بهبود فرآیند نمک‌زدایی در سیستم‌های شیرین‌سازی آب

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، لیلا قدیری؛ دانش آموخته دکتری دانشگاه صنعتی و مجری طرح، کمبود آب آشامیدنی را یکی از چالش‌های جهانی امروز دانست و گفت: ۷۲ درصد از کره‌ زمین از آب تشکیل شده و بخش اعظمی از آن مربوط به دریاها و اقیانوس‌ها است که حاوی درصد بالایی از املاح و غیر قابل آشامیدن است.

وی ادامه داد: ایران در بعضی مناطق به شدت با کمبود آب قابل شرب مواجه است به گونه‌ای کیفیت و سلامت ساکنین این مناطق را به خطر انداخته است. این مشکل می‌تواند تا سطح وسیعی با توسعه زیرساخت‌های مربوط به روش‌های شیرین سازی آب با توجه به دسترسی به منابع آب شور مرتفع شود. تاکنون، روش‌های متنوعی برای شیرین سازی آب ارائه شده است که از میان آنها روش‌های مبتنی بر غشاها به علت آسان‌تربودن، کم هزینه بودن و امکان به کارگیری در مناطق و کاربردهای مختلف بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند.

این دانش آموخته دکتری دانشگاه صنعتی امیرکبیر با بیان این‌که در حال حاضر برای انجام فرآیند شیرین‌سازی آب از غشاهای مبادله‌کننده یون تجاری خارجی استفاده می‌شود، گفت: این غشاها دارای معایبی چون فرایند سنتز پیچیده، تولید واسطه‌های سمی به همراه واکنش‌های خطرناک تحت فشار و دمای بالا، قیمت بالا و عدم قابلیت کارکرد در دمای بالا هستند و به همین دلیل سنتز و تهیه غشاهای جدید راهکاری برای غلبه بر معایب غشاهای مبادله کننده یون تجاری است.

روش الکترودیالیز؛ پرکاربردترین روش برای حذف املاح آب شور

دکتر لیلا ناجی؛ استاد راهنمای این طرح تحقیقاتی روش «الکترودیالیز» را یکی از پرکاربردترین روش‌های توسعه یافته غشایی برای حذف املاح از آب شور دانست و گفت: نیروی محرکه این روش، میدان الکتریکی است که به غشاهای مبادله‌کننده کاتیونی و آنیونی آب‌دوست که به ترتیب پشت سرهم در میان دو الکترود فلزی قرار داده شده‌اند، اعمال می‌شود. این فرآیند یکی از روش‌های غشایی شیرین سازی آب دریا محسوب می‌شود، که در آن، غشا نقش کلیدی و اساسی را در نمک‌زدایی و شیرین سازی آب دارد.

وی ادامه داد: پایین بودن هدایت یونی و نفوذ گزینشی، پایین بودن میزان مقاومت الکتریکی و در نتیجه مصرف انرژی الکتریکی بالا از جمله چالش‌های اصلی غشاهای سنتز شده‌ مبادله کننده یون، مورد استفاده در فرایند الکترودیالیز به شمار می‌رود. یکی از موثرترین روش‌ها جهت حل مشکل پایین بودن هدایت یونی غشاهای مبادله کننده کاتیون، به کار بردن گرافن اکسید عامل‌دار شده در ساختار غشا جهت افزایش آب‌دوستی، افزایش استحکام مکانیکی و افزایش هدایت یون است.

دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر اظهار کرد: بر این اساس در این پژوهش عامل‌دار شدن گرافن اکسید، با استفاده از گروه‌های سولفونه و فسفره انجام شد. همچنین اثر تنوع و میزان بارگذاری گروه‌های مبادله کننده کاتیون در ساختار غشای پلیمری پلی وینیلیدن فلوراید، مکانیزم اتصال گروه‌های عاملی آب‌دوست و مبادله کننده کاتیون، و تاثیر اصلاحات انجام شده بر ویژگی‌های فیزیکو شیمیایی، الکتروشیمیایی و عملکرد جداسازی در غشا جهت نمک زدایی مورد بررسی قرار گرفت.

ناجی با تاکید بر اینکه غشاهای مبادله‌کننده‌ کاتیون پتانسیل بالایی در برخورداری از ویژگی‌های مطلوبی مانند انتخاب‌پذیری یونی، مقاومت شیمیایی، پایداری حرارتی و مکانیکی بالا، هدایت یونی بالا و انتخاب‌پذیری نسبت به یون‌های خاص را دارند، اظهار کرد: از جمله کاربردهای این غشاها در فرایند الکترودیالیز می‌توان به جداسازی یون‌های مختلف از محلول‌های آبی، تصفیه آب و فاضلاب، فرایندهای غشایی جداسازی یونی، استخراج فلزات ارزشمند از محلول‌های آبی و استفاده در صنایع مختلف اشاره کرد.

تمرکز بر توسعه غشاهای ارزان‌قیمت

به گفته وی؛ این تحقیقات به منظور ارتقای مرزهای دانش در حوزه غشایی جداسازی یونی، بهبود ویژگی‌های فنی و عملکردی غشاها، بهینه‌سازی فرآیندها، ارزیابی کیفیت و کارایی غشاها، کاهش هزینه‌ها، کسب فناوری و همچنین اقتصادی‌سازی تولید غشاها صورت گرفته است. با ادامه تحقیقات و بررسی‌های انجام شده و این محققان امیدوارند که قابلیت‌ها و کاربردهای این غشاها در فرایند الکترودیالیز بهبود یابد و بتوان از آنها در مقیاس تجاری و کاربردهای صنعتی گسترده‌تری بهره‌برداری کرد.

ناجی با بیان اینکه غشاهای مبادله کننده یون جز کلیدی دستگاه الکترودیالیز هستند، ادامه داد: ویژگی‌های ساختاری و فیزیکی این غشاها نقش بسزایی در مقدار انرژی الکتریکی موردنیاز و کارایی فرایند جداسازی یون‌ها از آب دارد. این غشاها به صورت تجاری قابل خریداری هستند اما قیمت بالای آن‌ها یکی از عوامل محدود کننده در توسعه دامنه کاربرد فرایند الکترودیالیز در زمینه‌های مختلف به خصوص در شیرین سازی آب در مقیاس بالا است. به همین دلیل، مراکز تحقیقاتی بسیاری در سراسر جهان مطالعات و تحقیقات خود را بر روی توسعه غشاهای مبادله کننده یون ارزان قیمت با کارایی جداسازی بالا متمرکز کرده اند.

وی اضافه کرد: از این رو طرح پژوهشی حاضر با تهیه و انتخاب مواد اولیه، سنتز و عامل‌دار کردن گرافن اکسید توسط گونه‌های سولفونه و عوامل متنوع فسفر دار، سنتز و تهیه غشاها، ساخت دستگاه مورد نیاز جهت آزمایش غشاها، شروع شد و با بررسی و تجزیه نتایج آزمایشگاهی ادامه یافت. همچنین این طرح مورد حمایت صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران کشور و ستاد ویژه توسعه‌ی فناوری نانو قرار گرفت.

عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهیه و شناسایی مواد اولیه مناسب برای تهیه غشاهای PVDF و فرایند سنتز گرافن اکسید را از چالش‌های اجرای این طرح ذکر کرد و گفت: کنترل ضخامت و تراکم غشاها، توزیع گرافن اکسید در ماتریس PVDF و افزایش میزان بارگذاری گروه‌های عاملی مبادله کننده کاتیون در ساختار گرافن اکسید به منظور افزایش قابلیت هدایت یون‌ها و بهبود عملکرد غشاها از دیگر چالش‌هایی بودند که با مطالعات دقیق منابع و کنترل پارامترهای اثرگذار برطرف شدند.

ناجی در خصوص دستاوردهای این پروژه افزود: غشاهای مبادله‌کننده‌ی کاتیون پلی وینیلیدن فلوراید/گرافن اکسید عامل‌دار شده در صنایع و فناوری‌های مختلفی قابل استفاده است که از آن جمله می‌توان به شیرین سازی آب و حذف یون‌های مضر و آلاینده‌ اشاره کرد. تصفیه و بازیافت مواد شیمیایی، حذف سختی آب، تولید آب بدون یون، حذف کاتیون های فلزی از آب، بازیابی مجدد آب در صنایع فلزی، بازیابی و یا جداسازی مواد دارویی و بازیابی فلزات با ارزش در صنایع فلزی، صنایع پزشکی و صنایع نفت و گاز و پتروشیمی از دیگر کاربردهای این غشا به شمار می رود.

این طرح با عنوان «تهیه و بررسی عملکرد غشاهای مبادله کننده‌ کاتیون پلی وینیلیدن فلوراید/گرافن اکسید عامل‌دار شده به منظور کاربرد در فرایند الکترودیالیز» به راهنمایی دکتر لیلا ناجی، عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر اجرایی شده است.