محققان دانشگاه خوارزمی جهت افزایش بازده و طول عمر غشاهای پلیمری و همچنین کاهش هزینه‌ی فرایندهای جداسازی، اقدام به بررسی تأثیر استفاده از نانوذرات کردند. این غشاها در صنایع تصفیه‌ی آب، تغلیظ شیر و شفاف‌سازی آبمیوه‌ها استفاده می‌شود.
دانشگاه خوارزمی: بهبود عملکرد فیلترها با نانوذرات
فرایند جداسازی به کمک فیلترها علاوه‌بر بازده بالا، هزینه‌ی عملیاتی کمی دارد. از این رو شاهد استفاده‌ی گسترده‌ی این تجهیزات در صنایع مختلف هستیم. در ساخت این فیلترها، از پلیمرهای متنوعی نظیر پلی اترسولفون و پلی‌وینیلیدن فلورید استفاده می‌شود. یکی از پلیمرهای کم هزینه با مقاومت مکانیکی و شیمیایی مناسب، پلیمر پلی‌وینیل کلرید است. البته در میان گریدهای مختلف آن پلی وینیل کلرید امولسیونی (EPVC) گزینه مناسب‌تری جهت ساخت فیلترها محسوب می‌شود. هدف از انجام این تحقیق، کاهش گرفتگی غشای الترافیلتراسیون از جنس پلی وینیل کلرید امولسیونی با استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم (TiO2) بوده است.
دکتر وحید وطن‌پور، در خصوص نتایج این طرح عنوان کرد: « در این طرح، از یک پلیمر ارزان که ساخت ایران است، برای تولید غشا استفاده شده که خصلت آن با نانوذره بهبود یافته است. کاهش گرفتگی و افزایش طول عمر غشا و همچنین افزایش راندمان فرایند از جمله نتایج به‌دست آمده در پی استفاده از نانوذرات بوده است.»
عضو هیأت علمی دانشگاه خوارزمی در ادامه افزود: «مشکل پلیمر پلی وینیل کلرید امولسیونی در مقایسه با پلیمرهای خارجی استفاده شده مثل پلی اترسولفون، آب گریز‌تر بودن آن است. استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم موجب افزایش آب‌دوستی غشای سنتزی شده و کاهش چسبیدن مواد آلی به سطح غشا و مسدود کردن حفرات آن را سبب می‌شود. در نتیجه افزودن نانوذره باعث افزایش تخلخل و افزایش شدت جریان عبوری(فلاکس) آب و پروتئین از غشاهای ساخته شده گردیده و حتی عملکرد بهتری از غشاهای پلی اترسولفونی مشابه پیدا کرده است.»
استفاده از نانوذرات دیگر برای اصلاح پلیمر EPVC از دیگر طرح‌های مورد بررسی در این گروه تحقیقاتی است.
برای دستیابی به اهداف مورد نظر، ابتدا نانوذره در حلال N-متیل پیرولیدون (NMP) به وسیله دستگاه فراصوت پخش شد. سپس با اضافه کردن پلیمر EPVC به محلول، به مدت ۲۴ ساعت هم‌زده شد تا محلول یکنواختی حاصل گردد. غشای الترافیلتراسیون با استفاده از یک فیلم کش به ضخامت ۱۵۰ میکرون روی شیشه کشیده شد و با غوطه‌وری آن در آب به روش جدایش فازی ساخته شد. برای بررسی شکل ظاهری و ساختار غشای تولید شده از آزمون‌های SEM و EDAX استفاده شد.
وطن‌پور نحوه‌ی اثرگذاری نانوذرات بر عملکرد غشا را این‌گونه توضیح داد: «نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم، وقتی در آب قرار می‌گیرند، مقداری از آن را جذب کرده و سطح آن‌ها آبدوست می‌شود. با اضافه کردن این نانوذره به پلیمر و ساخت غشا از آن، به علت حضور نانوذرات، سطح غشا یک لایه آب را جذب کرده و در نتیجه مانع چسبیدن مواد آلی آب گریز به سطح خود می‌شود.»
دکتر وحید وطن‌پور، در خصوص نتایج این طرح عنوان کرد: « در این طرح، از یک پلیمر ارزان که ساخت ایران است، برای تولید غشا استفاده شده که خصلت آن با نانوذره بهبود یافته است. کاهش گرفتگی و افزایش طول عمر غشا و همچنین افزایش راندمان فرایند از جمله نتایج به‌دست آمده در پی استفاده از نانوذرات بوده است.»
عضو هیأت علمی دانشگاه خوارزمی در ادامه افزود: «مشکل پلیمر پلی وینیل کلرید امولسیونی در مقایسه با پلیمرهای خارجی استفاده شده مثل پلی اترسولفون، آب گریز‌تر بودن آن است. استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم موجب افزایش آب‌دوستی غشای سنتزی شده و کاهش چسبیدن مواد آلی به سطح غشا و مسدود کردن حفرات آن را سبب می‌شود. در نتیجه افزودن نانوذره باعث افزایش تخلخل و افزایش شدت جریان عبوری(فلاکس) آب و پروتئین از غشاهای ساخته شده گردیده و حتی عملکرد بهتری از غشاهای پلی اترسولفونی مشابه پیدا کرده است.»
استفاده از نانوذرات دیگر برای اصلاح پلیمر EPVC از دیگر طرح‌های مورد بررسی در این گروه تحقیقاتی است.
برای دستیابی به اهداف مورد نظر، ابتدا نانوذره در حلال N-متیل پیرولیدون (NMP) به وسیله دستگاه فراصوت پخش شد. سپس با اضافه کردن پلیمر EPVC به محلول، به مدت ۲۴ ساعت هم‌زده شد تا محلول یکنواختی حاصل گردد. غشای الترافیلتراسیون با استفاده از یک فیلم کش به ضخامت ۱۵۰ میکرون روی شیشه کشیده شد و با غوطه‌وری آن در آب به روش جدایش فازی ساخته شد. برای بررسی شکل ظاهری و ساختار غشای تولید شده از آزمون‌های SEM و EDAX استفاده شد.
وطن‌پور نحوه‌ی اثرگذاری نانوذرات بر عملکرد غشا را این‌گونه توضیح داد: «نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم، وقتی در آب قرار می‌گیرند، مقداری از آن را جذب کرده و سطح آن‌ها آبدوست می‌شود. با اضافه کردن این نانوذره به پلیمر و ساخت غشا از آن، به علت حضور نانوذرات، سطح غشا یک لایه آب را جذب کرده و در نتیجه مانع چسبیدن مواد آلی آب گریز به سطح خود می‌شود.»
تصویری از فرایند ساخت غشا
نتایج این تحقیقات در مجله‌ی Journal of Membrane Science (جلد ۴۷۲، شماره ۱، سال ۲۰۱۴، صفحات ۱۸۵ تا ۱۹۳) منتشر شده و حاصل همکاری دکتر وحید وطن‌پور، محمدحسین داوود آبادی فراهانی و حسام الدین ربیعی است.
