تبلیغات
chemistry - کاربرد غشا در صنعت


Admin Logo
themebox Logo


نویسنده :bati .
تاریخ:شنبه 23 دی 1391-11:02 ب.ظ

کاربرد غشا در صنعت


فناوری غشایی و کاربرد آن در جدا سازی گاز

فناوری غشایی و کاربرد آن در جدا سازی گاز

فرایند جداسازی غشائی

توجه ی كه در دهه‌های اخیر به صرفه‌جویی در میزان مصرف انرژی صنایع معطوف شده، در مهندسی شیمی نیز جایگاه ویژه‌ای یافته است. در فرایندهای جداسازی، این انگیزه در طراحی فرایندها تقویت شده است كه تا حد امكان از تشكیل فاز دوم در جداسازی اجتناب شود تا به این صورت در مصرف انرژی تا حد امكان, صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای به عمل آید. بدین ترتیب توجه به گروهی از فرایندها معطوف گردیده كه جداسازی را بدون تغییر فاز انجام می‌دهند.

امروزه فرآیند جداسازی غشایی، كاربردهای فراوانی را در صنایع مختلف از جمله نفت، گاز و پتروشیمی یافته است. در این فرآیند از غشاهایی استفاده می شود كه با عبور دادن برخی از مولكول های خوراك و نگاه داشتن سایر مولكول ها، جداسازی را انجام می‌دهند. برای استفاده در مقیاس صنعتی، این غشاها در بسته‌هایی خاص مورد استفاده قرار می گیرند كه در اصطلاح مدول نامیده می شوند. هر مدول حاوی مقدار معینی از غشاء است كه با آرایشی خاص قرار گرفته اند و كانال‌های مشخصی برای عبور خوراك و خروج اجزای باقیمانده و عبور كرده از غشاء دارد.

2-2- انواع فرایندهای غشائی:

فرایندهای جداسازی توسط غشاها بسته به نوع جداسازی مورد نظر, انواع متنوعی دارند اما در همه آنها وجه مشترك, وجود غشائی است كه عامل جلوگیری از مخلوط شدن دو فاز با یكدیگر است. انواع این فرآیندها عبارتند از :

1-      فرایندهای گاز - گاز: فرایند تراوش گاز

2-    فرایندهای مایع - گاز: تراوش تبخیری

3-   فرایندهای مایع – مایع : دیالیز ، الكترودیالیز ، اسمزمعكوس ، نانوفیلتراسیون ، اولترافیلتراسیون و میكروفیلتراسیون

3-2- مزایای تكنولوژی غشائی:

·         مصرف انرژی كمتر

·         انجام جداسازی بدون نیاز به مصرف مواد شیمیایی

·         انجام جداسازی در دمای محیط

·         حجم و وزن كم تجهیزات جداسازی

·         نصب و عملیات ساده      

·         حداقل نیاز به كنترل، بازرسی و تعمیر و نگهداری

·         سهولت دستیابی و امكان استفاده از فازهای جداشده

·         انعطاف‌پذیری بالای فرآیند

4-2- جداسازی گاز توسط تكنولوژی غشایی

عمده ترین متقاضیان تحقیقات در زمینه جداسازی غشایی گازها در كشور، صنایع نفت، گاز و پتروشیمی هستند. این صنایع فناوری جداسازی غشایی گازها را برای بازیافت هیدروژن، هیدروكربن ها، شیرین سازی گازهای ترش، جداسازی هوا و تولید نیتروژن، نم زدایی و جداسازی هلیوم مورد استفاده قرار می دهند.

چنانچه هدف نهایی از تحقیقات در زمینه فناوری غشایی، دستیابی فناوری بومی غشایی باشد، این هدف در حركت در دو مسیر موازی قابل تحقق خواهد بود. مسیر نخست شامل تحقیقات به منظور دستیابی به فناوری ساخت غشاهای مورد نیاز و مسیر دوم شامل انتقال فناوری كاربرد غشاها به صنعت نفت بر مبنای غشاهای موجود خارجی است كه با اهداف بهره مند ساختن صنعت از مزایای این فرایندها و نیز فراهم ساختن فرصتی به منظور بومی ساختن فناوری كاربرد غشاها مورد توجه قرار دارد.

تحقیقات در زمینه فناوری ساخت غشا، هنگامی به نتیجه نهایی خواهد رسید كه بر اساس یك برنامه ریزی جامع و با حمایت و نظارت مراكز اصلی تحقیق و توسعه شركتهای تابعه وزارت نفت صورت گیرد. بهترین مجریان این تحقیقات در فازهای نخست این برنامه، دانشگاهها و در فازهای نهایی، بخش خصوصی خواهند بود.

دو مسیر فناوری ساخت و فناوری كاربرد غشا، پس از بلوغ، قابل تلفیق با یكدیگر خواهند بود و می توان در آینده به جای غشاهای خارجی، غشاهای ساخت داخل را جایگزین كرد و به هدف نهایی این تحقیقات نزدیك شد.

 عمر غشاها را در فرایند جدا سازی گازها در صورت عبور خوراك تمیز بیش از 10 سال

می باشد و مصرف كم انرژی برای جداسازی، سادگی فرایند و حجم و وزن كم تجهیزات از مزایای این تكنولوژی است كه در مناطق دور افتاده كه امكان حضور تمام وقت نیروی انسانی وجود ندارد، می توان با استفاده از این تكنولوژی بدون نیاز به حضور انسان و یا با حداقل نیروی انسانی بر عملكرد فرایند نظارت كرد.

غشاها بنا بر كاربردهایی كه دارند ساخته می شوند ، از غشاهای جدا سازی گاز می توان در مواردی مانند بازیافت هیدروژن در پالایشگاهها ، بازیافت مونومر در واحدهای پلی اولفین، بازیافت بخارات بنزین در انبارها و جایگاههای سوخت رسانی، ‌خالص سازی و استفاده مجدد از گازهای تزریقی به چاه در ازدیاد برداشت از چاهای نفت و گازEOR و كاربردهای دیگر با ارزش افزوده بالا نیز استفاده كرد.

در سكوهای نفتی كه وزن تاسیسات حائز اهمیت است، سبك و كم حجم بودن تجهیزات این تكنولوژی یكی از مزایای مهم آن به شمار می رود.

بالا بودن ریسك سرمایه گذاری یكی از موانع اصلی برای صنعتی كردن و تولید انبوه غشاها در ایران بوده است، سرمایه گذاری برای این امر منوط به وجود بازارهای داخلی است. استفاده از غشاها در بعضی از فرایندهای جدا سازی مانند شیرین سازی آب كه در سطح وسیعی انجام می شود ممكن است توجیه اقتصادی برای سرمایه گذاری در این حوزه داشته باشد.

 پژوهشگاه صنعت نفت در برخی از فرایندهای غشایی تمركز تحقیقاتی خود را بر روی ساخت غشاها قرار داده است و در برخی از كاربردها در جهت دستیابی به تكنولوژی فرایند غشایی متمركز است.

5-2- تحقیقات غشائی در پ‍ژوهشگاه صنعت نفت:

طرح غشاء در پژوهشگاه صنعت نفت، سه بخش زیر از تكنولوژی غشایی را پوشش خواهد داد:

* جداسازی گازها با استفاده از تكنولوژی غشایی با تمركز بر شیرین سازی گازهای ترش

*  بكارگیری و توسعه فرایند غشایی Pervaporation برای جداسازی برش­های نفتی و دستیابی به برش­ها و حلال­های با ارزش

* توسعه كاربرد تكنولوژی غشاء برای تصفیه پساب‌های حاوی مواد آلی
 

امكانPervaporation  برای جداسازی گروه­های مختلف (آلیفاتیك ها از آروماتیك ها و الفین ها از پارافین ها) در برش­های نفتی و همچنین آب از الكلها و تركیبات آروماتیك و امكان سنجی كاربرد غشاء درتصفیه پسابهای بخش های مختلف صنعت نفت به خصوص واحدهای بهره برداری، از جمله فعالیت های مهم بخش­های سه گانه این طرح می باشد.


شبیه‌سازی فرایند:

طراحی واحدهای غشایی برای جداسازی گازها نیازمند به نرم‌افزاری است كه قادر به شبیه‌سازی رفتار یك مدول غشایی باشد. این نرم‌افزار باید بتواند با دریافت مشخصات خوراك ورودی و غشاء، مشخصات جریان‌های خروجی از غشاء را پیش‌بینی نماید. با توجه به اینكه در حال حاضر نرم افزارهای عمومی شبیه‌سازی مهندسی شیمی مانند  HYSYS و  Aspen قادر به شبیه‌سازی مدول‌های غشایی نیستند، اغلب شركت‌های فعال در عرصه این تكنولوژی، اقدام به تهیه نرم‌افزارهایی داخلی برای رفع نیازهای خود می‌نمایند. پژوهشگاه صنعت نفت، توسعه تكنولوژی غشایی برای جداسازی گازها را به عنوان یكی از اهداف خود برگزیده‌است. در این راستا، نرم افزار MEMSIM (Membrane Simulator) برای پاسخ‌گویی به نیازهای طراحی و تحلیل واحدهای غشایی، توسط محققین پژوهشكده‌های گاز و مهندسی فرآیند، توسعه داده شد و مورد بهره برداری قرار گرفت. این نرم افزار قادر است انواع الگوهای جریان را در مدول‌های الیافی غشایی شبیه‌سازی نموده و اطلاعات جریان‌های خروجی از واحد غشایی را در اختیار كاربر قرار دهد.

 

پروژه‌های جاری:

1.      جداسازی بنزن از هیدروكربن‌های آلیفاتیك شش كربنه توسط فرایند تراوش تبخیری

2.      مطالعه تجربی تصفیه پساب در سیستم‌های تركیبی غشاء

3.      ساخت و ارزیابی غشاهای كربنی به منظور جداسازی گازها

 

6-2- چالشهای تحقیقات کشور در زمینه فناوری جداسازی غشایی  گازها 

 فرایندهای جداسازی غشایی  از دهه 1960  کاربردهای  صنعتی  یافتند  و برخی  از آنها  مانند  جدا سازی گازها توسط غشاء عمری  کمتر  و در حدود 25 سال  دارند  در خلال  این دروه  زمانی این فرآیند ها کاربردهای  متنوعی  در صنایع یافته  و رشد  چشمگیری در بازار  فروش  بدست  آورده اند  . به عنوان  مثال ، متوسط  رشد سالیانه  بازار  فروش فرآیندهای  غشایی در فاصله  زمانی سالهای 1997 تا 2001  در امریکا 8% بوده است  . این روند که آینده روشنی را برای فرایندهای این فناوری نوید می دهد ، عمدتاً  به دلیل مزایای ویژه  فرآیندهای این  فناوری  در مقایسه  با سایر روشهای کلاسیک نظیر جذب با حلال ، جذب سطحی ، فرایندهای cryogenic و ... می باشد.

 

فرآیندهای غشایی  در خلال دو دهه گذشته  کاربردهای  متنوعی در صنایع  نفت  ، گاز  و پتروشیمی  یافته  اند  امروزه علاوه  بر استفاده  از این فناوری  جهت تصفیه  آب  و پساب  در این  صنایع ، در فرآیند  تولید  و پالایش  مواد نیز  جذابیت زیادی پیدا کرده  و قابل  رقابت  با روشهای  کلاسیک  جداسازی  می باشد . مهمترین  زمینه های رقابت فناوری غشایی با فرایندهای کلاسیک در صنعت نفت عبارتند از :

- شیرین سازی گاز ترش (حذفH2S,CO2  از گاز  طبیعی )

- بازیافت و خالص سازی هیدروژن  از جریانهای گازی نظیر بازیافت  هیدروژن  از گازهای خروجی  واحدهای واحدهای  پلایشگاهی نظیر  هیدروکارکر،  هیدروتر، FCC و...

- بازیافت هیدروژن  از گازهای خروجی  واحدهای  تولید آمونیاک

- تنظیم نسبت H2/CO  در گاز  سنتز  به منظور  استفاده  در انواع  فرایندهای تبدیلات  گازی

- حذف بخار آب  از گاز طبیعی  و سایر  جریانهای گازی

- بازیافت  و جداسازی  هیدروکربن های سنگین  از جریان گاز طبیعی  و سایر  جریانهای گازی

- تولید نیتزوژن  از هوا

- تولید هوای غنی از اکسیژن

یکی دیگر  از زمینه هایی که در خلال سالهای اخیر  به شدت  مورد توجه  قرار گرفته  است   راکتور های  غشایی  هستند که با انجام  همزمان  واکنش  شیمیایی و جداسازی ، بسیاری  از محدودیتهای  فرآیندهای کلاسیک را مرتفع  می کنند . بخش قابل توجهی  از تحقیقات در زمینه راکتورهای غشایی ، مرتبط  با واکنش های  تبدیلات  گازی و نیز  سایر تبدیلات شیمیایی  در صنایع پتروشیمی  و پالایش  نفت  می باشد  . چنانچه  این تحقیقات  به نتایج  مطمئنی جهت استفاده  در مقیاس  صنعتی  دست یابد ، آینده  بسیاری  از فرآیندها را در صنعت  نفت  ، گاز  و پتروشیمی  تحت تاثیر خود قرار خواهد داد . به این دلایل ، لزوم همگامی بخش تحقیقات کشور ما با تحقیقات  جاری در دنیا در این زمینه کاملاً محسوس است .

 تحقیقات  در زمینه فناوری  جدا سازی  غشایی گازها در داخل  کشور

آنچه  از آن  به عنوان  فناوری غشایی یاد می شود ، شامل  مجموعه ای  از فرایندها است  که مهمترین  آنها عبارتند  از :

میکرو فیلتراسیون  ، اولتر  فیلتراسیون ، نانو  فیلتراسیون ، اسمز  معکوس ، تراوش تبخیری ، دیالیز ، الکترو دیالیز ، نفوذ گاز ، تراوش گاز ، غشاهای مایع ، تماس دهنده های غشایی و  راکتورهای  غشایی . در  هر یک  از این  فرایندها  میتوان  محورهای کلی ذیل  را برای تحقیقات  ملاخظه  نمود  :

-توسعه غشاهای جدید (بکاربردن مواد جدید برای ساخت غشاء، بهبودغشاهای موجود

- توسعه کاربرد غشاهای موجود ( طراحی فرآیند ، پیش تصفیه ، مطالعات – امکان سنجی و بررسی ها ی اقتصادی و....

بررسی های تئوری مکانسیم جداسازی توسط غشاء

- مدلسازی و شبیه سازی فرآیند غشایی

- حل مسائل  فرآیندی مرتبط ( گرفتگی  غشاها ، روشهای شستشوو...)

در ارتباط  با ساخت  غشاهای جدید ، تحقیقات  در هر یک از گروههای مواد پلیمری، فلزات و مواد سرامیکی صورت می گیرد . امروزه  استفاده  از فناوری نانو نیز برای ساخت غشاها توجه بسیاری را به خود  معطوف  نموده  است  در این حوزه  وسیع از پژوهشهای غشایی ، مهمترین چیزی که به تحقیقات  جهت  می دهد ، بودجه  پژوهش  است که توسط  متقاضیان پژوهش  تامین  می شود .  در حال  حاضر در کشور ما فناوری  غشایی  برای جداسازی مایعات بکار گرفته  شده است  . شیرین سازی آب توسط  فرآیند اسمز معکوس ، دیالیز  خون توسط فرآیند دیالیز  و تغلیظ شیر و تولید پنیر  به کمک  فرآیند  اولترا فیلتر اسیون ، از جمله  مهمترین  مصارف  این فناوری در کشور ما هستند . بنابراین متقاضیان تحقیقات  در زمینه فناوری  غشایی در حوزه جداسازی مایعات به نسبت متنوع بوده  و شامل  صنایع  تصفیه آب و پساب ، صنایع پزشکی ، صنایع غذایی و لبنی ، صنایع فلزی و خودرو و .... می شوند .

 در حوزه  جدا سازی  گازها  توسط  غشاء ،  روند  دیگری حاکم  است .  از یک  سو این فناوری در کشور ما به جز چند مورد محدود ، تاکنون مورد استفاده  قرار نگرفته  است .  از سوی  دیگر مصرف  کننده عمده این فناوری  تقریباً به صنایع  نفت ، گاز و پتروشیمی  محدود می شود . در این صنایع ، فناوری  غشایی پتانسیل های فراوانی برای کاربرد  دارد . در صنعت پالایش  نفت ، از این  فناوری  برای بازیافت هیدروژن  از جریانهای خروجی  واحدهای شکست هیدروکربن های سنگین ، بازیافت هیدروکربن های با ارزش ( نظیر LPG)  از جریان های ارسالی  به فلز  استفاده  شده است . در صنعت  پالایش گاز ، فناوری غشایی برای شیرین سازی گازهای ترش ، نم زدایی ، بازیافت هیدروکربنها و تنظیم  نقطه  شبنم گاز و و همچنین  جداسازی  هلیوم استفاده شده است . همچنین  صنعت پتروشیمی  از این فناوری برای بازیافت  هیدروژن  خروجی  از واحدهای  آمونیاک ، تنظیم نسبت هیدوژن به منوکسید کربن در گاز سنتز و بازیافت انواع مونومرها نظیر اتیلن ، پروپیلن  و کلرید  وینیل  از جریانهای خروجی واحدهای پلیمریزاسیون استفاده کرده است . تولید نیتروژن  از هوا  از جمله کاربردهای  عمومی این فناوری در صنعت  نفت ، گاز و  پتروشیمی  بوده و در تمامی  مواردیکه  به ایجاد محیط بی اثر توسط گاز نیتروژن  نیاز است، این فناوری  کاربرد  خواهد داشت .

بنابراین ، کارفرمایان پروژه  های تحقیقاتی غشایی ، شرکت ملی نفت ، شرکت کلی پالایش  و پخش ، شرکت ملی گاز و شرکت ملی پتروشیمی  خواهند  بود که در قالب  امور تحقیق و توسعه شرکت های فوق ( اصلی و یا شرکتهای تابعه ) و یا بخش های تحقیق و توسعه پلایشگاه ها  و مجتمع ها متقاضی  تحقیقات  در این حوزه هستند .

 مجریان پروژه های تحقیقاتی نیز دانشگاهها ، مراکز تحقیقاتی (نظیر پژوهشگاه صنعت نفت) و شرکتهای خصوصی هستند. انجام پروژه های تحقیقاتی در این حوزه  برای مجریان آنها  دشواری های خاصی در بر دارد . معمولا نحقیق  در این  حوزه  نیاز  به بودجه تحقیقاتی بالایی  دارد  .

چرا که هزینه سیستم های آزمایشگاهی و آنالیز در این تحقیقات ، به نسبت بالا است . آنالیز  دقیق و مطمئن  نمونه های گازها  از جمله  دشواری های  این نوع  تحقیقات  به شمار می آید . همچنین  با توجه به اینکه در این تحقیقات  از گازهای قابل اشتعال ( مانند هیدروژن و متان ) و یا  بسیارسمی ( مانند سولفید هیدوژن) در فشار بالا استفاده می شود ، خطرات تحقیقات  تجربی  در این حوزه را نیز باید  به فهرست  دشواری های مجریان افزود .

7-2- چالش های پیش رو در كاربرد غشاها برای جداسازی گاز

اگرچه استفاده از فناوری غشایی نسبت به فرایندهای مختلف جداسازی مزایای زیادی دارد، اما این فناوری نیز محدودیت های خاص خود را  دارد. برای روشنتر شدن این موضوع،

 می توان غشاها را به دو صورت تقسیم بندی كرد:

1-  از نظر ساختار: غشاهای متخلخل و چگال

2- از نظر جنس: غشاهای آلی (پلیمری) و غیرآلی

غشاهای متخلخل نفوذپذیری بالا اما گزینش پذیری پایین دارند ؛ از طرف دیگر غشاهای چگال ، گزینش پذیری بالا و نفوذپذیری پایینی دارند. غشاهای متخلخل را می‌توان در فرایندهای اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون استفاده کرد و غشاهای غیرمتخلخل (چگال) را می‌توان در فرایندهای جداسازی گازها و تراوش تبخیری به‌کار برد. دلیل این تقسیم‌بندی، نیاز متفاوت برای استفاده از پلیمرها به‌عنوان غشا می‌باشد. بازدهی غشاهای پلیمری با زمان كاهش می یابد كه دلیل آن گرفتگی، تراكم، تخریب شیمیایی و ناپایداری حرارتی است . بدلیل این محدودیت در پایداری حرارتی و امكان فرسایش و تخریب شیمیایی، غشاهای پلیمری در فرایندهای جداسازی گازهای فعال (از نظر شیمیایی ) و داغ استفاده نمی شوند.  اما ساخت اینگونه غشاها در مقیاس بزرگ، آسا نتر و كم هزینه تر است. غشاهای غیرآلی علاوه بر دارا بودن پایداری شیمیایی و حرارتی مناسب، قابلیت عبور شار بیشتری از گاز را در مقایسه با غشاهای پلیمری دارند. غشاهای غیرآلی قادر به تأمین گزینش پذیری و نفوذپذیری به میزان پنج تا ده برابر بزرگتر از مواد پلیمری متداول هستند. اما از طرف دیگر ساخت غشاهای غیرآلی در مقیاس بزرگ مشكل و بسیار پرهزینه است .

علاوه بر این در اكثر غشاهای موجود ، نفوذپذیری و گزینش پذیری با یكدیگر رابطه عكس دارند، بطوری كه با افزایش یكی، دیگری كاهش می یابد.

در جدول (2-1) لیستی از پلیمرهایی که در غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند ارائه شده‌است. همچنین در جدول (2-۲) لیستی از پلیمرهای مصرفی در ساخت غشاهای جداسازی گاز آورده شده‌است .

جدول (۱-2): مواد پلیمری مورد استفاده در غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون

پلی کربنات

پلی وینیلیدن- فلوئورید

پلی تترا فلوئورو اتیلن

پلی پروپیلن

پلی آمید

استرهای سلولزی

پلی سولفون

پلی اتر آمید

پلی اتر اتر کتون

جدول (2-۲): مواد پلیمری مورد استفاده در غشاهای جداسازی گازها

پلی سولفون و پلی اتر سولفون

استات سلولز

پلی آمید و پلی اتر آمید

پلی کربنات (برم‌دار شده)

پلی فنیلن اکسید

پلی متیل پنتین

پلی دی متیل سیلوکسان

پلی وینیل تری متیل سیلان

 

 

غشاهای متخلخل

در غشاهای متخلخل، بحث غشاهای نانومتخلخل (NF)مطرح است كه برای جداسازی تركیبات مختلف گازی، مثل جداسازی متان از دی اكسید كربن استفاده می شوند. اما چون این موضوع حتی قبل از مطرح شدن كاربرد فناوری نانو در صنعت غشا، مورد توجه محققان بوده است در اینجا بیش از این مطرح نمی شود.  همچنین شاید بتوان گفت، با توجه به حوزه فعالیت نانو كه بین 1 تا 100 nmتعریف شده است، غشاهای اولترافیلتراسیون(UF) كه حفره هایی بین 2 تا 100 nm دارند، نسبت به غشاهای NFكه اندازه حفره های آنها كمتر از 10 انگستروم است، بیشتر با حوزه فناوری نانو هم خوانی دارند.

 

-       غشاهای كامپوزیتی

همانطور كه در شكل (1-2) مشاهده م یشود، فناوری نانو بیشترین كاربرد را در این قسمت دارد. بطور كلی این كاربردها را می توان به سه بخش تقسیم بندی كرد:

-1 رشد دادن نانوذرات روی سطح غشا

-2 توزیع نانوذرات در داخل شبكه پلیمری غشا

-3 نشاندن لایه پلیمری، چگال و بسیار نازك با ضخامت نانومتری روی سطح یك زیرلایه

 - رشد دادن نانوذرات روی سطح غشا

در این حالت با استفاده از رو شهای مختلف، نانوذرات ( فلزی، اكسید فلزی ) را روی سطح غشاى متخلخل یا چگال رشد می دهند و لایه ای نازك روی سطح آن بوجود می آورند. از جمله كاربردهای این روش می توان به موارد زیر اشاره كرد:

-1 حل مشكل گرفتگی بیولوژیكی در غشاهای مختلف ( مثل غشاهای پلی آمیدی) با رشد دادن نانوذرات  TiO2روی آن ها

-2 كاهش عبور متانول (با حفظ قابلیت هدایت غشا برای عبور هیدروژن) در غشاهای مورد استفاده در پی لهای سوختی DMFC ، با رشد دادن نانوذرات Pdروی سطح غشا

این روش در بحث جداسازی گاز به روش غشائی، كاربرد ندارد.

-       توزیع نانوذرات در داخل شبكه پلیمری غشا

از اضافه كردن نانوذرات به پلیمر، می توان برای بهینه سازی یا افزایش خواص الكتریكی، نوری، كاتالیستی و مكانیكی پلیمرها استفاده كرد. با اضافه كردن نانوذرات به پلیمرها می توان غشاهای فعالی ساخت كه خاصیت كاتالیستی و جداسازی را بطور همزمان داشته باشند .

مساحت سطح نانوذرات، 2 تا 4 برابر بیشتر از اغلب ذرات میكرونی است . به منظور استفاده از این سطح زیاد در شبكه پلیمری، باید این ذرات به خوبی در داخل شبكه توزیع شوند. اغلب نانوذرات غیرآلی معمولاً قبل از توزیع شدن، تجمع پیدا می كنند. چون این نانوذرات به

شدت به یكدیگر می چسبند، بسیار مشكل است كه آ نها را از یكدیگر جدا ساخت و بطور یكنواخت در داخل شبكه پلیمری توزیع كرد.

رو شهای متداول مورد استفاده برای توزیع نانوذرات در داخل شبكه پلیمری عبارتند از:

-1 روش مخلوط كردن مستقیم(Direct blending)

-2 روش بسپارش درجا (In situ polymerization)

-3 روش تزریقی (Infusion)

روش اول را می توان در حالت مذاب یا در محلول انجام داد. در این روش غشاى موجود را در یك حلال حل و یا ذوب می كنند ، سپس محلول حاوی نانوذرات را به این محلول اضافه می كنند و پس از مخلوط كردن، قال بریزی و خشك كردن، غشا نانوكامپوزینی به دست می آید. در این حالت، توزیع ذرات به میزان زیادی به نیروی برشی بین ذره و ماده مذاب یا محلول پلیمری بستگی دارد. اگرچه این روش نسبتاً آسان است اما در اغلب موارد توزیع مناسبی از نانوذرات به دست نمی آید. اصلاح شیمیایی(chemical treatment) بر روی نانوذرات برای افزایش سازگاری آنها با پلیمر آب گریز، تا حدی می تواند باعث بهبود توزیع آنها شود.

در روش دوم، محلول حاوی تكپار و محلول حاوی نانوذرات با یكدیگر مخلوط شده و ضمن فرایند بسپارش، نانوذرات در داخل شبكه پلیمری توزیع می شوند . در این روش توزیع مناسبتری از نانوذرات در داخل شبكه پلیمری بدست می آید. با این وجود، این روش برای فرایندهای بسپارش خاصی مورد استفاده قرار می گیرد.

روش سوم به تازگی به كار گرفته می شود.  در این حالت از حجم آزاد طبیعی موجود در پلیمر جامد برای به دست آوردن توزیعی از نانوذرات از اضافه كردن نانوذرات به پلیمر، می توان برای بهینه سازی یا افزایش خواص الكتریكی، نوری، كاتالیستی و مكانیكی پلیمرها استفاده كرد. با اضافه كردن نانوذرات به پلیمرها می توان غشاهای فعالی ساخت كه خاصیت

كاتالیستی و جداسازی را بطور همزمان داشته باشند .

فلزی و اكسید فلزی (غیرآلی) در داخل آن استفاده می شود. در این حالت، پلیمر جامد تحت خلأ قرار می گیرد و ماد های فرار به داخل حجم خالی خلأ شده، تزریق می شود. تغییرات حرارتی و شیمیایی متوالی بر روی این ماده، منجر به تولید نانوذرات مجزا می گردد. چون اغلب فلزات قابل تبخیر هستند، از این روش می توان برای بسیاری از فلزات و اكسیدهای فلزی استفاده كرد. این روش را می توان برای مواد آلی هم به كار برد. برای مثال، تكپارهایی مثل استایرن را می توان به داخل حجم خالی پلیمر تزریق كرد تا در آنجا پلیمره شوند. چرخه

تزریق را می توان آنقدر تكرار كرد تا غلظت نانوذرات افزایش یابد و به حد مطلوب برسد .

مطالعات زیادی درمورد این دسته از غشاها انجام شده است.

شكل 2- اثر مقدار نانوذرات بر گزین شپذیری و نفوذپذیری

برای مثال در تحقیق صورت گرفته توسط Jeong، و همكارانش ماده معدنی آلومینوفسفات با خاصیت غربال مولكولی و شبكه ای متخلخل، به عنوان یك فاز گزینش پذیر در داخل غشاى پلی آمید توزیع شده است. نتایج این آزمایش ( در K 308 وatm 4 ) نشان می دهد كه گزینش پذیری دی اكسید كربن نسبت به متان برای غشاى نانوكامپوزیتی، 40/9 بوده در حالی كه برای غشاى اولیه، این مقدار تنها 13/4 بوده است .

از جمله پركننده هایی كه اخیراً برای جداسازی گاز مورد توجه قرار گرفته است، نانولوله های كربنی است.  نتایج شبیه سازی نشان می دهد كه خواص نفوذپذیری گازهای ساده (simple gases)  مثل  H2در نانولوله های كربنی بیانگر این است كه این مواد می توانند یك پركننده مناسب برای شبكه پلیمری باشند و برای تولید غشاهای با شبكه تركیبی مورد استفاده قرار بگیرند. برای مثال در مطالعه ای نشان داده شده است كه با افزایش نانولوله های كربنی به غشا، نفوذپذیری افزایش می یابد.

این افزایش به دلیل وجود تونل های با نفوذپذیری بالا در نانولوله های كربنی است. البته در برخی موارد به دلیل چسبندگی زیاد نانولوله های كربنی با شبكه پلیمری، غشاى حاصل بدون نقص(defect free) است و نفوذپذیری كمتر می شود .

-       نشاندن یك لایه بسیار نازك غشائی روی سطح یك زیرلایه (غشاى نامتقارن)

سال های زیادی است كه نشاندن لایه های نازك (thin layers) روی سطح یك زیرلایه، مورد توجه محققان است. یكی از متداولترین این كارها، نشاندن یك لایه نازك پلیمری چگال روی سطح یك غشا متخلخل است . مزیت این غشاى تركیبی این است كه لایه نازك چگال ، دارای گزینش پذیری بالاست و زیرلایه متخلخل ، نفوذپذیری زیادی دارد. ضخامت این لایه نازك در حدود میكرومتر(um) است.

در سال های اخیر تولید غشاهای بسیار نازك (membranes ultrathin) با ضخامت نانومتری و نشاندن آنها روی سطوح مختلف بسیار مورد توجه بوده است. از فیلم های پلیمری بسیار نازك برای كاربردهای مختلف استفاده می شود. اغلب این فیلم ها در ابزارهای نوری-الكتریكی (electro-optical) سنسورها و یا به عنوان غشا ، مورد استفاده قرار می گیرند.

در این موارد، به دو صورت فیلم نازك روی سطح زیرلایه قرار می گیرد . در اغلب آ نها فیلم نازك بطور مستقیم و از طریق فاز بخار، محلول یا بسپارش یك تكپار تولید و روی زیرلایه قرار می گیرد، اما در برخی موارد نیز، ابتدا فیلم نازك تولید و سپس روی زیرلایه مستقرد   می شود.

نتایج شبیه سازی نشان م یدهد كه خواص نفوذپذیری گازهای ساده (simple gases) مثل H2 در نانولوله های كربنی بیانگر این است كه این مواد می توانند یك پركننده مناسب برای شبكه پلیمری باشند و برای تولید غشاهای با شبكه تركیبی مورد استفاده قرار بگیرند .

برای یك غشاى مشخص، با كاهش ضخامت و بدون نیاز به افزایش فشار می توان شار عبوری را افزایش داد و به این ترتیب در مصرف انرژی صرفه جویی كرد .

برای جداسازی گاز، معمولاً غشاهای چگال با ضخامت میكرونی به كار می رود كه اختلاف در انحلال و نفوذ گازهای مختلف از آن، منجر به جداسازی تركیبات م یشود. این جداسازی به جنس و ساختار غشا بستگی دارد. در حالی كه مقدار نفوذ و گزین شپذیری، مستقل از فشار است، شار عبوری از غشا می تواند با افزایش فشار یا كاهش ضخامت غشا افزایش یابد. بنابراین برای یك غشاى مشخص، با كاهش ضخامت و بدون نیاز به افزایش فشار می توان شار عبوری را افزایش داد و به این ترتیب در مصرف انرژی صرفه جویی كرد .

علاوه بر رو شهای گفته شده، روش جدید دیگری نیز وجود دارد كه عبارت است از قال بریزی یك محلول پلیمری روی سطح آب.

در این روش با چكاندن چند قطره از محلول پلیمری روی سطح (و پخش شدن آن روی سطح بر اساس اصل رسیدن به حداقل انرژی) و پس از تبخیر حلال و یا انحلال آن در آب، لایه ای نازك از غشا روی سطح آب تشكیل می شود كه بعد به روی سطح یك زیرلایه منتقل

می شود .

بنابراین به منظور داشتن غشاهایی با شار زیاد و نفوذپذیرى مناسب، باید از غشاهایی با گزین شپذیری بالا، چگال و ضخامت كمتر استفاده كرد.






 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
نظرات پس از تایید نشان داده خواهند شد.