عنوان پایان‌نامه
سنتز غشای دو لایه با استفاده از روش الکترواسپینینگ جهت استفاده در تقطیر غشایی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندهای جداسازی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه کاسپین شماره ثبت: K68;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 80934;کتابخانه کاسپین شماره ثبت: K68;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 80934
- تاریخ دفاع
- ۱۳ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- علی حاتم نژاد
- استاد راهنما
- سید حامد موسوی
- چکیده
- هدف این پژوهش ساخت غشاهای دولایه نانولیفی بهینه به روش الکتروریسی جهت استفاده در عملیات نمک زدایی به وسیله فرآیند تقطیر غشائی می باشد. غشاهای نانولیفی تک لایه و دولایه که ترکیبی هستند از یک لایه ی گزینش پذیر از جنس پلیمر آب گریز پلی وینیلیدن فلوراید-هگزافلوئورو پروپیلن (PVDF-HFP) به همراه دو لایه نگهدارنده مختلف از جنس پلیمرهای آب دوست PAN یا Nylon6، در ضخامت های مختلف ساخته شدند. یک مطالعه به منظور بررسی اثرات غلظت پلیمر PVDF-HFP بر روی ویژگی های نانوالیاف تولید شده به همراه یک طراحی آزمایش به روش پاسخ سطح (RSM) و بر اساس مدل باکس-بنکن (BBD) نیز مورد استفاده قرار گرفتند. هدف از انجام این مطالعات تهیه لایه بهینه نانولیفی گزینش پذیر PVDF-HFP با میانگین اندازه حفرات مناسب، توزیع اندازه حفرات (انحراف از معیار مقادیر اندازه حفره) محدود و آب گریزی و تخلخل بیشینه می باشد. شرایط بهینه برای فاکتورهای مؤثر در الکتروریسی عبارتند از؛ 19/34 درصد وزنی برای غلظت محلول پلیمری، 18/12 کیلوولت برای ولتاژ و 0/91 میلی لیتر بر ساعت برای نرخ تزریق محلول پلیمری. غشاهای ساخته شده در شرایط عملیاتی بهینه برای توابع پاسخ میانگین اندازه حفره، توزیع اندازه حفره، تخلخل و زاویه تماس مشخصه سازی شدند و نتایج بدست آمده به ترتیب برابر 360/4نانومتر، 206/42نانومتر، 82/4درصد و 143/1درجه می باشند. در این کار برای اولین بار، یک روش جدید شامل یک ستاپ الکتروریسی با دو سرنگ برای ساخت غشاهای نانولیفی دولایه به صورت لایه به لایه، بدون هیچ فاصله زمانی و با نیروی چسبندگی بین لایه ای مناسب جهت جلوگیری از افت فاکتور جداسازی که در کاربرد غشاهای مرکب در تقطیر غشائی پدیده مرسومی است استفاده گردید. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، روش حفره سنجی جریان خشک تر، روش اندازه گیری زاویه تماس، یک ستاپ آزمایشگاهی برای اندازه گیری فشار ورودی مایع (LEP)، روش گرانش سنجی، روش گرانش سنجی حرارتی (TGA)، آزمایش مقاومت کششی، یک ستاپ آزمایشگاهی برای اندازه گیری مقادیر نیروی چسبندگی و در نهایت ستاپ های آزمایشگاهی AGMD و DCMD جهت مشخصه سازی غشا های ساخته شده استفاده گردیدند. غشاهای نانولیفی تک لایه و دولایه مختلف که در این پژوهش تهیه شدند، با یکدیگر و با یک غشاء PVDF-HFP ساخته شده به روش وارونگی فازی و یک غشاء تجاری PVDF (GVHP) مورد مقایسه قرار گرفتند. مشخصه سازی غشاها نشان داد که غشاهای نانولیفی الکتروریسی شده میانگین اندازه حفرات (309 تا 360/4نانومتر)، توزیع اندازه حفرات (202/3تا 206/4 نانومتر)، آب گریزی (143/1درجه) و تخلخل (82/4تا 88/6درصد) بیش تری را در مقایسه با غشاء PVDF-HFP وارونگی فازی و غشاء تجاری PVDF به نمایش می گذارند و همچنین دارای LEP (130/3تا 138/2 کیلوپاسکال) و پایداری حرارتی و مکانیکی مناسبی جهت استفاده در کاربردهای تقطیر غشائی می باشند. آزمایشات AGMD و DCMD در نرخ جریان و دمای ثابت تراوش یافته که به ترتیب برابراند با 250 میلی لیتر بر دقیقه و 20 درجه سانتی گراد، نرخ جریان ثابت خوراک برابر 750 میلی لیتر بر دقیقه و دماهای خوراک مختلف (50، 60، 70، 80 درجه سانتی گراد) و غلظت های نمک سدیم کلرید متفاوت (0 و 1 و 3 درصد وزنی) انجام گرفتند. غشاهای نانولیفی الکتروریسی شده تک لایه و دولایه فلاکس تراوشی AGMD ای به ترتیب برابر 13/2و 19/45کیلوگرم بر متر مربع بر ساعت و DCMD ای به ترتیب برابر با 20/3و 29/1کیلوگرم بر متر مربع بر ساعت از خود نشان دادند که این مقادیر بسیار بیش تر از فلاکس غشاهای وارونگی فازی PVDF-HFP و تجاری PVDF بودند (فلاکس های AGMD؛ به ترتیب 7/1 و 9/3، فلاکس های DCMD؛ به ترتیب 13/4و 17/1کیلوگرم بر متر مربع بر ساعت). تمامی غشاها میزان دفع نمک مناسب بالای 98/5درصد را از خود نشان دادند. غشاهای نانولیفی دولایه ساخته شده در این پژوهش فلاکس AGMD و DCMD بالا و پایداری را در طول مدت زمان 3 روزه عملیات به نمایش گذاشتند. این نتایج بسیار بهتر از نتایج غشاهای تک لایه نانولیفی و همچنین غشاهای وارونگی فازی و تجاری مورد استفاده در تقطیر غشائی می باشند، که این مطلب برتری غشاهای نانولیفی دولایه بهینه سازی شده را جهت استفاده در کاربردهای طولانی مدت تقطیر غشائی پیشنهاد می دهد.
- Abstract
- The current study aims to prepare novel optimized dual-layer nanofiber membranes by electrospinning technique for being applied in desalination by air-gap membrane distillation (AGMD) and direct contact membrane distillation (DCMD). Neat single and dual-layer nanofiber membranes composed of a hydrophobic polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene (PVDF-HFP) selective top layer with two different supporting hydrophilic layer made of either polyacrylonitrile (PAN) or nylon-6 and different thicknesses were fabricated. An assessment of the effects of the polymer (PVDF-HFP) concentration on the characteristics of the prepared nanofibers and a response surface methodology (RSM) based on Box-Behnken design were utilized. The Objective was to prepare optimized PVDF-HFP selective top nanofibrous layer with appropriate mean pore size, narrow pore size distribution and maximum porosity and hydrophobicity. The optimum electrospinning conditions were a polymer concentration of 19.34 wt.%, a voltage of 18.12 kV and a polymer flow rate of 0.91 mL/h. At the optimal operative condition the fabricated membranes were characterized with mean pore size, pore size distribution, porosity and contact angle of 360.4 nm, 206.42 nm,82.4 % and 143.1°, respectively. For the first time, a new method containing a two-syringe electrospinning setup was used to fabricate dual-layer membranes layer by layer and without any gap-time, with adequate adhesive strength which prevents deterioration of the separation factor which is common phenomena in utilization of composite membranes in MD. Scanning electron microscopy (SEM), wet-dry flow method porometry, contact angle goniometer, a home-made setup for liquid entry pressure (LEP) measurement, gravimetric method, thermal gravimetric method, tensile strength test, a home-made setup for adhesive strength measurement and finally AGMD and DCMD setups were used to characterize the resultant membranes. Different fabricated single and dual-layer electrospun nanofiber membranes (ENMs) were compared with each other and benchmarked against both a casted phase inversion PVDF-HFP and a commercial PVDF (GVHP) flat sheet membranes.Membrane characterization showed that the ENMs exhibited higher mean pore size (309-360.4 nm), pore size distribution (202.3-206.4 nm), hydrophobicity (143.1°) and porosity (82.4-88.6) compared to casted PVDF-HFP and commercial GVHP membranes, appropriate LEP (130.3- 138.2) and thermal and mechanical stabilities for using in MD applications. The AGMD and DCMD experiments were carried out with constant inlet feed flow rate of 750 mL/min, constant inlet flow rate and temperature at the permeate stream of 250 mL/min and 20 °C, respectively and different feed temperatures (50, 60, 70 and 80 °C) and sodium chloride feed aqueous solutions (0, 1 and 3 wt.%). The neat single and dual-layer ENMs showed an AGMD water permeate flux of about 13.2 and 19.45 kg/m2h, respectively and 20.3 and 29.1 kg/m2h DCMD permeate flux, respectively, which were much higher than that of casted PVDF-HFP and commercial PVDF membranes (AGMD fluxes: 7.1 and 9.3, DCMD fluxes: 13.4 and 17.1, respectively). All of the membranes showed good salt rejection of up to 98.5 %. Novel dual-layer ENMs fabricated in this work exhibited high and steady AGMD and DCMD water permeation fluxes throughout the entire testing period of 2 days. These results were much better than those of single- layer ENMs, phase inversion and commercial flat sheet MD membranes, suggesting the competency of novel optimized dual-layer ENMs for long-term MD applications. Keywords: Membrane distillation, AGMD, DCMD, Electrospun nanofiber membranes (ENMs), dual-layer membranes, Desalination
