تصفیه آب رنگینه با استفاده از فیلتر سرامیکی اصلاح شده بوسیله‌ی پیروکربن از پلیمرهای کربنی آرشیو مقالات

.این نوشتار، یک مقاله تخصصی در زمینه  تصفیه آب می باشد

چکیده

اصلاح غشاء ممبران بوسیله پیروکربن با کربنی‌سازی پلی ایزوسیانات (polyisocyanate)، سلولواستات(celluloacetate) و نمک Na کربوکسیل متیل سلولوز(carboxylmethyl cellulose) در دمای 750 درجه سانتیگراد انجام شد.

آب با استفاده از وارد کردن فشار 0.1 تا 1.1 MPa از رنگ‌ها تصفیه شد. ضریب نگهداری و ظرفیت خاص غشای اصلاح شده از قرمز مستقیم به ترتیب از 37 تا 99.99 % و همچنین از 1.8 تا 36  dm³/ m².h متغیر است. برای غشاهای با اثر سلولز کربنی شده، نرخ نگهداری سبز از 19 تا 78.5 % و ظرفیت خاص بسته به فشار و زمان فیلتراسیون از  8.1  dm³/ m².h  تا  1  dm³/ m².h تغییر می‌کند.

DOI: 10.3103/S1063455X16030073

کلیدواژه‌ها: فیلتر سرامیکی ، رنگینه‌ها، تصفیه آب، اصلاح پیروکربن pyrocarbon ، پلی ایزوسیانات polyisocyanate ، اترهای سلولوزی

پیش‌گفتار

در فرایند تصفیه آب ، روش‌های جهانی جداسازی فشار محور، در مقایسه با روش‌های سنتی جداسازی از نظر اکولوژیکی خالص، دارای کارایی بالا و مصرف انرژی کم هستند. برای تولید غشاها از مواد غیرآلی (سرامیکی، شیشه‌ای یا فلزی) و پلیمری استفاده شده است.

غشای غیرآلی برخلاف خصوصیات مکانیکی عالی و نداشتن تورم در تماس با حلال، استفاده‌ی گسترده‌ای همانند پلیمر نداشته‌اند، زیرا شکل‌گیری ساختار ضروری برای جداسازی کار پیچیده‌ای است. یکی از روش‌های حل این مساله، اصلاح غشا است. 

اصلاح پیروکربن غشای سرامیکی برای بهبود خصوصیات انتخابی غشاهایی انجام شده که اندازه منفذها و ترکیب شیمیایی کانال‌های منفذ را تغییر می‌دهند. در مورد فاز جامد کربنی‌سازی فیلم‌های ارگانیک یا پیش‌ماده‌های پلیمری بکار رفته در غشا، کربن در حجم منفذهای غشا یا روی سطح آنها غلیظ شده است. شکل‌گیری این یا ساختارهای دیگر پیروکربن به غلظت و ترکیب پیش ماده، محصولات واسط کربنی سازی، شرایط آن و غیره بستگی دارد. 

استفاده از رنگ‌های ارگانیگ مصنوعی در حال حاضر به عنوان مطمئن‌ترین و مقرون به صرفه‌ترین روش اطمینان از رنگ محصولات و مواد مختلف تشخیص داده شده است. در همین حال این مساله منجر به آلودگی توسط رنگ‌های محیط در روبرداری فاضلاب‌های شرکت‌های صنعتی شده است. برای تصفیه آب‌های رنگی، موثرترین‌ غشاها، غشاهای سرامیکی اصلاح شده هستند. 

هدف این مقاله بررسی کارایی تصفیه آب رنگ قرمز(direct scarlet )(رنگینه آنیونی) (DS) و سبز درخشان (رنگینه کاتیونی) (BG) بوسیله غشاهای سرامیکی اصلاح شده با کربن بدست آمده در کربنی‌سازی پلی ایزوسیانات سلولز استات و کربوکسی متیل سلولز است. 

یافته‌های تجربی

غشاهای سرامیکی از اکسید آلومینیوم تولید شده توسط کارخانه سرامیک خوست Khust در کشور اوکراین (Ukraine)  برای اصلاح پیروکربن استفاده شدند. غشاها لوله‌هایی با قطر درونی و بیرونی به ترتیب 12 و 6 میلیمتری با متوسط قطر منفذها در لایه جداسازی 0.7-0.6 میکرومتر μm هستند. غشاها بصورت مجازی هیچ نوع رنگینه‌ای را نگه نمی‌دارند. 

پلی ایزو سیانات (Polyisocyanate) (PIC) برند IsoPMD192140 (الاستوگران، آلمان) (Elastogran, Germany) که محصولی برپایه 4.4 دیفنیل متان دی ایزوسیانات (diphenylmethandiisocyanate )(غلظت گروه NCO 31%، متوسط عاملیت حدود 2.7)(فیلتر غشا1) به عنوان پیش ماده کربنی‌سازی استفاده شد. همچنین برای اصلاح غشاهای کربنی سلولز اتر- سلولز استات دی استات(cellulose acetate diacetate ) با M.m 3000 و 39.9 % گروه استات (DAC) (فیلتر غشای 2) و نمک Na کربوکسی متیل سلولز(carboxymethylcellulose) (CMC) (Acucell AF 3265, food) (فیلتر غشای 3) است. بعلاوه غشاها با محلول آبی نیکل کلوراید (فیلتر غشای صفر) مورد عمل قرار گرفتند که غشای اولیه است. کربنی سازی در دمای 750 درجه سانتیگراد در جریان آرگون به مدت 20 دقیقه انجام شد، نرخ خطی گرمایش شامل 10 درجه / دقیقه deg./min بود. 

در تحلیل فاز اشعه X (XPA) غشای پیروکربن اصلاح شده نشان داد که ماده غشا شامل اکسید آلومینیوم- کورندم aluminum oxide—corundum ، کربن شامل گرافیت (واکنش 26.6 ، 27.4 و 54.02) و نیکل (واکنش 44.9 ، 52.3 و 75.52) که از Ni2+ برگردانده شد (فیلتر غشاهای 2، 3). در فیلتر غشای 3 نیز NaCl (واکنش 30.8 ، 54.7 و 73.22) وجود دارد. 

اصلاح پیروکربن برای کاهش تراکم مشهود (کربن سبکتر از اکسید آلومینیوم است) و تخلخل غشاها (جدول) سودمند بود. شکل 1 رابطه بین ضریب نگهداری رنگینه‌های DS توسط غشاهای 3-1 و زمان فیلتراسیون در مقادیر مختلف فشار کاری را نشان می‌دهد. همانطور که می‌توان دید طبیعت روابط برای تمام نمونه‌ غشاها یکسان است- منحنی‌ها پس از 3-5/2 ساعت از آغاز فیلتراسیون به سمت اشباع شدن می‌روند. مقدار R رنگینه DS توسط غشای 1 به محض دستیابی به تعادل شامل 99.99 % بود و تنها در فشار 1.1 MPa اجبار رنگینه از طریق غشا (98%= R) رخ می‌دهد که نتیجه قطبی‌سازی غلظت است. برای غشاهای 2، 3 ضریب نگهداری در فشار تا MPa 0.9حدود 1.5 % (99-98%) کاهش می یابد. اگر برای غشاهای 1 و 2 ضریب نگهداری بصورت مجازی و یکپارچه افزایش یابد تا به اشباع دست‌ یابیم، آنگاه غشای 3 طی نخستین ساعت افزایش به نوعی آهسته می‌شود، در این مورد ظرفیت تولید ثابت می‌ماند. شاید این مساله با شرح دو فرایند معکوس تعیین شود: کاهش منافذ به علت جذب یون‌های رنگینه و افزایش آنها به علت شستن غشا از کلرید سدیم. 

شکل1. رابطه بین ضریب نگهداری (R ) رنگینه قرمز اصالح شده توسط غشاها و زمان فیلتراسیون محلول‌ها در فشار  0.2 (a); 0.5 (b); 0.7 (c) و 0.9 MPa (d)  برای غشاهای 1، 2 و 3. 

ظرفیت خاص غشای 1 در تصفیه آب DS در شرایط تعادل دینامیک در تغییر فشار از 0.2 تا  1.1 MPa از 13.5 تا 32.5   dm³/ m².h افزایش می‌یابد. به محض دستیابی به تعادل هیدرودینامیک، ظرفیت خاص غشاهای 2 و 3 به فشار وابستگی نداشته به ترتیب شامل 36-35 و   1.8 تا 1.9  dm³/ m².h می باشد. اگرچه در آغاز فرایند از 0.2تا 0.9  MPa مقدار  J_v غشای 2 از 41 به 102 و غشای 3 از 2.1 به 2.2  dm³/ m².h  افزایش می‌یابد. 

تراکم مشهود (d_app) و تخلخل غشای سرامیکی پیروکربن اصلاح شده پیش و پس از فیلتراسیون محلول‌ها با رنگینه‌ها در MPa 0.7

جدول 1. نتایج تصفیه آب رنگینه BG را نشان می دهد. غشای 1 آغاز عملیات تنها در فشار MPa 1.1 

برای چهار ساعت نفوذ بدون رنگ بود یعنی ظرفیت نگهداری بصورت مجازی شامل 100 % بود (شکل 2 منحنی 1 را ببینید). منحنی رابطه ضریب نگهداری رنگینه BG توسط غشای 3 شامل 78.5 % در MPa 0.5 بود درحالیکه افزایش فشار تا MPa 0.7 دوبرابر ظرفیت نگهداری را خرابتر می کند. باید اشاره کرد که برای BG فقط در صورت فیلتراسیون محلول DS طی نخستین ساعت ضریب نگهداری رنگینه افزایش نمی‌یابد، که با وجود در غشای 3 کلورید سدیم تعیین شده است. در ایجاد تعادل دینامیک، ظرفیت خاص غشای 3 شامل 8.1 و 15.1   dm³/ m².h به ترتیب در فشار MPa 0.5 و 0.7 است درحالیکه غشای 2 با افزایش فشار (از 70  dm³/ m².h  در MPa 0.1 تا  > 1   dm³/ m².h   در 0.5   dm³/ m².h  افزایش می‌یابد، بنابراین برای تعیین صحیح R تنها در فشار شامل MPa 0.1 دستکاری کردیم (شکل 2 منحنی 2 را ببینید). غشاهای اصلاح شده توسط پیروکربن از اترهای سلولز باعث تصفیه آب رنگینه ِDS می‌شوند تا BG (شکل 1و 2 را ببینید). 

شکل 2. روابط بین ضریب نگهداری (R) رنگینه سبز درخشان اصلاح شده توسط غشاها و زمان فیلتراسیون محلول‌ها برای غشاهای 1، 2 و 3، 3َ) در فشار (2) 0.1 ؛ (3)  0.5 ؛ (3َ) 0.7 و (1)MPa 1.1

در سطح لایه پیروکربن غشاها، که طی کربنی‌سازی PIC شکل گرفت (غشای 1) گروه C–C_, C=C_, C–O_, COO_  و C–NHx وجوددارد و در کربنی‌سازی سلولز (غشاهای 2،3) گروه—C–C_, C–O_, C=O  و COO_ وجود دارد. وجود چنین گروه‌هایی تا حد زیادی باعث افزایش خاصیت جذب اصلاح شده در مقایسه با اکسید آلومینیوم می‌شود. لایه جذب شامل یون‌های پیوسته و تکی یک غشای دینامیک را شکل می‌دهد. مورد آخر در مقایسه با ماده غشا دارای تخلخل نازک‌تری است زیرا شکل آن باعث افزایش ظرفیت نگهداری می‌شود اما در همان حال ظرفیت غشا را کاهش می‌دهد .نتایج تعیین تراکم مشهود و تخلخل اصلاح شده غشاها پس از فیلتراسیون DS و BG به مدت 7 ساعت در MPa 0.7 در جدول نشان داده شده است. همانطور که می‌توان دید پس از تماس با رنگینه، تخلخل برای تمام نمونه غشاها کاهش یافته است. در تمام غشاها تراکم مشهود پس از تماس با DS غشای 1 پس از BG افزایش یافته است. برای غشاهای 2 و 3 اصلاح شده توسط اترهای سلولز، تراکم مشهود پس از تماس با BG کاهش یافته است. شاید کاتیون‌های رنگینه درون لایه پیروکربن قرارگرفته باشند. 

در کربنی‌سازی پیش ماده‌های ایزوسیانات isocyanate در ماتریس اکسید آلومینیوم از ساختارهای نانوفیلم شیشه جدا می‌شوند؛ کربن‌های کامل و آنیون‌ها شکل گرفته‌اند (نانوساختارهای پیازی کربن)، درحالیکه نیکل شکل‌گیری نانوفیبرها و نانولوله‌ها را کاتالیز می‌کند. شاید خصوصیات عملیاتی بالای غشای 1 را با چنین توعی از ساختارهای پیروکربن در منافذ حین شکل گیری منافذ اضافی بازای آزادسازی در واکنش PIC با آب دی اکسید کربن بتوان توضیح داد. برای بهبود خصوصیات غشاهای 2 و 3 لازم است که ساختار پیروکربن در منافذ بهینه شود: کاهش اندازه منافذ موجود در غشای اولیه بازای افزایش غلظت پیروکربن بوسیله فعالسازی شیشه؛ کربن شکل گرفته در کربنی‌سازی باعث افزایش تخلخل خود می‌شود که در نتیجه ظرفیت تولید غشاها افزایش می‌یابد. 

نتیجه‌گیری

اصلاح پیروکربن غشاهای سرامیکی از اکسید آلومینیوم بوسیله کربنی‌سازی پلی ایزو سیانات، دی استات سلولز یا نمک Na کربوکسی متیل سلولز امکان بدست آوردن غشاهای فیلتراسیون با قدرت جداسازی بالا برای رنگینه‌های قرمز مستقیم و سبز درخشان را فراهم می‌کند. خصوصیات عملیات اصلاح غشاها به ساختار پیروکربن بستگی دارد که می‌تواند با بدست آوردن نانوساختارهای مختلف کربن در لایه اصلاح تنظیم شود. 

*ن