تصنيع أغشية النانو لتطبيقات معالجة المياه

Abstract

الخلاصة يختص البحث تصنيع اغشية النانو المجوفة من مادة البولي أيمايد ( polyimide ) و مذيب داي مثيل أسيت أمايد (DMAC) . أستخدمت تقنية الغزل (dry/wet spinning ) لتصنيع الأغشية و درس تأثير تغير درجات حرارة ماء التجميع ( 6، 19 ، 30 ، 40 و 50) درجة مئوية على الأغشية بثبوت بقية عوامل التصنيع و أجريت عليها عدة فحوصات مجهرية منها : فحص مجهر المسح الالكتروني SEM ، فحص مجهر القوة الذري AFM بالاضافة الى فحص اداء الاغشية و نفاذية الماء النقي بينت النتائج ان تضاريس سطح الأغشية المجوفة تحتوي على تراكيب اسفنجية sponge-like)) و اصبعية finger-like)) باختلاف درجات حرارة ماء التجميع و لوحظ ايضا زيادة متوسط حجم مسامة السطح الخارجي لغشاء البولي أيمايد بزيادة درجة حرارة ماء التجميع بينما لم تلاحظ اي تاثير على خشونة السطح . و بينت النتائج تحسن قيم نفاذية الماء النقي لاغشية البولي أيمايد بزيادة درجة حرارة ماء التجميع و أفضل قيمة كانت (40) درجة مئوية بينما قلت قيم الراجع بزيادة درجة حرارة ماء التجميع .

المفتاح : polyimide, Nano filtration ، Morphology .

المقدمة استحوذت الاغشية مكانة مهمة في العمليات الكيمياوية و استخدمت في تطبيقات صناعية واسعة منها صناعة الانسجة ،صناعة الغذاء ، تصفية المياه …. الخ ، إذ ان اساس الفصل بالاغشية هو السماح لمركبات معينة من النفاذ عبرها و حجز مركبات اخرى حسب التطبيق المستعمل لاجله . هناك انواع من الاغشية و من اكثرها استعمالا منها: (microfiltration(MF ، ultrafiltration (UF) ، reverse osmosis (RO) و nano filtration ( NF) إذ ان خصائص اغشية النانو تقع ما بين خصائص اغشية UF و RO . تزايد الاهتمام بصناعة هذه الانواع من الاغشية نتيجة تزايد تطبيقاتها المتجددة في مختلف الصناعات . تصنيع الياف النانو المجوفة بطريقة انقلاب الطور phase inversion process و غزلت ببثق البوليمر السائل عبر ثقوب صغيرة في المغزل لتكون اليافا صلبة . و تسيطر على هذه العملية عوامل عدة منها لزوجة البوليمر ، فجوة الهواء air gab ( المسافة ما بين المغزل و ماء التجميع ) ، درجة حرارة bore fluid ، ضغط النيتروجين المسلط على البوليمر و درجة حرارة ماء التجميع .

الجزء العملي 1- جفف البولي أيمايد بدرجة حرارة (70)˚م لازالة الرطوبة . 2- مزج البوليمر مع المذيب بنسب وزنية ( 26/74) غم/غم على السخان المغناطيسي المتحرك (magnetic stirrer heater) عند درجة حرارة ( 50) درجة مئوية وسرعة دوران ( 250) دورة بالدقيقة ليصبح المزيج متجانسا و قد تستغرق العملية يومين . 3- يوضع مزيج البوليمر في الفرن للتخلص من الفقاعات قبل وضعها في عمود البثق ( column ) . 4- وضع مزيج البوليمر في العمود وغزل ببثق البوليمر عبر المغزل بضغط 2.5 بار . 5- بقيت ظروف الغزل ثابتة عدا درجة حرارة ماء التجميع التي تغيرت للمدى ( 50,40,30,19,6) درجة مئوية. 6- جمعت الالياف المغزولة في وعاء مملوء بماء الحنفية وتركت فيه لمدة يومين و بدرجة حرارة الغرفة للتخلص من المذيب المتبقي عليها . 7- حفظت الالياف في محلول الكلسرين لمدة يومين لمنع الالياف من الانهيار . 8- جففت الالياف بدرجة حرارة الغرفة قبل اخضاعها للفحوصات . 9- اجريت على الالياف عدة فحوصات : منها فحص الاداء , فحص نفاذية الماء النقي , المجهر الالكتروني الماسح SEM و مجهرالقوة الذرية AFM . يظهر الغشاء بتركيب هيكلي اصبعي عند اخذ مقطع عرضي له بالمجهر الالكتروني الماسح (SEM )‚ وبتركيب عقدي للسطح الخارجي مع قنوات تجويف مترابطة بين العقد عند اخذ مسح بمجهر القوة الذرية AFM.

الصورة رقم (1) توضح فحص SEM الصورة رقم (2) توضح AFM للغشاء رقم (2) للغشاء رقم (2)

النتائج و المناقشة من خلال النتائج الموضحة في الجدول رقم (1) لوحظ زيادة نفاذية الماء النقي من(55-60) كغم/م2.س.بار بزيادة معدل جريان bore fluid من( 1.5 الى 4) مل/د بينما قلت قيم الراجع (rejection ) بزيادة معدل جريان bore fluid . استعملت ثلاثة انواع من المذيبات باوزان جزيئية مختلفة و هي NaCl , CaCl2 و مثيلين بلو و كان ترتيب قيم الراجع كالتالي NaCl < CaCl2 < methylene blue

الجدول رقم (1) يوضح نفاذية الماء لكل نوع من انواع الالياف المصنعة Sample No. Temperature (˚C ) Bore flow Rate (ml/min) Pure water flux flux (kg/m2.hr.bar ) Rejection (R % ) NaCl CaCl2 MB* 1 30 1.5 55 29.5 39.92 96 2 30 2 59 42 42.6 95.66 3 30 4 60 28.45 31.9 96 4 40 4 137 4.9 4.5 95.98 5 50 4 64.7 19.05 32 96 MB*:- methylene blue حصلنا على قيم عالية من نفاذية الماء النقي من الاغشية المجوفة للبولي أمايد بينما قطع الوزن الجزيئي (molecular weight) cutoff (MWCO) للاغشية المجوفة للبولي أيمايد تقريبا 250 , و بما ان MWCO لاغشية النانو تقع ضمن (200 – 1000) استنتجنا ان هذا النوع من الاغشية مناسب للتطبيقات النانوية . قيم MWCO موضحة في الجدول رقم (2) وقد اوصى البحث تصنيع أغشية النانو لتطبيقات معالجة المياه انه يمكن استخدام الغشاء رقم (2) و الموضحة ظروف تصنيعة في الجدول اعلاه انه يمكن استخدامه في فصل الاصباغ بكفاءة عالية و بالتالي يمكن استخدامه في تنقية المياه الصناعية الناتجة عرضيا من معامل الاصباغ و يمكن استخدامه في فصل املاح كلوريد الصوديوم و ثنائي كلوريد الكالسيوم بكفاءة متوسطة .

الجدول رقم (2) يوضح قيم MWCO لكل نوع من انواع الالياف المصنعة MWCO Condition Temp.(°c),flow rate(ml/min) code No. 348 30,1.5 1 382 30,2 2 385 30,4 3 390 40,4 4 340 50,4 5

المصادر 1- k. Boussu , Y. Zhang ,"Characterization of polymeric nano filtration membranes for systematic analysis of membrane performance" ,Journal of membrane s (2005). 2- Baker ,R.W.Membrane Technology and Applications , 2nd ed. ,John Wiley & Sons, Ltd. : chichester,(2004). 3- Altinkaya, S.A. "Modeling of asymmetric membrane formation by a combination of dry/wet phase inversion process", Desalination 199:459-460(2006).