عنوان پایان‌نامه
ساخت غشاهای تبادل کاتیونی هموژن حاوی نانو مواد جهت استفاده در فرآیند الکترو دیالیز
- رشته تحصیلی
- شیمی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 6186;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73627;کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 6186;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73627
- تاریخ دفاع
- ۲۳ آبان ۱۳۹۴
- دانشجو
- فرهاد حیدری
- استاد راهنما
- علی نعمتی خراط غازیانی
- چکیده
- با توجه به اهمیت موضوع جداسازی در زندگی انسان و همچنین نیاز صنایع دارویی، غذایی، شیمیایی و ... ، هدف ازاین پروژه تحقیقاتی ساخت غشاهای تبادل یونی هموژن با عملکرد مناسب جهت استفاده در الکترودیالیز می باشد. به طور کلی مطلوب ترین خواص برای غشاهای تبادل یونی عبارتند از: انتخابگری بالا، مقاومت الکتریکی پایین، مقاومت مکانیکی و پایداری شیمیایی مناسب. در قسمت اول این کار تحقیقاتی تعدادی غشای تبادل یونی با استفاده از دو روش تبخیری و تغییر فاز تهیه گردید. پلیمرهای استفاده شده برای ساخت غشاها عبارت اند از: پلی (2،6- دی متیل- 1،4- فنیلن اکسید) سولفونه شده (SPPO) و پلی وینیل کلراید سولفونه شده (SPVC). اثر نسبت درهم آمیختن پلیمرها و همچنین روش تهیه غشاها بر روی ساختار و خواص الکتروشیمیایی نمونه های تهیه شده ارزیابی گردید. میکروساختار غشاها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی و سولفونه شدن PVC توسط FT-IR و آنالیز عنصری تایید شد. همچنین عملکرد غشاها توسط اندازه گیری ظرفیت تبادل یونی، محتوای آب، پتانسیل غشا، نفوذ گزینی، عدد انتقال، دانسیته بار سطحی، نفوذپذیری، شار یونی، مقاومت الکتریکی، بازده جریان و پایداری شیمیایی ارزیابی گردید. نتایج نشان دادند ظرفیت تبادل یونی غشاها با افزایش نسبت پلیمری SPPO/SPVC، افزایش یافت و محتوای آب غشاها نیز تحت تاثیر میزان SPPO در ماتریکس پلیمری و همچنین میکروساختار غشاها قرار دارد. پتانسیل غشا، عدد انتقال، نفوذ گزینی، غلظت یون های تثبیت شده (F.I.C) و دانسیته بار سطحی غشاها روند مشابهی را نشان دادند. مقاومت مکانیکی غشاها با کاهش نسبت SPPO به SPVC، افزایش یافت. نتایج بدست آمده نشان دادند که غشاهای تبادل یونی تهیه شده با روش تبخیری دارای بازده بالاتر و خواص الکتروشیمیایی مناسب تری در مقایسه با سایر غشاها هستند.در قسمت دوم مطالعه تحقیقاتی حاضر، یک نوع غشای تبادل یونی نانوکامپوزیتی با افزودن نانوذرات باریم فریت به ماتریکس پلیمری پلی (2،6- دی متیل- 1،4- فنیلن اکسید) سولفونه شده و پلی وینیل کلراید سولفونه شده، تهیه گردید. نانوذرات باریم فریت (BaFe12O19) نیز با یک روش ساده شیمیایی تهیه شدند. نانوذرات و نانوکامپوزیت های تهیه شده سپس توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی، طیف سنجی مادون قرمز، تفرق اشعه ایکس و مغناطیس سنج نیروی متناوب مورد ارزیابی قرار گرفتند. بررسی های مختلف نشان دادند که افزودن مقادیر گوناگون از پرکننده های معدنی به غشاهای تبادل یونی، می تواند عملکرد غشاها را تحت تاثیر قرار دهد. نانوذرات معدنی نه تنها باعث ایجاد حفره ها و کانال های اضافی (که میزان هدایت یون ها را بهبود می بخشد) می شوند بلکه موجب افزایش نفوذ گزینی و عدد انتقال یون ها نیز شدند.در قسمت بعدی این کار تحقیقاتی، نوع دیگری از غشاهای تبادل یونی نانوکامپوزیتی به وسیله سنتز در محل نانوذرات FeOOH در ماتریکس پلیمری پلی (2،6- دی متیل- 1،4- فنیلن اکسید) سولفونه شده و پلی وینیل کلراید سولفونه شده تهیه شد. غشاهای نانوکامپوزیتی تهیه شده توسط طیف سنجی مادون قرمز، میکروسکوپ الکترونی روبشی و تفرق اشعه ایکس ارزیابی شدند. تصاویر SEM نشان دادند که نانوذرات FeOOH به صورت یکنواخت در ماتریکس پلیمری پراکنده شده اند. اثر میزان ماده افزودنی بر روی خواص فیزیکوشیمیایی و الکتروشیمیایی غشاهای تبادل یونی نانوکامپوزیتی تهیه شده بررسی گردید. ارزیابی های مختلف نشان دادند که حضور مقادیر گوناگون از نانوذرات FeOOH در ساختار غشا، تاثیرات مهمی بر عملکرد غشا داشته و می تواند باعث بهبود خواص الکتروشیمیایی گردد.
- Abstract
- Regarding the importance of separation in the human life and the need of pharmaceutical, food and chemical industries, the aim of this research project is the preparation of homogeneous ion-exchange membranes with appropriate performance for use in electrodialysis. In general, the most desirable properties for ion-exchange membranes include high selectivity, low electrical resistance and suitable mechanical strength and chemical stability.In the first part of this research, homogeneous cation exchange membranes were prepared by evaporation and phase inversion methods using sulfonated poly (2, 6-dimethyl-1, 4-phenylene oxide) and sulfonated polyvinylchloride as binders. The effect of polymers blend ratio and preparation method on structure and electrochemical properties of the prepared membranes were evaluated. The microstructures of the membranes have been investigated by scanning electron microscopy (SEM) and the sulfonation of PVC was confirmed by elemental analyses. Moreover, the membranes performance was evaluated by ion exchange capacity (IEC), fixed ion concentration (F.I.C), membrane potential, transport number, permselectivity, areal resistance, ionic permeability, flux of ions, current efficiency, membrane oxidative stability, mechanical properties and water content tests. The results indicated that ion exchange capacity was enhanced by increasing binder ratio (SPPO: SPVC) in the casting solution. It was found that the water content of the prepared membranes was affected by the SPPO content and microstructures of the membranes. Membrane potential, transport number, permselectivity, F.I.C and membrane surface charge density had same trends. The mechanical strength of membranes was increased with decline in blending ratio of SPPO to PVC. The results showed increased efficiency and suitable electrochemical properties for membranes prepared by the evaporation method in comparison with others.In the second part of the present research study, a new type of ion-exchange nanocomposite membranes was prepared by addition of barium ferrite nanoparticles to a blend containing sulfonated poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) and sulfonated polyvinylchloride via a simple casting method. Hard magnetic BaFe12O19 nanoparticles were synthesized via a facile sonochemical-assisted reaction. Nanoparticles and nanocomposites were then characterized using scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction and alternating gradient force magnetometer. Various characterizations revealed that the addition of different amounts of inorganic fillers could affect the membrane performance. The inorganic nanoparticles not only created extra pores and water channels that led to improve ion conductivity, but also provided higher permselectivity and transport number of counter-ions.In the next part of the research, a new type of cation-exchange nanocomposite membranes was prepared by in-situ formation of FeOOH nanoparticles in a blend containing sulfonated poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) and sulfonated polyvinylchloride via a simple one-step chemical method. As-synthesized nanocomposite membranes were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The SEM images showed that FeOOH nanoparticles were uniformly dispersed throughout the polymeric matrices. The effect of additive loading on physicochemical and electrochemical properties of prepared cation-exchange nanocomposite membranes was studied. Various characterizations revealed that the incorporation of different amounts of FeOOH nanoparticles into the basic membrane structure had a significant influence on the membrane performance and could improve the electrochemical properties.
