بهبود ویژگی های انتقال و ضد گرفتگی غشاهای اولترافیلتراسیون الیاف تو خالی پلی وینیل کلراید با اتصال نانوذرات سیلیکا
اولترافیلتراسیون یک فرایند غشایی فشار پایین است که به طور گسترده ای برای جداسازی و خالص سازی ترکیبات و جریان های مختلف در صنایع غذایی، بیوتکنولوژی و تصفیه آب و پساب مورد استفاده قرار می گیرد.
این مقاله مطالعه اثرات نانوذرات سیلیکا بر مورفولوژی و عملکرد غشاهای الیاف توخالی را نشان می دهد. نانوذرات سیلیکا با غلظت های مختلف در محلول های پلی وینیل کلراید ترکیب می شوند. متعاقبا، محلول ها در الیاف های توخالی با روش ریسندگی مرطوب تزریق و چرخانده می شوند. غشاهای اصلاح شده با آنالیزهای مشخصه یابی مختلف برای مشاهده تاثیر نانوذرات سیلیکا شناسایی شده اند. به علاوه، عملکرد جداسازی غشاهای اولترافیلتراسیون از طریق اندازه گیری شار آب خالص و بازگشت محلول مورد بررسی قرار گرفتند. سرانجام، آزمایش های گرفتگی برای ارزیابی مقاومت گرفتگی غشاها در برابر محلول شیر به عنوان مدل فولانت ارزیابی شدند.
آزمایش های شار و گرفتگی با استفاده از ستاپ نمایش داده شده در طرحواره 1 انجام شدند. برای همه آزمایش های عملکرد، غشاهای هر گروه با استفاده از رزین اپوکسی در ماژول قرار داده شدند. هر ماژول شامل هشت رشته الیاف توخالی است.
در این قسمت درباره بخشی از نتایج به دست آمده بحث خواهد شد:
بر طبق شکل 2، به دلیل ترکیبات مختلف مایعات انعقادی در طرف داخلی و طرف بیرونی، تخلخل و مشخصات منافذ در این لایه ها متفاوت است. در مقایسه با قسمت داخلی، یک لایه محکم تر و ضخیم تر در سطح خارجی مشاهده شده است. مقدار زیادی حلال در مایع داخلی منجر به نیروی محرکه کمتری یرای رسوب پلیمر در سمت داخلی می شود و لایه ای با تخلخل بیشتر و منافذ اتصال بزرگتر ایجاد می کند. علاوه بر این، وجود حلال در مایع داخلی، وارونگی فاز در سمت داخلی را کند کرده و باعث رشد بیشتر هسته ها می شود. انتقال مولکول های نامحلول از لایه داخلی به لایه میانی، تخلخل لایه داخلی را افزایش می دهد.
در شکل 3 می توان مشاهده کرد که مقدار کاهش شار نسبی با جایگیری نانوذرات سیلیکا کاهش یافته است، که نشان دهنده مقاومت بهتر غشاهای نانوکامپوزیت در برابر گرفتگی در حضور محلول شیر است. این را می توان به حضور گروه های عاملی آب دوست روی نانوذرات سیلیکا نسبت داد، که آب دوستی غشاها را افزایش می دهد و در نتیجه چسبندگی پروتئین های شیر به سطح غشا را کاهش می دهد. علاوه بر این، مطابق با شکل، نرخ بازیابی شار با ترکیب نانوذرات سیلیکا افزایش می یابد و کاهش گرفتگی برگشت ناپذیر در غشاهای نانوکامپوزیت را نشان می دهد. همانطور که توضیح داده شد، به دلیل کاهش میل بین سطح غشا و پروتئین های شیر، پروتئین های چسبیده، به راحتی از غشاها خارج شده و گرفتگی برگشت ناپذیر را کاهش می دهد. بهبود خواص ضد گرفتگی را می توان به افزایش اتصال تخلخل های ماکرو در حضور نانوذرات سیلیکا نسبت داد.
نتایج کلی به صورت زیر به دست آمدند:
1-ترکیب نانوذرات سیلیکا، تعداد هسته ها را در جداسازی فاز افزایش داده و منجر به کاهش متوسط اندازه تخلخل ها می گردد.
2-به دلیل وجود نانوذرات سیلیکا در شبکه غشایی، رد شدن املاح بالاتری به دست آمد.
3-غشاهای اصلاح شده، شار آب خالص بالاتری را در مقایسه با غشای اولیه به دلیل ساختارهای داخلی نرم تر (سست تر) از خود نشان دادند. با این حال، افزایش محتوای نانوذرات فراتر از غلظت معینی به دلیل تجمع نانوذرات و انسداد منافذ تخلخل، شار آب خالص را کاهش می دهد.
4-آزمایشات گرفتگی نشان داد که اثرات مثبت نانوذرات روی آب دوستی غشا، خواص ضد گرفتگی بهتری را برای غشاهای نانوکامپوزیت ارائه می دهد.
در واقع این مطالعه، به پتانسیل بالای نانوذرات سیلیکا در مقابله با گرفتگی زیاد غشاهای اولترافیلتراسیون پلی وینیل کلراید به عنوان چالش اصلی این غشاها اشاره می کند.
شکل 1- طرحواره ستاپ مورد استفاده برای انجام آزمایشات شار و رسوب
شکل 2- تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری سطح داخلی (سمت چپ) و سطح خارجی (سمت راست) غشای اولترافیلتراسیون الیاف توخالی با مقدار سیلیکای 5/2 درصد وزنی
شکل 3- شار اولترافیلتراسیون شیر بر حسب زمان برای غشاهای اصلاح شده و اولیه (سمت چپ) و تغییرات نرخ بازیابی شار و کاهش شار نسبی برای غشاهای اصلاح شده و اولیه (سمت راست)
شکل 4- چکیده تصویری از نتایج حاصله از مقاله غشای اولترافیلتراسیون توخالی پلی وینیل کلراید اصلاح شده با نانوذرات سیلیکا