شماره ركورد
24530
شماره راهنما
CHE3 253
عنوان
طراحي و ساخت غشا ژانوس بر پايه PVDF/PAN به روش الكتروريسي متوالي: بهره¬برداري از ترشوندگي سطح، تخلخل ساختار و اختلاف در ضخامت لايه¬هاي آب¬گريز /آب¬دوست در راستاي بهبود عملكرد جداسازي فاز آبي از فاز آلي
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
شيمي- شيمي پليمر
دانشكده
شيمي
تاريخ دفاع
30.10.1403
صفحه شمار
134 ص.
استاد راهنما
غلامعلي كوهمره , مريم همايون فال فيني
كليدواژه فارسي
غشا ژانوس , الكتروريسي , ترشوندگي نامتقارن , انتقال يك طرفه آب , جداسازي آب و روغن , پلي وينيليدن فلورايد/ پلي اكريلونيتريل
چكيده فارسي
غشاهاي جانوس به دليل قابليت آنها در تسهيل انتقال يكطرفه مايعات و كاربردهاي گسترده در جداسازي فازهاي آبي-آلي مورد توجه زيادي قرار گرفتهاند. در اين پژوهش، غشاي ژانوس PVDF/PAN با استفاده از روش الكتروريسي ساخته شد و عملكرد آن از نظر فشار لاپلاس، آبدوستي، تخلخل و خواص مكانيكي بهينهسازي گرديد. در گام اول، چهار نوع غشاي ژانوس با اندازه حفرات مختلف در هر لايه طراحي و ارزيابي شدند. حداقل و حداكثر قطر الياف در پليمرهاي PAN و PVDF به ترتيب برابر با nm38 ± 172،nm 99 ± 991 و nm44 ± 139، nm80 ± 1002 بود. بررسي¬ها نشان داد كه غشاي ژانوس، با كمترين قطر الياف در لايه آبدوست و بيشترين قطر الياف در لايه آبگريز، بهترين عملكرد را با فشار لاپلاس كل 60/205 كيلوپاسكال و نرخ نفوذ قطره 83/0 ميكروليتر بر ثانيه ارائه ميدهد. اين عملكرد به دليل فتيلهزني قويتر لايه آبدوست و نيروي آبگريزي مطلوب در لايه آبگريز به دست آمد. در بخش دوم، براي افزايش تخلخل درون الياف لايه PAN، از دو روش حذف انتخابي (SR) و جداسازي فاز ناشي از ضد حلال (NIPS) استفاده شد. در روش حذف انتخابي، استفاده از اجزاء قرباني نظير PVP، PEG، NaHCO₃ و Na₂SO₄ منجر به ايجاد تخلخلهاي قابل توجهي درون الياف شد. از ميان اين اجزاء، NaHCO₃ بهدليل توليد گاز CO₂ طي واكنش با HCl، بالاترين ميزان تخلخل (%86) را ايجاد كرد. فشار داخلي ناشي از توليد CO₂ عامل اصلي اين افزايش تخلخل بود. در مقايسه اجزاء قرباني پليمري، PEG عملكرد بهتري نسبت به PVP نشان داد كه علت آن باقي ماندن بخشي از PVP در بستر الياف بود؛ اين مسئله از طريق آناليز ATR-FTIR تأييد شد. روش NIPS و تركيبي آن با روش جدايي فاز ناشي از بخار (VIPS) نيز مؤثر واقع شدند. استفاده از %5 ضد حلال، شرايط بهينهاي براي افزايش تخلخل در كنار حفظ خواص مكانيكي فراهم كرد. بخش سوم پژوهش به بهبود آبدوستي لايه PAN اختصاص دارد. براي اين منظور، هيدروليز قليايي بهعنوان روشي ساده و اقتصادي انتخاب شد. اين روش با تبديل گروههاي نيتريل به آميد و كربوكسيليك اسيد، آبدوستي سطحي را افزايش داد. بررسيها نشان داد كه زمان هيدروليز 18 دقيقه، با كاهش زاويه تماس به 32 درجه و افزايش جذب آب، بهترين شرايط را فراهم ميكند. افزايش زمان هيدروليز به مقادير بالاتر، موجب كاهش خواص مكانيكي شد. در نهايت عملكرد غشاي نهايي در جداسازي مخلوطهاي آب و روغن مورد بررسي قرار گرفت (بازده جداسازي % 4/99 و شار عبوري L.m-2.h-1.bar-1 104 × 2/12). اين پژوهش با استفاده از رويكردهاي تركيبي و اصلاحي، بهينهسازي فشار لاپلاس، تخلخل و آبدوستي غشاي ژانوس را ممكن ساخت. نتايج حاصل، افقهاي جديدي براي طراحي غشاهاي پيشرفته جهت كاربردهاي صنعتي و زيستمحيطي گشود.
كليدواژه لاتين
Janus membrane , Electrospinning , Asymmetric wettability , Directional water transport , Water and oil separation , PVDF/PAN
عنوان لاتين
Design and fabrication of Janus membrane based on PVDF/PAN through sequential electrospinning technique: manipulation of surface wettability, structure porosity, and thickness of hydrophobic- hydrophilic layers to improve the separation performance of aqueous phase from organic phase
گروه آموزشي
شيمي پليمر
چكيده لاتين
Janus membranes have garnered significant attention due to their ability to facilitate unidirectional fluid transport and their extensive applications in aqueous-organic phase separation. In this study, a PVDF/PAN Janus membrane was fabricated using electrospinning, and its performance was optimized in terms of Laplace pressure, hydrophilicity, porosity, and mechanical properties. Initially, four types of Janus membranes with different morphologies—JInOn, JInOm, JImOn, and JImOm—were designed and evaluated. The minimum and maximum fiber diameters for PAN and PVDF polymers were measured at (172 ± 38 nm, 991 ± 99 nm) and (139 ± 44 nm, 1002 ± 80 nm), respectively. Contact angle analysis revealed that the JInOm membrane, with the smallest fiber diameter in the hydrophilic layer and the largest in the hydrophobic layer, exhibited the best performance, achieving a total Laplace pressure of 205.60 kPa and a droplet penetration rate of 0.83 µL/s. This performance was attributed to the stronger wicking effect in the hydrophilic layer and the reduced hydrophobicity of the hydrophobic layer. In the second phase of the study, porosity within the PAN fiber layer was enhanced using selective removal (SR) and non-solvent-induced phase separation (NIPS) methods. In the SR method, sacrificial components such as PVP, PEG, NaHCO₃, and Na₂SO₄ were employed to create significant intrafiber porosity. Among these, NaHCO₃ produced the highest porosity (86%) due to CO₂ gas generation during its reaction with HCl. The internal pressure caused by CO₂ generation was the primary factor driving this increase in porosity. Comparatively, PEG outperformed PVP as a sacrificial component because residual PVP within the fiber matrix, confirmed through ATR-FTIR analysis, hindered porosity formation. The NIPS method, combined with vapor-induced phase separation (VIPS), also proved effective. Using a 5% non-solvent concentration provided optimal conditions for increasing porosity while maintaining mechanical properties. These methods improved hydrophilicity and simplified and stabilized the electrospinning process. The third phase of the study focused on enhancing the hydrophilicity of the PAN layer. Alkaline hydrolysis, a simple and cost-effective method, was selected for this purpose. By converting nitrile groups into amide and carboxylic acid groups, surface hydrophilicity was increased. Analysis showed that a hydrolysis time of 18 minutes resulted in optimal conditions, reducing the contact angle to 32° and improving water absorption. Prolonged hydrolysis times, however, negatively affected mechanical properties. The final membrane demonstrated a separation efficiency of 99.4 % and a permeate flux of 12.2×104 L.m-2.h-1.bar-1 in water-oil mixture separation tests. By employing combined and innovative modification approaches, this study successfully optimized the Laplace pressure, porosity, and hydrophilicity of the Janus membrane. The findings open new horizons for the design of advanced membranes tailored for industrial and environmental applications.
تعداد فصل ها
4
فهرست مطالب pdf
122882
نويسنده