غشاهاي جذبي دسته اي از غشاهاي پليمري هستند كه با استفاده از توانايي هم زمان روش‌هاي جذب و غشا، قادر به حذف آلاينده هاي معدني در فشار عملياتي پايين هستند. از چند دهه پيش، وجود آرسنيك در آب به دليل بالا بودن ميزان سمي بودن آن تبديل به يك مشكل جديد جهاني شده وگسترش روش‌هاي كارآمد و كم‌هزينه جهت حذف آرسنيك از آب اهميت بسزايي يافته است. استفاده از فناوري غشاي جذبي به عنوان يك روش نوين و با صرفه و بدون نياز به هرگونه عمليات بعد از جداسازي كه مختص فرايندهاي غشايي است، بستري مناسب براي حذف آرسنيك مي باشد. قابليت جذب و احياء غشاهاي جذبي در عملكرد مناسب آن‌ها تأثير زيادي دارد. در اين اختراع از ذرات رس معدني اصلاح شده با اسيدهاي آمينه آرژنين و لايزين در ساخت غشاهاي جذبي استفاده شد. اين ذرات در pH آب طبيعي داراي بار مثبت بوده و قادر به جذب آنيون‌هاي آرسنيك مي باشند. آرژنين و لايزين در محيط‌هاي بازي داراي بار منفي شده و به راحتي آرسنيك جذب شده را دفع مي كنند. اين خاصيت آرژنين و لايزين باعث مي شود تا ذرات رس معدني اصلاح شده به راحتي قابليت جذب و احياء غشاهاي جذبي ساخته شده را افزايش بدهند.

در طرح حاضر، قالبهاي شكل دهنده يا اسپينيريت (Spinneret) به منظور توليد غشاهاي الياف نازك توخالي ((Hollow Fiber Membranes از محلولهاي مذاب پليمري با استفاده از روش جدايش فازي با القاء حرارتي ((Thermally Induced Phase Separation or TIPS طراحي و ساخته شد. روش القاء حرارتي آخرين و جديدترين روش توليد غشاهاي پليمري با مكانيسم جدايش فازي است كه نسبت به روشهاي قبلي مانند روش جدايش فازي با اندر كنش حلال غير حلال (Non Solvent – Solvent Induced Phase Separation or NIPS) و روش جدايش فازي با القاء بخار اشباع( (Vapor Induced Phase Separation or VIPS، از مزيتهاي فراواني برخوردار است كه از جمله آن ميتوان به كاربرد آن براي دامنه وسيعي از پليمرهاي الفيني مانند پلي اتيلن و پلي پروپيلن كه در شرايط عادي تقريبا در هيچ حلالي حل نمي شوند، اشاره كرد. در حال حاضر، در كشور ما پليمرهاي مذكور روزانه به مقدار انبوهي توليد مي شوند و با در نظر گرفتن اين نكته كه در روشهاي اندركنش حلال غير حلال و القاء بخار اشباع تنها از معدود پليمرهايي مي توان استفاده كرد كه اولا از قيمت بالايي برخوردار بوده و ثانيا بطور كامل وارداتي هستند و در اكثر موارد شامل تحريمهاي بين المللي مي گردند، لذا اهميت روش جديد القاء حرارتي دو چندان مي شود. قلب فرآيند توليد غشاهاي الياف نازك تو خالي (هالو فايبر)، قالب شكل دهنده غشا است كه اصطلاحا اسپينيريت ناميده مي شود. اين دستگاه، از چند قطعه جدا از هم تشكيل يافته است كه با قرار گرفتن در كنار هم، امكان شكل دهي به محلول مذاب پليمري و تبديل آن به الياف نازك توخالي را فراهم مي سازد. با توجه به جديد بودن فناوري روش القاء حرارتي، در حاضر تكنولوژي اسپينيريت تنها در اختيار چند كشور صنعتي و توسعه يافته مانند ايالات متحده امريكا و ژاپن است. قيمت خريد آن ۱۰۰۰۰ الى ۱۵۰۰۰ دلار آمريكا و صرفا از طريق سفارش ساخته ميشود كه به منظور حفظ فناوري مزبور در آن كشورها، در بسياري موارد حتي سفارش ساخت نيز قبول و پذيرفته نمي شود.

جدايش فازي به روش القاء حرارتي به منظور ساخت غشاهاي پلي پروپيلني متخلخل با حفرات كنترل شده مورد استفاده قرار گرفت. مزيت بسيار مهم اين روش، عدم نياز به يافتن حلالي است كه بتواند پليمر را در خود حل نمايد. پلي پروپيلن كه تقريبا تمامي گريد آن در داخل كشور ساخته ميشود و كشورمان از واردات آن بي نياز است و قيمت بسيار پاييني در مقايسه با ساير پليمرها داشته و در هيچ حلالي قابليت انحلال ندارند، در اين روش مي تواند مورد استفاده قرار گيرد. پس از انجام تستهاي متعدد و عدم موفقيت در توليد غشاهاي الياف نازك توخالي از جنس پلي پروپيلن تغييراتي در همزن اختلاط و مهمتر از همه وزن مولكولي پلي پروپيلن استفاده شده اعمال شد. غشاهاي پلي پروپيلني ساخته شده با اين روش مقاومتهاي مكانيكي، فيزيكي و شيميايي مناسبي در برابر شرايط محيطي داشته و عملا در هيچ حلالي قابل انحلال نيستند. غشاهاي پلي پروپيلني در انواع مختلف كاربردها از قبيل ميكروفيلتراسيون، اولترا فيلتراسيون، اكسيژناسيون خون، ترمودياليز، تقطير غشايي و ساير فرايندهاي جداسازي مورد استفاده قرار مي گيرند.

از آنجا كه غشاهاي پليمري خالص فاقد عملكردي مناسب در جداسازي گونه هاي شيميايي تقريبا هم اندازه مي باشند ، اخيرا نوع جديدي از غشاها تحت عنوان غشاهاي زمينه مختلط معرفي شده اند كه از توزيع ذرات غيرآلي در بستر پليمري تشكيل مي شوند. هدف از معرفي اين غشاها دستيابي به نسبت گزينش پذيري به تراوش پذيري بالا مي باشد. اما بدليل ميزان بسيار كم ذرات غيرآلي در اين غشاها ، فاز پيوسته جداساز همچنان فاز پليمري است. چنانچه بتوان ساختار غشاهاي زمينه مختلط را با ساختار غشاهاي ميكرومتخلخل ادغام كرد، ضمن امكان استفاده از پليمرهاي ارزانتر و مقاوم تر تا حد زيادي مي توان بر نقايص غشاهاي زمينه مختلط چگال غلبه كرد. بنابراين با معرفي ايده غشاهاي زمينه مختلط ميكرومتخلخل، كه در آنها ذرات غيرآلي انتخاب پذير در حفرات ميكرومتخلخل غشاي پليمري گنجانده شده اند تا نقش فاز اصلي جداساز را ايفا كنند، مي توان به حداكثر نسبت انتخاب پذيري به تراوش پذيري دست يافت. براي ساخت موفق اين غشاها، مي بايست به دانش كنترل اندركنش بين فاز آلي و غير آلي و تاثير پارامترهاي موثر بر مورفولوژي غشا دست يافت.البته حضور ذرات غيرآلي در ساختار غشاهاي ميكرومتخلخل ميتواند در ايجاد خواص مطلوبي چون آبدوستي نيز موثر باشد.

اين اختراع به دليل حضور ميكروارگانيسمها به علم بيوتكنولوژي، از نظر كاربردهايي مانند حذف گاز گلخانهاي CO2 به محيط زيست و از لحاظ فرايندي و حضور غشاهاي الياف نازك به زمينه مهندسي شيمي مربوط ميشود. فتوبيوراكتور‌ها، راكتور‌هايي هستند كه در آن‌ها ميكروارگانيسم‌هاي فتوتروف به منظور انجام يك واكنش فتوبيولوژي كشت داده مي‌شوند. از مشكلات بزرگ فتوبيوراكتورهاي معمول اين است كه اگر ميزان اكسيژن حل شده در محيط كشت درون فتوبيوراكتور از حد معيني فراتر رود باعث توقف رشد ميشود. سطح تماس ويژه گاز-مايع پايين، انتقال جرم كمتر و رشد كم ميكروارگانيسم ها نيز از ديگر مشكلات است. با استفاده از تجميع غشاهاي الياف نازك در فتوبيوراكتور ضمن اينكه امكان تزريق گاز به درون محيط كشت را به صورت ريزحبابي و امكان مبادله گاز اكسيژن را در سراسر طول فتوبيوراكتور فراهم ميشود، ساختار ريزمتخلخل آنها باعث مي شود گاز با عبور از ميان حفرات به درون مايع رسيده و عمل انحلال و واكنش در محيط مايع رخ ميدهد. امكان دستيابي به سطح تماس بالا حتي در حجمهاي كم راكتور را دارند. طرح مذكور از سه قسمت تشكيل شده است: (1) اليافهاي درون مدول براي عبور گاز (2) لوله شفاف براي عبور دان نور و (3) چسب اپوكسي و پلي يورتان به عنوان درزگير

در اين اختراع ، ساخت و ارزيابي غشاهاي فوق آب¬گريز پلي¬پروپيلني به منظور افزايش عملكرد تماس-دهنده¬هاي غشايي، توسط سنتز نانو ذرات سيليكاي اصلاح شده با عامل فلور¬دار بر روي سطح غشا انجام شد. به منظور بهبود پيوند زني شيميايي تركيبات فلور¬دار و آماده سازي غشاهاي ساخته شده، از محلول پيرانا براي اكسيد كردن سطح استفاده شد. سنتز نانو ذرات سيليكاي اصلاح شده با عامل فلوردار با تركيب ¬درصدهاي مختلف از عامل پرفلوره به روش سل- ژل تحت بخار آمونياك بر روي غشا انجام شد. بيشترين زاويه تماس بدست آمده براي غشاهاي ساخته شده¬ 168 درجه بود كه با تركيب 50 درصد پرفلور¬اكتيل-تري¬اتوكسي¬سيلان نسبت به تترا اتيل اورتوسيليكات بدست آمد. به منظور ارزيابي قابليت آب¬گريزي غشا ساخته شده، از دو محلول¬ آبي مونو اتانول آمين و دي اتانول آمين به عنوان جاذب¬هاي شيميايي و آب به عنوان جاذب فيزيكي استفاده شد. افزايش وزن غشاهاي غوطه ور شده در جاذب¬هاي آب، مونو اتانول آمين و دي اتانول آمين نسبت به نمونه¬هاي خام به ترتيب به مقدار 4 برابر، 2.5 برابر و 2 برابر كاهش يافته است. تغيير زاويه تماس در نمونه¬هاي پوشش داده شده بطور چشمگيري كمتر از نمونه¬هاي بدون پوشش بود كه نشان دهنده بهبود خاصيت آب¬گريزي غشاهاي ساخته شده است.

يكي از راهكارهاي تصفيه پساب¬هاي صنعتي و شهري، استفاده از سامانه¬هاي بيوراكتور غشايي (MBR) مي-باشد. فناوري MBR در واقع استفاده كردن از فيلترهاي غشايي در فرآيند لجن فعال براي تصفيه پساب-هاست. مهمترين قسمت هزينه مربوط به يك سيستم MBR، غشاهاي آن مي¬باشد كه كاركرد ضعيف آن، افزايش هزينه¬ها را در پي خواهد داشت. انباشته شدن ذرات و اجزاء به دام افتاده در پشت غشاها يكي از موانع جدي فعاليت و توسعه غشاها و فرآيندهاي غشايي است. اين اجزا تمايل دارند كه در سطح غشا انباشته شوند كه منجر به كاهش جريان آب عبوري از غشا در فشار معين و يا افزايش فشار غشايي براي دستيابي به يك ميزان شار معين مي¬گردند. در سيستم¬هاي MBR، هوادهي نقش بسزايي در كاهش گرفتگي غشاها دارد به طوريكه باعث صرفه جويي در هزينه¬ها خواهد شد. هوادهي زماني بيشترين تاثير را در گرفتگي غشاها خواهد داشت كه حباب¬هاي هوا از روي سطح غشا و مماس بر آن عبور كنند. در اين طرح، مدول غشايي به گونه¬اي ساخته شده است كه حباب هاي هوا از روي سطح غشا و مماس بر آن عبور ¬كنند كه اين كار تا حدود زيادي گرفتگي غشاها راكاهش مي¬دهد. از مزاياي عمده اين مدول مي¬توان به قرار گرفتن غشا در بيروني¬ترين لايه از مدول، سبك بودن و ارزان بودن اجزاي به كار رفته در آن اشاره كرد. همچنين مخزن هوادهي نيز به گونه اي طراحي شده است كه براي تعويض غشا نياز به تخليه محتويات درون مخزن نيست. ساختار مدول غشايي و مخزن هوادهي به همراه توضيح دقيق و اجزاي آن در متن¬هاي ادعانامه تشريح گرديده است. با توجه به اينكه سيستم MBR ساخته شده در اين طرح در مقياس آزمايشگاهي مي¬باشد، و با توجه به اينكه اندازه¬گيري مقدار پساب تصفيه شده با استفاده از ترازو، به دليل نوسانات پمپ خلأ مشكل مي-باشد، لذا سيستم اندازه¬گيري نيز به گونه¬اي طراحي شده است كه نوسانات پمپ خلأ تاثيري بر روي اندازه-گيري مقدار پساب تصفيه شده نداشته باشد، كه با اين كار، ضمن حذف ترازو از سيستم، هزينه¬هاي ساخت نيز كاهش يافته است.

جداسازي غشايي به دليل مزاياي زيادي از جمله كاهش مصرف انرژي و دوستدار محيط زيست بودن، جايگزين روش هاي سنتي جداسازي در تصفيه آب و فاضلاب و جداسازي گاز شده است. مهمترين مسأله در توسعه فناوري غشايي، دستيابي به غشايي با جنس و ساختار مناسب مي باشد و به همين جهت ساخت غشا اهميت زيادي دارد. استفاده از غشاهاي پلي اتيلني به دليل ارزان قيمت بودن پليمر پلي اتيلن و توليد در داخل كشور، اهميت زيادي در بومي سازي اين فرايند دارد. ساخت غشاي پلي اتيلني با استفاده از روش هاي متداول ساخت غشا كه شامل جدايش فازي با غير حلال مي باشد امكان پذير نمي باشد. در روش جدايش فازي با غير حلال، پليمر در حلال مشخصي حل شده و سپس با قرار گرفتن در داخل غير حلال جدايش فازي اتفاق مي افتد. در مورد پلي اتيلن حلال خاصي وجود نداشته و امكان ساخت غشا ها در دماي بالا و با جدايش فازي از طريق القاء حرارتي امكان پذير است. در اين روش محلول همگن در دمايي بالاتر از دماي ذوب پليمر تهيه شده و با پايين آوردن دما جدايش فازي اتفاق مي افتد. در اين طرح پليمر پلي اتيلن سبك خطي براي ساخت غشاي الياف تو خالي به روش جدايش فازي با القاء حرارتي انتخاب شده است.

بطور كلي مي‌توان گفت طرح پيش رو از و بخش عمده تشكيل شده است كه عبارتند از: سنتز نانوذرات سيليكاي اصلاح شده و همچنين استفاده از آنها در ساخت غشاي نانوكامپوزيتي با حداقل گرفتگي در فرايند تصفيه آب. خود نانوذرات سنتز شده بطور مستقل با توجه به ماهيت چسبندگي بسيار پايين نسبت به پروتئين‌ها، از قابليت ويژه‌اي در صنايع پزشكي براي ساخت پليمرهاي خون سازگار برخوردار مي¬باشند. يكي از مهم‌ترين مشكلات استفاده از مواد پليمري در صنايع پزشكي مرتبط با خون از جمله تصفيه و انتقال فرآورده‌هاي خوني، تشكيل لخته خون بر روي سطح اين مواد به‌واسطه چسبندگي خون به سطح پليمر است كه در مواردي چون فرايند دياليز و يا اكسيژن دهي خون موجب گرفتگي غشاها مي¬شود. ايجاد لخته با جذب پروتئين‌هاي پلاسما و چسبيدن پلاكت‌هاي خوني بر روي اين مواد شروع مي‌شود. اصلاح مطلوب مواد پليمري در دسترس كه نقش اساسي به عنوان ماده اوليه براي ساخت انواع تجهيزات پزشكي را دارند، مي‌تواند براي بهبود خواص سازگاري بيولوژيكي اين مواد سودمند باشد. ساخت نانوكامپوزيتهاي پليمري با استفاده از نانوذرات سنتز شده در اين طرح يكي از روش‌هاي اصلاح پليمرهاي مورد استفاده در صنايع پزشكي براي جلوگيري از چسبندگي پروتئين‌ها و پلاكت‌هاي خوني مي¬باشد. زمينه ديگر استفاده از اين نانوذرات، ساخت غشاهاي نانوكامپوزيتي مورد استفاده براي فرايند تصفيه آب و پساب است كه به عنوان بخش بعدي در اين اختراع به انجام رسيده است. مهم‌ترين معضل استفاده از غشاهاي پليمري در فرايند تصفيه آب، گرفتگي و كاهش طول عمر مفيد آنها به واسطه چسبندگي پروتئين‌ها و آلاينده‌هاي موجود در آب مي‌باشد. در اين بين استفاده از پليمرهاي آبدوست نظير سلولز استات و پلي سولفون براي ساخت غشا هرچند مي‌تواند مشكل گرفتگي غشا را حل كند اما مستلزم صرف هزينه بسيار بالايي براي خريد مواد اوليه مي‌باشد چون تمامي مواد اوليه اين نوع پليمرها به صورت وارداتي هستند. در انجام اين طرح مهم‌ترين نكته استفاده از پليمرهاي توليد داخل كشور براي ساخت غشاهايي با توانايي قابل مقايسه با پليمرهاي وارداتي مي‌باشد. در همين راستا از پلي‌اتيلن توليد داخل كشور به عنوان ماده اصلي ساخت غشاي ريز متخلخل براي فرايند تصفيه آب استفاده شد. آزمون‌هاي انجام گرفته نشان‌دهنده بهبود قابل توجه در خواص غشاي پلي‌اتيلن بعد از پخش نانوذرات سيليكاي پيوند زني شده با پلي‌اتيلن گليكول مي‌باشد. ساخت موفقيت‌آميز غشاي نانوكامپوزيتي با قابليت حداقل گرفتگي و همچنين گذردهي بالا در فرايند تصفيه آب، امكان توليد آب با كيفيت مطلوب از آب‌هاي هدر رفت نظير آب‌هاي سطحي و رودخانه‌اي و همچنين فاضلاب و پساب‌هاي شهري و صنعتي را ممكن مي‌سازد.

نانوكامپوزيتهاي پليمري نسل جديدي از مواد هستند كه شامل يك ماتريس پليمري و كمتر از 10 درصد وزني از ذرات نانومتري مي باشند. ذرات نانومتري يا نانوذرات به علت داشتن ابعاد بسيار كوچك و ميزان سطح بسيار بالا، در سطح بارگذاري loading)) كمتري باعث بهبود خواص مورد نظر در پليمر مي گردد. با توجه به نوع نانوذرات و نوع گروههاي عاملي قرار گرفته بر روي آنها مي توان ويژگيهاي متفاوتي از نانوذرات درون شبكه پليمري انتظار داشت. با توجه به اهميت نانوذرات در اصلاح خواص پليمرها و ساخت نانوكامپوزيتهاي پليمري با خواص ويژه، هدف از اختراع پيش رو سنتز نانوذرات سيليكاي پيوند زني شده بصورت همزمان با دو گروه عاملي متفاوت شامل پلي اتيلن گليكول و وينيل سيلان و همچنين استفاده از اين نانوذرات براي ساخت نانوكامپوزيت پلي اتيلني با خواص بهبود يافته مي باشد. مهمترين مشكل توسعه كاربرد پلي اتيلن به عنوان محصول عمده توليدي در كارخانجات پتروشيمي كشور، آبگريزي شديد و عدم سازگاري اين نوع پليمر با بسياري از پليمرهاي آبدوست مي باشد كه باعث محدود شدن كاربرد آن شده است. در همين راست در اختراع پيش رو با توجه به قابليت فناوري نانو در بهبود خواص پليمرها با ساخت انواع نانوكامپوزيتهاي پليمري، از فناوري نانوتكنولوژي جهت غلبه بر محدوديتهاي پلي اتيلن استفاده شد. در واقع براي افزايش كارايي پلي اتيلن با بهبود خواص آبدوستي آن، از نانوذرات سيليكاي آب دوست شده با پلي اتيلن گليكول مورد استفاده قرار گرفت. در اين بين مشكل اصلي ديگر در زمينه ساخت نانوكامپوزيت پلي اتيلني كه محققان اين طرح با آن روبرو شدند، عدم دستيابي به نانوكامپوزيت با پخش همگن نانوذرات در شبكه پلي اتيلن بود. در نتيجه بعد از مطالعات گسترده، براي غلبه بر اين مشكل تصميم به استفاده از اتصال دهنده هاي سيلاني گرفته شد. در نهايت براي اولين بار نانوذرات سيليكاي پيوند زني شده با دو گروه عاملي مختلف (بصورت همزمان) كه هر كدام وظيفه مشخص و منحصر به فردي دارند، با موفقيت سنتز شد. در واقع جزء اول كه پلي اتيلن گليكول انتخاب شد، وظيفه افزايش آبدوستي نانوذرات و عدم تمايل به چسبندگي آن به پروتئينها و آلاينده ها را داشته و جزء دوم نيز گروه وينيل سيلان بود كه به واسطه برهمكنش بالا با پلي اتيلن و توانايي برقراري پيوند شيميايي با اين پليمر، وظيفه افزايش پخش پذيري نانوذرات در داخل شبكه پلي اتيلن را بر عهده داشت. نتايج حاصل از تصاوير FE-SEM و TEM نشاندهنده كاهش چشمگير در ابعاد نانوذرات (كمتر از 10 نانومتر) بعد از اصلاح بود. تست FTIR حضور همزمان گروه هاي عاملي پلي اتيلن گليكول و وينيل سيلان بر روي نانوذرات سنتز شده را به اثبات رساند. در ادامه پخش پذيري نانوذرات سنتز شده درون شبكه پلي اتيلن مورد بررسي قرار گرفت. نتايج بدست آمده از تصاوير BSE از نانوكامپوزيت هاي پلي اتيلني ساخته شده، نمايانگر افزايش چشمگير در قابليت پخش پذيري نانوذرات حاوي وينيل سيلان درون شبكه پلي اتيلني بود. براي بررسي تاثير همزمان حضور گروههاي پلي اتيلن گليكول و وينيل سيلان بر روي عملكرد نانوكامپوزيتهاي پلي اتيلني ساخته شده، از نمونه هاي نانوكامپوزيتي حاوي نانوذرات اصلاح شده و همچنين نمونه خالص پلي اتيلن تست زاويه تماس گرفته شد. نتايج حاصل نشاندهنده كاهش زاويه تماس از 127 درجه به 64 درجه در حضور نانوذرات پيوند زني شده با پلي اتيلن گليكول و وينيل سيلان بود كه دليل آن پخش پذيري موثر نانوذرات در حضور عامل وينيل سيلاني گزارش شد.