي

دكترا

مهندسي مواد و متالورژي- مهندسي مواد

1390

1400/8/1

حميدرضا رضايي - حسين سرپولكي

مهندسي مواد و متالورژي

روشهاي مختلفي براي زدايش فلزات سنگين از آبها و پسابها وجود دارد كه از ميان اين روشها، استفاده از غشاءها بسيار مورد توجه قرار گرفته و كارايي بيشتري نشان داده اند، ولي غشاءهاي نانوفيلتر و اسمز معكوس كه بدين منظور استفاده مي شوند نيازمند فشارهاي كاربردي بالا بوده و هزينه بالايي ايجاد مي كنند. در نتيجه پژوهشگران به ارتقاء فرآيندهاي غشائي متمركز شده اند. غشاءهاي جاذب، با تركيب مزاياي روشهاي جذب و تكنولوژي غشائي، به دليل مزايايي چون كارايي بالا، گذردهي بالا و مصرف انرژي و در نتيجه هزينه پايين توجه زيادي رابه خود جلب كرده اند. در اين زمينه مطالعاتي روي مواد پليمري انجام شده ولي هنوز مطالعات چنداني در زمينه غشاءهاي جاذب سراميكي انجام نشده است. در اين پژوهش، هدف، بررسي تأثير افزودنيها بر خواص و رفتار غشاءهاي رسي، با رويكرد ساخت غشاءهاي جاذب ميكروفيلتر رسي بوده است. بدين منظور، جهت ايجاد خاصيت جذب، از بنتونيت كه هم در حالت خام داراي فازهاي جاذب بوده و هم پس از پخت، فازهاي آلومينوسيليكاتي جاذب ايجاد مي كند در ساخت غشاءها استفاده شد. ابتدا تركيباتي حاوي مخلوط درصدهاي مختلف بنتونيت خام و كلسينه (به منظور كاهش انقباض پخت نمونه ها و نيز افزايش درصد تخلخل آنها) پرس شده و پس از پخت در دماهاي مختلف، خواص آنها مورد بررسي قرار گرفت. مشاهده شد در هر دما، با افزايش درصد بنتونيت كلسينه، ميزان انقباض پخت و چگالي كلّي كاهش، درصد تخلخل و جذب آب افزايش و استحكام خمشي كاهش يافت. با افزايش درصد بنتونيت كلسينه و پخت در دماي C ˚1100، درصد تخلخل هاي باز از % 18/5 تا %35/22 افزايش و ميزان استحكام خمشي از Mpa 33/44 تا MPa 9/05 كاهش يافت كه تركيب نمونه حاوي مخلوط بنتونيت خام و كلسينه با نسبت 2 به 1 (با كد R2C)، پخت شده در دماي C ˚1100، با درصد تخلخلهاي باز % 26/41 و استحكام خمشي Mpa 26/1 به عنوان تركيب بهينه در مرحله اول شناخته شد. جهت افزايش درصد تخلخل در كنار افزايش استحكام و همچنين ايجاد فازهاي كلسيم سيليكاتي و منيزيم سيليكاتي (پيروكسنها) با قابليت جذب بسيار بالاي كاتيونهاي فلزات سنگين، كربناتهاي كلسيم، منيزيم و مخلوط آنها نيز به تركيب بهينه افزوده شدند. پس از پرس و پخت نمونه ها در دماي C˚1100، خواص فيزيكي و مكانيكي آنها مورد بررسي قرار گرفت و مشاهده شد در محدوده قابل قبول براي غشاءهاي ميكروفيلتر قرار دارند (اندازه تخلخل µm 1/4 -0/6، درصد تخلخلهاي باز % 35-32، استحكام خمشي MPa 29-37). همچنين مشاهده شد فازهاي مورد نظر (آنورتيت، ولاستونيت و انستاتيت) تشكيل شده و توزيع مناسبي در نمونه ها دارند. سپس تأثير تركيب نمونه (فازهاي موجود در نمونه ها) و همچنين سرعت عبور آب بر حذف يونهاي كروم سه ظرفيتي در دو محدوده آب آشاميدني (ppm 5) و پساب چرم سازي (ppm 1000) مورد بررسي قرار گرفت و مشاهده شد در حاليكه پس از عبور از نمونه فاقد كربنات (نمونه R2C)، غلظت يونهاي كروم از ppm 1000 به ppm 860 رسيد، نمونه بهينه (نمونه R2C-Ca20) توانست ppm 1000 را تا ppm 0/3 كاهش دهد. همچنين مشاهده شد كه با كاهش سرعت عبور آب، ميزان تصفيه آن افزايش يافت. جهت افزايش قابليت جذب فلزات سنگين توسط اين غشاءهاي ميكروفيلتر، يك لايه كامپوزيت بنتونيت – CMC روي آنها پوشش داده شد و اين پوشش توسط گلوتار آلدهيد پايدار شد. پس از خشك شدن نمونه ها در دماي C˚60، خواص آنها مورد بررسي قرار گرفت. مشاهده شد غشاءهاي ميكروفيلتر جاذب ساخته شده در اين پژوهش، كارايي بسيار بالايي در تصفيه آب و پساب حاوي فلزات سنگين نشان داده و نمونه بهينه (نمونه حاوي 20% كربنات كلسيم) داراي پوشش بهينه (حاوي 10% گلوتارآلدهيد، زمان پوشش دهي 2 دقيقه) توانست آب حاوي ppm 1000 يون Cr3+ (در محدوده پساب دباغي) و نيز آب حاوي ppm 1000 از هر يك از يونهاي Cr3+، Zn2+ و Ni2+ (در مجموع ppm 3000 آلاينده (مشابه تركيب پساب آبكاري) را در حد نزديك به آب ديونيزه تصفيه كند.

1401/02/12

Studying the Effect of Additives on the Properties and Behavior of Clay Membranes

10/23/2022 12:00:00 AM

There are different ways to remove heavy metal ions from water; among these ways, memranes have attracted many attention and showed better results, but nanofiltration and reverse osmosis membranes which are used for this purpose need high applied pressures and though cause high cost. Though, researchers are concentrated on modifying the membrane technology. Adsorptive membranes have attracted many attentions because of gathering the advantages of adsorption and membrane technology. They show high efficiency, high permeability, low energy consumption and so low cost. Many researches have been done on polymeric adsorptive membranes but not on ceramic ones. In this research, the goal was to study the effect of additives on the properties of clay membranes inorder to synthesize adsorptive microfiltration clay membranes. Though, bentonite was used due to the adsorptive aluminosilicate phases formed in bentonite bodies after firing. At first, different mixtures of raw and calcined bentonite were pressed and fired at different temperatures and their properties were studied. It was seen that in each temperature, the increase in the amount of calcined bentonite caused the shrinkage and bulk density to decrease, the porosity and water adsorption to increase and the flexural strength to decrease. It means that for example after firing the samples at 1100˚C, by increasing the amount of calcined bentonite from 0 to 100%, the percentage of open porosities increased from 18.5% to 33.5% and the flexural strength decreased from 33.44 MPa to 9.05 MPa. So, the mixture of 33% of calcined bentonite and 66% of raw bentonite, fired at 1100˚C, with 26.4% of open porosities percentage and flexural strength of 26.1 Mpa, was known as the optimum composition at the first step. Calcium and magnesium carbonates were also used to simultaneousely increase the porosity and the mechanical strength besides forming adsorptive calcium and magnesium silicate phases (pyroxenes). After pressing the samples with hydraulic press and firing them at 1100˚C, their physical and mechanical properties were verified and it was seen that they were in the proper range of microfilteration membranes (i. e. the mean size of the porosities, the apparent porosities percentage and the flexural strength were in the range of 0.6-1.4 µm, 32-35% and 29-37 MPa, respectively). It was also seen that the desireble phases (i. e. anorthite, wollastonite and enstathite) were formed in the samples and were well distributed. Then the efect of the composition of the samples and also the rate of water passage on the adsorption of Cr3+ ions were verified in two different ranges (i. e. drinking water range and tannery effluent range) and it was seen that while the free carbonate sample (i. e. sample R2C) could reduce the Cr3+ ions concentration from 1000 ppm to 860 ppm, the optimum sample reduced them from 1000 ppm to 0.3 ppm. It was also seen that by decreasing the water passage rate, the water was better treated. Inorder to increase the adsorption tendency of these membranes, a bentonite-CMC layer was coated on them and the coating was stabilized with glutaraldehyde and dried at 60˚C. Then the ability of the coated and non-coated samples in Cr3+ removal from water in three different water flows and two ranges of Cr3+ ions (Drinking water range (5 ppm) and tannery effluent range (1000 ppm)) and also in treatment of high polluted water (including Cr3+, Zn2+ and Ni2+ ions, 1000 ppm of each ion) was studied and it was seen that the potimum sample (named R2C-Ca20-10%) treated the high polluted water near to gain deionized water.

Fateme Kashaniniya

Dr. Hamid reza Rezaei