روش طراحی غشاهای پلی‌(وینیلیدین فلوراید) برای تصفیه آب

چکیده

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : توسعه فن‌آوری‌های آسان و کم‌مصرف برای تصفیه آب به منظور تولید آب پاک، یک چالش بزرگ اجتماعی است. فناوری­های جداسازی مبتنی بر غشا به عنوان یک راه حل ایده‌آل برای تصفیه آب مطرح می­باشند. غشاهای پلیمری مبتنی بر PVDF به دلیل خواص مطلوبشان مانند استحکام مکانیکی بالا، مقاومت حرارتی/شیمیایی و ویژگی‌های فرآیندپذیری مطلوب، روز به روز محبوبیت بیشتری پیدا می‌کنند. این مقاله مروری به طور جامع روش­های پیشرفته  را برای اصلاح و طراحی غشاهای PVDF با کارایی بالا برای تصفیه آب بیان می‌کند. غشاهای PVDF متخلخل با کارایی بالا که در اینجا معرفی شده‌اند، بر فرآیندهایی غشایی  تحت فشار و تقطیر غشایی (MD[2]) تمرکز دارند. این مطالعه مروری همچنین مواردی مانند روش سبز جهت ساخت غشاهای PVDF، روش­های جدید برای تنظیم ریزساختار و خواص سطح، غشاهایی که یک سطح آبدوست و یک سطح آبگریز دارند (Janus)،  غشاهای اومنیفوبیک[3]، غشاهای PVDF ترکیبی حاوی مواد جدید 0D، 1D و 2D، و PVDF خود تمیز شونده را برای غشاهای تصفیه آب پوشش می‌دهد. به‌طور کلی، این مطالعه با هدف ارائه درکی از جنبه‌های علمی و مهندسی استفاده از PVDF و کوپلیمرهای آن برای ساخت غشا و همچنین چالش‌ها و فرصت‌ها برای هدایت پیشرفت‌های بیشتر به سمت توسعه فناوری‌های غشایی مبتنی بر PVDF برای آینده پایدار می­باشد.

نتیجه گیری و پیشنهادات برای ادامه کار

در این مقاله مروری، پیشرفت‌های  اخیر در خصوص غشاهای PVDF و فناوری‌های اصلاح آن­ها به‌طور جامع بررسی شده است. در وهله اول، توسعه خواص شیمیایی و فیزیکی PVDF و ترکیبات آن، مانند حلالیت، مقاومت قلیایی، و پایداری حرارتی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

پیشرفت‌های اخیر در فرآیندهای جدایی فاز برای ساخت غشا بر اساس آخرین پیشرفت‌ها در زمینه روش­های NIPS[4]، [5]TIPS، VIPS[6] و ترکیب آنها مورد بحث قرار گرفته­اند. پس از آن، روش­های ساخت غشاهای PVDF از منظر حلال‌های غیر سمی و روش‌های بدون حلال بررسی شد. علاوه بر این، روش‌های طراحی همراه با برخی از رویکردهای نوظهور برای بهبود عملکرد غشاهای PVDF بررسی و معرفی شدند. در نهایت، این روش‌ها برای طراحی غشاهای PVDF متخلخل برای کاربردهای مختلف تصفیه آب، مانند غشاهای تحت فشار و فرآیند MD مورد استفاده قرار گرفتند. غشاهای PVDF خود تمیز شونده و فرآیندهای مربوطه نیز در این بررسی برجسته شدند.

اگرچه تلاش‌های زیادی برای توسعه PVDF و مخلوط‌های آن برای ساخت غشاها انجام شده است، پتانسیل رشد این زمینه کماکان بالاست و باید تلاش‌های بیشتری صورت گیرد که در قالب موارد زیر خلاصه می‌شوند:

 (1) PVDF به دلیل واکنش  دی هیدروفلوئوراسیون[7] مقاومت کمی نسبت به محیط­های قلیایی دارد. این واکنش­ها منجر به محدود شدن کاربرد PVDF در بسیاری از محیط‌ها و  همچنین کاهش ثبات دراز مدت آن می­شود. توسعه PVDF مقاوم در برابر محیط­های قلیایی برای کاربردهای گسترده در شرایط سخت، یکی از برنامه‌های مهم در آینده می­باشد.

 (2) فرآیندهای ساخت و اصلاح PVDFها باید مورد تاکید قرار گیرند. ابتدا، اصلاح شیمیایی سطح PVDF باید انجام شود تا سطح آبدوست­تر یا آبگریزتری به دست آید که اغلب نیازمند پیش تصفیه می­باشد و به روش‌های پیچیده‌تری نیز نیاز دارد. فرآیندهای پیچیده پیش تصفیه‌ها، فاضلاب بیشتری تولید می‌کنند و مطالعات بیشتری برای ساده‌سازی عملیات سطحی پلیمر PVDF مورد نیاز است. علاوه بر این، فرآیندهای سبز به منظور ساخت غشاهای PVDF ضروری به نظر می­رسد. برای ساخت غشاهای PVDF باید تلاش‌های بیشتری برای استفاده از حلال‌های غیر سمی یا روش­های بدون حلال انجام شود. شیمیدانان و دانشمندان غشا باید حلال‌های غیر سمی بیشتری با ریزساختارها و عملکرد قابل تنظیم پیدا کنند تا از پیشرفت‌های آینده غشاهای پلیمری مبتنی بر PVDF پشتیبانی کنند.

(3) عملکرد پایدار آمیزه‌های PVDF با معرفی نانوذره‌ها یک مسئله اصلی است که پیشرفت‌ها و کاربردهای صنعتی آنها را تا حدی محدود کرده است. به عنوان مثال، در فرآیند غشای PVDF فوتوکاتالیستی، افزودن نانوذرات می‌تواند تخریب زنجیره‌های پلیمری در تابش UV و محیط اکسیدی را تسریع کند. با این حال، سازوکار واکنش نیاز به توضیحات بیشتری دارد. جلوگیری از تخریب پلیمر می‌تواند چرخه عمر غشا PVDF را افزایش دهد. علاوه بر این، در جداسازی محلول‌های غذایی با استفاده از غشاهای ترکیبی PVDF، نشت نانوذرات در این محلول‌ها اثرات نامطلوب زیادی بر سلامت انسان دارد.

(4) غشاهای نانوفیلتراسیون مبتنی بر PVDF در سال‌های اخیر به سرعت توسعه یافته‌اند. آنها معمولاً به قرارگیری یک لایه دیگر توسط یک فرآیند پلیمریزاسیون بین سطحی یا اتصال عرضی روی یک بستر PVDF برای به دست آوردن برش مولکولی[8] (MWCO) کم نیاز دارند. علاوه بر این، غشاهای نانوفیلتراسیونی از جنس PVDF معمولاً به صورت صفحات تخت هستند. در حالیکه اکستروژن یک مرحله‌ای غشاهای الیاف توخالی نانوفیلتراسیونی PVDF با طراحی نخ­ریس­ها[9] و محلول‌های پلیمری مقرون به صرفه‌تر و سودمندتر است.

(5) در فرآیندهای غشایی که از غشاهای PVDF خود تمیز شونده استفاده می­شود، ظرفیت تصفیه آب محدود می­شود. ترکیبی از فرآیندهای مختلف خود تمیز شوندگی را می­توان برای تصفیه فاضلاب حاوی آلاینده‌های پیچیده با استفاده از غشاهایی با عملکرد ضد رسوب بیشتر و نفوذپذیری آب بالاتر استفاده نمود. به‌عنوان مثال، نانوصفحات گرافن اکساید، از یک سو، می‌توانند برای ساخت غشاهای رسانا در فرآیند غشای خود تمیز شونده الکتروشیمیایی PVDF استفاده شوند. از طرف دیگر، می‌توان از آن در فرآیند غشای فوتوکاتالیستی نیز استفاده نمود. ترکیب این دو سیستم خود تمیز شونده سودمند خواهد بود.

[1]  PVDF

[2] membrane Distillation (MD)

[3] omniophbic

[4] non-solvent Induced phase separation

[5] thermally Induced phase separation

[6] vapor Induced phase separation

[7] de- hydrofluorination

[8] molecule weight cut-off (MWCO)

[9] spinnerets

source : Design strategy of poly(vinylidene fluoride) membranes for water treatment

ترجمه و ویرایش : ملیحه سبزه کار