عنوان پایان‌نامه
بررسی تاثیر نانو ذرات ناتراوا بر خواص ترمودینامیکی و ساختاری غشاهای پلیمری
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندهای جداسازی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه کاسپین شماره ثبت: K97
- تاریخ دفاع
- ۰۹ بهمن ۱۳۹۵
- دانشجو
- نادیا اذرپور
- استاد راهنما
- محمد علی آرون
- چکیده
- چکیده در این پژوهش تاثیر افزودن نانوذرات ناتراوای دی¬اکسیدتیتانیوم (TiO2) و کربن فعال (PAC) بر خواص ترمودینامیکی (منحنی باینودال) و ساختار غشاهای پلیمری (ضخامت لایه فعال و ساختار زیرلایه) بررسی شد. برای تهیه محلول¬های پلیمری از پلی¬اترسولفون (PES) به عنوان پلیمر و حلال N-متیل-2-پیرولیدون (NMP) به عنوان حلال برای ساخت غشا به روش وارونگی فازی مرطوب استفاده شد. جهت بررسی تاثیر نانوذرات بر منحنی باینودال از روش آزمایش نقطه ابری شدن استفاده شد. برای بهبود پراکندگی و چسبندگی نانوذرات دی¬اکسیدتیتانیوم و کربن فعال از روش اصلاح مکانیکی توسط آسیاب گلوله¬ای سیاره¬ای و اصلاح شیمیایی توسط عامل سیلان آمینوپروپیل¬تری¬اتوکسی¬سیلان (APTES) استفاده و با آنالیز طیف¬سنجی تبدیل فوریه مادون ¬قرمز (FT-IR) اصلاح سطح مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایش نقطه ابری شدن نشان داد که افزودن نانوذرات خام به محلول پلیمری به دلیل برهم¬کنش ضعیف نانوذره- پلیمر تاثیری بر منحنی باینودال ندارد ولی افزودن نانوذرات اصلاح شده به روش مکانیکی و شیمیایی به دلیل برهم¬کنش خوب نانوذره- پلیمر و افزایش برهم¬کنش پلیمر- پلیمر باعث کاهش حلالیت آب در محلول پلیمری شده و نمودار باینودال را به سمت محور شبه پلیمر- حلال جابجا می¬کند. این اثر سبب ناپایداری بیشتر ترمودینامیکی محلول¬های حاوی نانوذرات شده و غشاهای حاصل از این محلول¬ها وارونگی فازی را سریع¬تر تجربه می¬کنند. سپس غشای خالص و غشای آمیخته 20 درصد وزنی پلیمر/شبه پلیمر(پلیمر+ نانوذرات) حاوی 5، 10 و 20 درصد جرمی (بر مبنای جامد خشک) نانوذرات اصلاح شده به روش مکانیکی و شیمیایی (معادل با نسبت¬های 20/1، 10/1 و 5/1 نانوذرات اصلاح شده به پلیمر) تهیه شدند. جهت بررسی ساختار غشا و تطبیق آن با روند منحنی تعادلی به دست آمده از داده¬های آزمایش نقطه ابری شدن، از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده شد. نتایج SEM از سطح مقطع غشاهای سنتز شده نشان داد که غشاهای تولیدی نامتقارن¬اند و ساختار آنها به ترتیب از بالا به پایین شامل لایه فعال، لایه اسفنجی در مجاورت لایه فعال، ساختار انگشتی شکل کم عرض پس از لایه اسفنجی (که برخی به ساختار انگشتی شکل عریض بعد آن متصل¬ و برخی مجزا هستند) و در نهایت لایه اسفنجی شکل انتهای غشا می¬باشد. همچنین تصاویر SEM نشان دادند که کاهش ضخامت لایه فعال با جابجایی منحنی¬های تعادلی محلول¬های پلیمری حاوی نانوذرات تطابق دارد. واژه¬های کلیدی: غشای آمیخته، وارونگی فازی، تعادل ترمودینامیکی، منحنی باینودال، دی-اکسیدتیتانیوم، کربن فعال، مورفولوژی
- Abstract
- Abstract: In this research, the effect of impermeable particles (Titanium dioxide (TiO2) and Activated carbon (PAC)) on thermodynamic (Binodal curve) and structural (morphology) properties of the polymeric membranes was investigated. The effect of nanoparticles on binodal curve was investigated by cloud point test experiment. To improve the dispersion (distribution) of TiO2 and PAC particles in casting solution, and also to improve their adhesion to polymer chains, particles were modified by mechanical (dry ball mill) and chemical treatments. Aminopropyltriethoxysilane (APTES) was used as silane agent in chemical surface modification of particles. Impermeable particles, before and after chemical surface modification, were analyzed by Fourier Transform Infrared Spectrum (FT-IR). To investigate the effect of particles on structural properties of the polymeric membranes, mixed matrix membranes; containing N-methyl-2-pyrolidone (NMP), polyethersulfone (PES) and impermeable particles; were fabricated by wet phase inversion (immersion precipitation) technique and analyzed by scanning electron microscopy (SEM) experiment. The result of cloud point tests showed that addition of raw impermeable particles (i.e. before surface modification) to PES polymeric solution does not affect the binodal curve. However, by addition of surface modified impermeable particles to PES solution shifted to pseudo polymer-solvent axis. This effect was attributed to good particle-polymer interactions which increase polymer-polymer interactions and induce instantaneous demixing. In other words, surface modified particles act as bonding agents between polymer chains and cause the solution experience more thermodynamic instability. To verify the effect of modified impermeable particles on structure and morphology of polymeric PES membrane, the fabricated neat and mixed matrix membranes were analyzed by SEM test. SEM micrographs showed that all membranes are asymmetric, including a dens skin layer supported by a porous sublayer. It was found that the skin layer of the mixed matrix membranes containing surface modified impermeable particles is thinner than that of neat ones and it was in accordance with that released by cloud point test (i.e. shifting of binodal curve to pseudo polymer-solvent axis). Keywords: Mixed matrix membranes, Phase inversion, Thermodynamic equilibrium, Binodal curves, Titanium dioxide, Activated carbon, Morphology
