روش ترکیب محلول القا شده (solution induced interceletion) از یک حلال برای بارگیری و پخش رس‌ها در محلول پلیمری استفاده می‌شود. این روش هنوز مشکلات و موانع زیادی را در راه تولید تجاری نانوکامپوزیت‌ها پیش رو دارد. قیمت بالای حلالهای مورد نیاز و همچنین مشکل جداسازی فاز حلال از فاز محلول تولید شده، از جمله این موانع هستند. همینطور در این روش، نگرانیهایی از نظر امنیت و سلامتی وجود دارد . با این وجود این روش در مورد پلیمرهای محلول در آب قابل اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قیمت پایین آب که بعنوان حلال استفاده می‌شود و همچنین امنیت بیشتر و خطر کمتر آن برای سلامتی.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

در روش فرایند ذوبی، ترکیب خاک رس و پلیمر در حین ذوب شدن انجام می‌شود. بازده و کارآیی این روش به اندازه روش اینسیتو نیست و کامپوزیتهای تولید شده، ورقه‌ورقه شدگی کمی دارند. به هر حال این روش می‌تواند در صنایع تولید پلیمر قدیمی که در آنها از روش های قدیمی مانند قالبگیری و تزریق (Extrution and injection molding) استفاده می‌شود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمی در افزایش سرعت پیشرفت تولید تجاری نانوکامپوزیت‌های رس / پلیمر ایفا کرده است.
علاوه بر این سه روش با روش‌های دیگر نیز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکیب جامد، کوولکانیزاسیون و روش سل-ژل. این روشها بعضاً در مراحل ابتدایی توسعه هستند و هنوز کاربرد وسیع پیدا نکرده‌اند.
کاربرد غشاء پلی سولفونی را در تصفیه آب می توان امتحان کرد بدین صورت که سه فلز سنگین آرسنیک، کروم و کادمیوم را به خوبی از آب جدا می شود و گرفتگی آن نیز بسیار کند می باشد؛ هر چند که کاربرد های این غشا بیش از تصفیه آب است.
مهمترین خصوصیت این غشاها از نظر عملکرد در سیستم جداسازی، تراوش پذیری و گزینش پذیری آنهاست. برای برخی از این غشاها پایداری حرارتی و شیمیایی اهمیت دارد که بستگی مستقیم به جنس پلیمر آنها دارد و باید آنها را بر اساس این ویژگی ها انتخاب کرد.
بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرایندهای جداسازی غشایی مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و غیر متخلخل هستند و پایه عملکرد آنها مکانیسم حلالیت – نفوذ است. این مکانیسم در مقیاس مولکولی تراوش مولکولها از غشاء پلیمر است. در این مکانیسم فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جدب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می شود [۱۲].
۱-۹- کاربرد تکنولوژی غشا
تکنولوژی غشا یا membrane یکی از تکنولوژی های پر کاربرد در صنعت امروز است که حوزه کاربرد آن از صنعت آب فاضلاب تا صنایع غذایی و دارویی گسترده است [۱۳].
۱-۱۰- محورهای اصلی کاربرد غشاها
۱-۱۰-۱ صنعت آب و فاضلاب
جداسازی املاح آب در فرآیندهای تصفیه بصورت شیمیایی، بیو شیمیایی، میکروبی و غیره انجام می گیرد. مهمترین بخش در فرایند جداسازی و فیلتراسیون املاح از آب غشاها هستند. برای مناطقی که آب آشامیدنی طبیعی مطلوبی ندارند، آب شیرین کن ها از دستگاه های پر مصرف محسوب می شوند. بطور مثال در ایران شهرهایی مثل قم از این مشکل رنج می برند که آب شیرین کن ها تا حد زیادی این مشکل را مرتفع نموه اند. حتی در شهرهایی که آب آشامیدنی به ظاهر مطلوبی دارند، دستگاه های آب شیرین کن بازار خوبی داشته اند چرا که به هر حال آب جاری طبیعی دارای آلودگی می باشد. اخیراً خبری در مورد کشور چین منتشر شده که این کشور با مشکل آب مواجه است در حالی که کشور چین دارای رودخانه های بزرگ بوده و دارای میانگین بارش سالانه بالا می باشد. بنابراین چنین کشوری نیز با جمعیت زیاد نیاز به تصفیه آب و استفاده از تکنولوژی غشایی دارد. فاضلاب نیز پس از یک حد مشخص از آلودگی دیگر برای شرب مناسب نیست ولی با تصفیه می توان از آن در استفاده هایی نظیر کشاورزی یا کارهای عمرانی استفاده کرد. روش های تصفیه ای که مبنی بر فرآیندهای تبخیر و میعان هستند مصرف انرژی بالایی دارند، به ویژه در فرایند میعان میزان مصرف انرژی بیشتر است. ولی در تکنولوژی غشاء این مشکل وجود ندارد و می تواند به عنوان جایگزین خوبی برای روش های قدیمی تصفیه مطرح شود.
البته هزینه اولیه دستگاه های آب شیرین کن شاید زیاد باشد ولی دولت می تواند سوبسیدی که برای درمان بیماریهای انگلی میدهد به خرید دستگاه های تصفیه بدهد و از شرکتهایی که در زمینه توسعه چنین دستگاههایی فعالیت می کنند حمایت کند تا بتواند بتدریج هزینه های تولید را کاهش دهد.
۱-۱۰-۲- صنایع غذایی
صنعت لبنیات، آبمیوه و صنایع تبدیلی دیگر که خود در حوزه صنایع غذایی قرار می گیرند یکی از مصرف کنندگان اصلی غشاها محسوب می شوند بطور مثال در سیستم های UF که در تولید پنیر استفاده می شوند غشاء به کار برده می شود. همچنین از سیستمهایی غشایی در پاستوریزاسیون و هموژنیزاسیون نیز استفاده می شودو در تولید انواع آبمیوه ها که منبع پروتئین برای انسان هستند از غشاء برای شفاف سازی و تا حدودی آلودگی زدایی استفاده می شود.
۱-۱۰-۳- صنایع دارویی و پزشکی
تولید دارو با سیستمهای مختلفی انجام می شود، این دارو نیاز به خالص کردن دارد و اهمیت خالص سازی دارو کمتر از تولید دارو نیست. بطوریکه تولید دارو ۳۰ درصد از هزینه های دارویی را در بر میگیرد در حالیکه ۷۰ درصد هزینه ها صرف خالص سازی دارو می شود. مهمترین عنصر در فرایند خالص سازی غشاها هستند که در فرآیندهایی مانند: دیالیز، میکروفیلتراسیون و نانوفیلتراسیون بکار برده می شوند. در پزشکی نیز در سیستمهای رهایش دارو یا ایمپلنتهایی که باید جذب و دفع کنترل شده در بدن داشته باشند از غشا استفاده می شود.
۱-۱۰-۴- تصفیه هوا و خالص سازی گازها
یکی از محورهای اصلی کاربرد غشا تصفیه هوا و یا تولید گازهای خالص مانند: اکسیژن خالص و نیتروژن خالص می باشد. که این گازها کابردهای صنعتی زیادی دارند. در فرایند PSA که در تولید اکسیژن و نیتروژن خالص بکار برده می شود از غشاها استفاده می شود. امروزه عقیده براین است که اگر بتوان از طریق غشایی مقداری اکسیژن وارد موتور خودرو کرد احتراق بهتر صورت میگیرد.
۱-۱۰-۵-کاربردهای دیگر
زمینه های صنعتی فراوان دیگری نیز وجود دارد که در کنار محورهای اصلی ذکر شده در بالا، در حوزه کاربردهای تکنولوژی غشا قرار می گیرند. از جمله سه محصول صنعتی مهم که در کشور با همین تکنولوژی تولید می شوند عبارنتد از: گاز کلر، آب ژاول و سود. گاز کلر تولید شده به این روش بسیار با کیفیت است بطوریکه حتی به کشورهای منطقه صادر می شود. در فرآیندهای خالص سازی عناصری مثل اورانیوم نیز در صنایع هسته ای بکار می رود از غشا استفاده می شود [۱۳].
۱-۱۱- غشاهای بستر آمیخته
مطالعات برروی ساختار غشا جهت افزایش کارایی آنها همچنین ادامه دارد. یک راه جهت استفاده از ویژگی های هر دو نوع غشاهای آلی و غیر آلی، ساخت غشاهای پلیمری پر شده از ذرات پر کن که در فاز پلیمری به صورت پکنواخت پخش شده اند می باشد. این نوع از غشاها، غشاهای بستر آمیخته نامیده می شوند [۱۴] که دارای گزینش پذیری و تراوایی در حد غشاهای غیرآلی می باشند. بازده جداسازی غشاهای بستر آمیخته می تواند با اصلاحات شیمیایی بهبود یابد. وجود گروه های عاملی آلی بر سطح پر کن غیر آلی علاوه بر این که برای پخش بهتر مواد غیر آلی در فاز پلیمری کمک می نماید، بلکه موجب افزایش گزینش پذیری نیز می شود [۱۵]. در این غشاها از شکنندگی ذاتی غشاهای غیر آلی به دلیل استفاده از پلیمر منعطف جلوگیری می گردد [۱۴]. در مقادیر کم فاز غیر آلی، ذرات پرکن می توانند در جداسازی مؤثر باشند، در مقادیر بالای پرکن، ناحیه هایی از ذرات به هم متصل شده، تشکیل می شود. حتی ممکن است در مقادیر بالاتر این ناحیه ها رشد کرده و مسیرهای پهنی را ایجاد کنند. در مقادیر بالاتر، کانال های پیوسته در داخل غشا شکل می گیرد.
فاز پیوسته (B) عموما بستر پلیمری یا سرامیکی است فاز پخش شده (A) می تواند غربال مولکولی جامد یا مایع باشد. مدل ماکسول ابزاری ساده و مؤثر برای پیش بینی ویژگی های غشاهای بستر آمیخته برای جداسازی H₂/CO₂ توسط غشای بستر آمیخته سلولز استات-سیلیکالیت در سال ۱۹۸۰ مطرح شد. کارهای برجسته در مورد غشاهای بستر آمیخته انجام شده که می توان به موارد زیر اشاره کرد: جداسازی N₂ از هوا [۱۶-۱۷]، CO₂ از گاز طبیعی [۱۷]، n-پنتان از i-پنتان [۱۸] و در جداسازی مایعات: جداسازی مخلوط آب و اتانول و مخلوط تولوئن-اتانول [۱۸].
۱-۱۲-انواع غشاها
غشاها در حالت کلی به دو دسته غشاهای آلی و غیر آلی تقسیم می شوند از مهمترین غشاهای آلی، غشاهای پلیمری هستند این غشاها چگال می باشند، به همین دلیل گزینش پذیری بالایی دارند. از مهمترین غشاهای غیر آلی می توان به غشاهای سرامیکی اشاره کرد. مهمترین ویژگی غشاهای سرامیکی متخلخل تراوایی بالای آنهاست. می توان با بهره گرفتن از یک سیستم ترکیبی از غشاهای آلی-غیر آلی، از گزینش پذیری خوب غشاهای پلیمری و در عین حال از تراوایی و استحکام مکانیکی، شیمیایی و گرمایی بالای غشاهای سرامیکی استفاده کرد به این ترتیب که غشاها برروی پایه های نانوساختار سرامیکی پوشش داده می شوند. غشاهای هیبریدی که در سالهای اخیر تحولات چشم گیری در فرآیندهای جداسازی گازها ایجاد کرده اند، می توانند به عنوان انتخابی مناسب در شیرین سازی گاز طبیعی مطرح شوند. استفاده از پایه های نانوساختار بر عملکرد این نوع غشاها بسیار اهمیت دارد. زیرا اکنون کارهای پژوهشی در این زمینه در مرزهای دانش است و مراکز تحقیقاتی مهم دنیا در مقیاس های آزمایشگاهی کارهای ارزشمندی را انجام می دهند [۷].
۱-۱۳-مدل حلالیت نفوذ
بیشتر غشاهایی که اخیرا در فرایندهای جداسازی غشایی مورد استفاده قرار می گیرند غشاهای پلیمری و غیر متخلخل هستند و پایه عملکرد آنها مکانیسم حلالیت – نفوذ است. این مکانیسم در مقیاس مولکولی تراوش مولکولها از غشاء پلیمر است. در این مکانیسم فرض می شود مولکول در یک طرف غشا جذب می شود و از میان فضاهای خالی زنجیرهای پلیمر نفوذ می کند و در سطح دیگر دفع می شود. مطابق مدل حلالیت - نفوذ ، نقوذ مولکولها از میان غشا با دو پارامتر اصلی کنترل می شود : ضریب نفوذ (D) و ضریب حلالیت (S). ضریب حلالیت برابر نسبت دو پتانسیل جذب مثل فشار جزئی تعریف می شود. تراوایی(P) در رابطه (۱-۱)به صورت توانایی مولکولها برای نفوذ از غشا تعریف می شود.
(۱-۱)
(۱)
انتخاب پذیری غشا هم که توانایی جداسازی دو مولکول مانند A و B است به صورت نسبت تراوایی تعریف می شود.
(۱-۲)
(۲)
که از رابطه (۱-۱) و (۱-۲) رابطه (۱-۳) بدست می آید.
(۱-۳) 
D_A/ D_B (انتخابگری نفوذ) نسبت ضرایب نفوذ دو مولکول و S_A/ S_B (انتخابگری حلالیت) نسبت ضرایب جذب قانون هنری است. توازن بین انتخابگری نسبت به نفوذ و انتخابگری نسبت به حلالیت مشخص کننده این است که آیا غشا در مخلوط خوراک نسبت به A انتخابگری دارد یا نسبت به B. گازها می توانند ضریب تراوایی بالایی داشته باشند ، چون ضریب حلالیت یا ضریب نفوذ یا حتی هر دو آنها زیاد است. عموما با افزایش اندازه مولکولهای گاز ضریب نفوذ کاهش و ضریب حلالیت افزایش می یابد. برای عملکرد خوب غشا هم تراوایی و هم انتخابگری باید بالا باشد. هر چه تراوایی بالا باشد سطح مورد نیاز غشا برای تصفیه گاز کمتر می شود و انتخابگری بالا خلوص گاز بالایی را در شرایط تراوایی یکسان به ما می دهد. پلیمرها با دمای گذار شیشه ای (T_g) بالا ، دمای ذوب بالا و کریستالی بودن بالا معمولا پیشنهاد می شوند. پلیمرهای شیشه ای (پلیمرهایی که زیر دمای گذار شیشه ای خود قرار دارند) استقامت بالایی دارند بنابراین مولکولهای ریز مثل H₂ و He سریع عبور می کنند و مولکولهای بزرگ مثل هیدروکربن ها به آهستگی عبور می کنند. پلیمرهای تراوا انتخاب پذیری پایینی دارند.
با وجود تمام این مزایا غشاهای پلیمری نمی توانند به مشکل تناقض بین انتخابگری و تراوایی چیره شوند. در واقع غشاهای غیر آلی مثل غشاهای کربنی و زئولیتی دارای انتخابگری و تراوایی بالایی هستند اما در مقیاس بزرگ ساخت آنها سخت است. با توجه به نیاز بازدهی بالای غشاها در غشاهای پلیمری و غیرآلی یک نوع جدید غشاها اخیرا گسترش یافته به اسم غشاهای بستر آمیخته. غشاهای بستر آمیخته غشاهای ترکیبی هستند که ذرات جامد یا مایع یا هر دو آنها به عنوان پرکننده در بستر پلیمر جاسازی شده اند.
با غشاهای بستر آمیخته می توان به انتخابگری بالا با همان مقدار تراوایی یا تراوایی بیشتر در مقایسه با غشاهای پلیمری موجود دست یافت. با اضافه کردن فاز پخش شده می توان خواص جداسازی را بهبود بخشید.
شکل ۱-۸-فاز پیوسته و پراکنده در ساختار غشاهای بستر آمیخته
فاز بالک (B) عموما به عنوان پایه ، پلیمری یا سرامیکی است. فاز پخش شده (A) می تواند غربال مولکولی مایع باشد. مدل ماکسول ابزاری ساده و موثر برای پیش بینی خواص غشاهای بستر آمیخته است.
 (۱-۴)
P: تراوایی : جزء حجمی فاز پخش شده ، زیر نویس MM اشاره به غشای بستر آمیخته دارد. M اشاره به فاز پیوسته و D اشاره به فاز پخش شده دارد.
۱-۱۴-تجهیزات لازم بررسی ساختار عملکرد غشاءها
۱- میکروسکوپ الکترونیکی روبشی(SEM)
۲- میکروسکوپ نیرواتمی(AFM)
۳- اندازه گیری سطح غشاء با بهره گرفتن از زتاپتاسیل
۴- اندازه گیری زاویه تماس
۵- آنالیز طیف سنجی FTIR-ATR
۶- آنالیز حرارتی ثقلی(TGA)
۷- سیستم ارزیابی غشاها
۱-۱۵- تاریخچه گسترش غشا
مطالعات سیستماتیک پدیده غشا و فرآیندهای غشایی به قرن هجدهم برمی گردد. دانشمندان برای مثال اب نولت کلمه اسمز برای توصیف نفوذ آب از طریق دیافراگم را در سال ۱۷۴۸ ابداع کرد. در طول قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم غشا هیچ کاربرد صنعتی یا تجاری نداشت اما به عنوان ابزار آزمایشگاهی برای توسعه تئوری فیزیکی/ شیمیایی مورد استفاده قرار گرفت. به عنوان مثال محاسبه فشار اسمزی ایجاد شده توسط غشا توسط وانت هوف در سال ۱۸۸۷ که رفتار محلول های ایده آل رقیق را توضیح می دهد، استفاده شد. حدودا همان زمان، مفهوم کاملا گزینشی غشاء نیمه تراوا توسط ماکس ول و دیگران در توسعه نظریه جنبشی گازها استفاده شد. به زودی محققان آزمایشات غشا را با نوعی دیافراگم قابل دسترس به عنوان مثال، مثانه خوک، گاو یا ماهی و سوسیس روده ساخته شده از روده ی حیوانات شروع کردند. پس از آن غشاهای محلول شیمیایی (نیتروسلولز) ترجیح داده شد زیرا آنها بایستی قابل تکثیر باشند. در سال ۱۹۰۷ بچهلد روشی را ابداع کرد که برای آماده سازی غشاهای نیتروسلولزی با اندازه منافذ مدرج که با یک آزمایش حباب تعیین می شد، مورد استفاده قرار گرفت. در اوایل سال ۱۹۳۰ غشای میکرو منفذ به صورت تجاری در دسترس بود.در طی ۲۰ سال آینده تکنولوژی غشای میکروفیلتراسیون برای پلیمرهای دیگر، به طور ویژه استات سلولز، گسترش پیدا کرد. اولین کاربرد غشاهای یافت شده در تست آب آشامیدنی در پایان جنگ جهانی دوم بود. در سال ۱۹۶۰ که علم مدرن غشا گسترش یافته بود، غشاها تنها در چند آزمایشگاه کوچک تخصصی، استفاده شد. هیچ غشای قابل توجه صنعتی وجود نداشت و مجموع فروش سالانه غشا برای تمام کاربردهای صنعتی احتمالا بیش از ۲۰ میلیون دلار در سال ۲۰۰۳ نمی شود. غشاها دارای ۴ مشکل هستند که مانع کاربرد وسیع شان به عنوان یک فرایند جداسازی می شود: آنها غیرقابل اعتماد، بیش از حد آهسته، همچنین غیر گزینشی و بیش از حد گران هستند. راه حل های هرکدام از این مشکلات در طول ۳۰سال گذشته گسترش یافتند. فرآیندهای جداسازی مبتنی بر غشا اکنون رایج هستند. در دوره ۱۹۶۰-۱۹۸۰ یک تغییر ویژه در وضعیت تکنولوژی غشا ایجاد شد. دیگر فرآیندهای شکل گیری غشا، از جمله پلیمریزاسیون بین سطحی و ریخته گری کامپوزیت و پوشش چند لایه برای ساخت غشاهایی با کارایی بالا توسعه داده شد. با بهره گرفتن از این فرایند غشاهایی با لایه های گزینشی به ضخامت µm 1/0 یا کمتر حالا توسط تعدادی از شرکت ها تولید می شوند. در سال ۱۹۸۰ میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس و الکترودیالیز فرآیندهای ایجاد شده و گسترش یافته در جهان هستند[۱۹].
۱-۱۶- تاریخچه غشاهای بستر آمیخته
با توجه به نیاز بازدهی بالای غشاها در غشاهای پلیمری و غیر آلی، نوع جدید غشاها اخیراَ به نام غشاهای بستر آمیخته گسترش یافته است. غشاهای بستر آمیخته غشاهای ترکیبی هستند که در آنها جامد یا مایع یا هردو به عنوان پر کننده در بستر پلیمر جاسازی شده اند [۳] پژوهش بر روی غشاهای بستر آمیخته از سال ۱۹۸۰ با سرعت قابل ملاحظه ای به صورت پیوسته رو به افزایش است. اکنون یافته های تجربی و آزمایشگاهی، برتری نسبی جداسازی غشاهای بستر آمیخته نسبت به غشاهای پلیمری خالص را نمایان گر ساخته است. با توجه به جدید بودن این نوع از غشاها، فضای کاری زیادی برای مطالعات آینده پیش رو قرار دارد [۱۹].