ساخت غشاي الترافيلتراسيون ضدباكتري حاوي نانو ذرات نقره

غشاهاي پليمري به دليل قيمت ارزان و فرآيند پذيري ساده آنها استقبال بسياري از دانشمندان و صنعت گران را در سراسر دنيا به خود جلب كرده است. از طرفي اين نوع غشاها نسبت به غشاهاي سراميكي داراي خواص مكانيكي ضعيف تري مي باشند كه اين موضوع يكي از نقاط ضعف اين نوع خانواده از غشاها به شمار مي رود. در اختراع حاضر سعي شده است كه با استفاده از پر كننده اي طبيعي كه تركيبي از يك ماده آلي و يك ماده معدني (به ترتيب سلولز و نانو سيليكا) مي باشد بر مقاومت مكانيكي غشاهاي پلي سولفوني افزوده شود و غشاهايي مقاوم در برابر تنش مكانيكي حاصل گردد. به علاوه اين پركننده با سطح ويژه بالاي خود به عنوان يك جاذب مناسب عمل كرده و در بهبود عملكرد غشا جهت از بين بردن رنگ كريستال وايولت از آب نقش مثبتي ايفا مي كند. براي اين منظور سلولز و نانو سيليكا با اتصال فيزيكي (يوني) و به وسيله اصلاح گرهاي سطح به يكديگر پيوند داده شده و كامپوزيت حاصل در غشاهاي پلي سولفوني به كار برده شد. در قسمت ديگري از اين اختراع پلي اتر سولفون سولفونه شده ( SPESS) به پلي سولفون اضافه شد و فلاكس عبوري از غشا را تا حد بسيار زيادي افزايش داد. غشاهاي مختلف با پركننده هاي ديگري مانند نانو لوله هاي كربني، نانو سيليكا و پوسته برنج نيز ساخته شد و اثر اين مواد بر عملكرد و مقاومت مكانيكي غشاها مورد بررسي قرار گرفت. نانو كامپوزيت سلولز- نانو سيليكا در ميان همه غشاهاي ساخته شده مقاومت مكانيكي بهتري از خود نشان داد و به علاوه دراي عملكردي بهينه در ميان ديگر نمونه ها بود.

در اين اختراع غشاهاي الترافيلتراسيون بصورت مستغرق در سيستم بيولوژيكي مورد استفاده قرار گرفته است. در سيستم بيولوژيكي با هوادهي متناوب تصفيه اوليه انجام شده و سپس به كمك ذرات نانو متخلخل تصفيه ادامه پيدا ميكند. در نهايت با استفاده از فرايند جذبي غشايي تصفيه نهايي صورت مي پذيرد. در اين فرايند از كربن فعال بعنوان جاذب با سطح ويژه بالا استفاده شده است.غشاهاي اولترافيلتراسيون نامتقارن پلي¬اترسولفوني مقياس نيمه صنعتي بصورت صفحه¬اي ساخته شدند. غشا¬هاي اولترافيلتراسيون نامتقارن داراي ساختاري يكپارچه و متراكم بوده و بر پايه پلي¬اتر سولفون به روش تغيير فاز ساخته شده¬اند. براي كاهش اندازه حفرات به جهت افزايش ميزان نگهدارندگي علي¬رغم تغيير ناچيز فلاكس عبوري از افزودن دي¬متيل استاميد و سديم دودسيل سولفات به فاز آبي به عنوان ناحلال استفاده شده است. تشكيل لايه¬رويي نازك پلي¬آميدي بر روي زير لايه اولترافيلتراسيوني به كمك پليمريزاسيون مونومرهاي دوعامله پارافنيلن¬دي¬آمين وتري¬مزويل كلرايد در فصل مشترك فازهاي آبي و آلي صورت گرفته است. تصاوير SEM گرفته شده از سطح روي و مقطع غشاها نشان¬دهنده عدم وجود ترك و نواقص سطحي و نيز تشكيل لايه¬اي يكپارچه با ريزساختارهاي كنترل شده در ابعاد نانومتري بوده است. آناليز AFM و زاويه تماسي انجام گرفته روي غشاها مبين خواص سطحي مطلوب و موثر روي عملكرد غشا بوده است. نتايج بدست آمده از آزمايشات كارايي غشاهاي الترافيلتراسيوني بيانگر فلاكس آب عبوري بالا به همراه ميزان پس¬زني بالاي نمكي بوده است.

غشاء پليـمري نانوفيلتراسيون كامپوزيتي لايه نازك مقاوم به حرارت و اسيـد امروزه اسيدها در صنايع مختلفي از جمله فرآوري و پرداخت فلزات، خطوط آسياب و فرآوري مواد شيميايي، معدنكاري، صنايع پتروشيمي، داروسازي، غذايي، آرايشي و بهداشتي و هسته اي مورد استفاده قرار مي گيرند. از اين رو توليد محلول هاي اسيدي در اين صنايع اجتناب ناپذير خواهد بود و با توجه به قوانين سختگيرانه محيط زيستي جهت دفع و تخليه پساب ها، هر صنعتي مي بايست به دنبال راهكارهاي جديد براي كاهش توليد و تخليه پساب باشد. به همين جهت، بازيابي اسيد و يا جداسازي تركيبات ارزشمند از اين نوع پساب ها و استفاده مجدد در فرآيند، اقدامي است كه نه تنها دوست دار محيط زيست مي باشد بلكه صرفه جويي فراواني نيز در صنايع از لحاظ وقت و هزينه به همراه خواهد داشت. با گسترش كاربرد تكنولوژي پيشرفته جداسازي غشايي و غشاهاي نانوفيلتراسيون در حوزه هاي مختلف، در حال حاضر اين فرآيند در كشورهاي پيشرفته و تا حدودي نيز در كشور عزيزمان جهت تصفيه آب و پساب در اولويت قرار گرفته است. تكنولوژي غشايي، علمي است ميان رشته اي با زمينه هاي مختلف علمي شامل شيمي پليمر، شيمي فيزيك و رياضي و مهندسي شيمي. اما در حال حاضر تنها غشاهاي سراميكي نانوساختار هستند كه به دليل مقاومت مناسب در برابر حلال هاي خورنده و مواد شيميايي قوي، مي توانند در بازيابي اسيد مورد استفاده قرار بگيرند. نقطه ضعف استفاده از غشاهاي سراميكي، هزينه بالاي توليد اين غشاها، نسبت سطح به حجم پايين در مدول هاي غشايي، تكنولوژي پيچيده فرآيند ساخت، شكننده بودن و عدم پايداري در برابر تنش هاي مكانيكي و دشواري استفاده از آنها در فرآيند صنعتي است كه در صورت وجود جايگزين مناسبي مانند غشاهاي پليمري، ارجحيت با نوع دوم غشاها خواهد بود. از طرف ديگر، علي رغم عملكرد مناسب غشاهاي پليمري نانوفيلتراسيون رايج نسبت به غشاهاي اولترافيلتراسيون و اسمزمعكوس، اين نوع غشاها تنها براي محيط هاي آبي متدوال مانند تصفيه آب آشاميدني و آب دريا و پساب هايي با pH تقريباً خنثي مورد استفاده بوده و در محيطهاي مهاجم اسيدي قوي بسيار ناپايدارند. در حالي كه نانوغشاهاي كامپوزيتي پلي آميدي تجاري در برابر اسيدهاي معدني قوي در دماي بالا و يا زمان طولاني كاملاً تخريب شده و كارايي مطلوب خود را از دست مي دهند، نانوغشاء كامپوزيتي لايه نازك ارجح در اين اختراع يك ماترس پليمري از جنس پلي سولفون آميد است كه از پليمريزاسيون بين سطحي مونومر سولفونيل هاليد با حداقل دو گروه سولفونيلي و مونومرهاي آميني با حداقل دو گروه آميني فعال تشكيل مي شود. غشاء سولفون آميد ساخته شده در اين اختراع، توان تشكيل مورفولوژي مناسب در واكنش بين سطحي يك آمين چند عاملي و يك سولفونيل هاليد چند عاملي را دارا بوده و با توجه به ماهيت شيميايي خود توانايي قابل قبولي در انتقال حلال هاي قطبي مانند آب و اسيدها و پس زني تركيبات آلاينده فلزي و آلي را داراست. علاوه بر اين، غشاهاي سنتز شده عملكرد مطلوب خود را در شرايط مهاجم اسيدي قوي شامل اسيد سولفوريك و اسيد نيتريك با دماي بالا حفظ كرده اند. نتيجه اين امر تصفيه مطلوب پساب هاي اسيدي از تركيبات آلاينده و بازيابي اسيد به عنوان تركيب ارزشمند جهت بازگرداني به فرآيند خواهد بود. در اين اختراع تلاش شده است تا با انتخاب مناسب نوع و غلظت مونومرهاي آميني و مونومر سولفونيل هاليدي به عنوان عامل پيوند عرضي، حلال هاي آلي، زمان و دماي واكنش پليمريزاسيون و استفاده از عمليات حرارتي جهت بهبود ساختار غشاء و همچنين پليمر مناسب جهت ساخت پايه غشايي به غشاء كامپوزيتي با پايداري مكانيكي و شيميايي در محيط هاي اسيدي و قابليت انتقال اسيد و پس زني مناسب نمك هاي محلول دست يافت.

توجه به محيط زيست و حفظ سلامتي انسان و كليه موجودات كره زمين از جمله اصول اساسي در بقاي زندگي و استفاده از مواهب خدادادي است. كنترل آلودگي‌هاي محيطي ازجمله زباله، بخش مهمي از اين وظيفه را تشكيل مي‌دهد كه با توجه به اصول و موازين بهداشتي اقتصادي جايگاه ويژه اي را در علوم و فناوري هاي نوين به خود اختصاص داده است. دفن زباله به عنوان روش نهايي دفع مواد زائد جامد، با توجه به مزاياي اقتصادي ‏آن به طور گسترده‏ اي پذيرفته شده است. با وجود مزاياي بسيار اين روش، توليد شيرابه بسيار آلوده با تغييرات قابل توجه در جريان حجمي توليدي و تركيبات شيميايي آن، به مشكل عمده و دغدغه مهمي تبديل شده است. روش‏هاي قديمي و مرسوم درمان شيرابه فرايند‏هاي هوازي، بي هوازي، اكسيداسيون شيميايي، جذب سطحي، رسوب‏دهي شيميايي و ... مي باشد. با سختگيرانه ‏تر شدن مداوم قوانين و استانداردهاي تخليه در بيشتر كشورها و افزايش سن شيرابه و تثبيت شدن آن، اين روش‏هاي قديمي و مرسوم به تنهايي براي رسيدن به سطح خلوص مورد نظر براي كاهش اثرات منفي و مخرب شيرابه بر محيط زيست، كافي نمي‏باشند. توسعه و تحولات اخير در فناوري، موجب پيشرفت درتصفيه پساب و احياي آن براي استفاده مجدد از آب شده است. اين پيشرفت شامل فن‏آوري غشا و فرآيندهاي غشايي مي‏باشد كه به عنوان يك روش نوين در زمينه تصفيه پساب به ويژه شيرابه زباله ظهور ‏پيدا كرده است. در حال حاضر اين فرآيند در كشورهاي پيشرفته و تا حدودي نيز در كشور عزيزمان جهت تصفيه پساب در اولويت قرار گرفته است. يكي از مهم ترين نگراني ها در عمليات هاي مختلف جداسازي به وسيله فرآيند هاي غشايي پديده گرفتگي مي باشد. به بسته شدن حفره هاي غشا طي فرآيند فيلتراسيون كه به دليل جذب سطحي ذرات و تركيبات روي سطح غشا و يا درون حفره ها انجام مي شود پديده گرفتگي گويند. روش هاي مختلفي براي جلوگيري از گرفتگي غشاها استفاده مي شود كه بازده متفاوتي دارند. در اين اختراع، سنتز غشاهاي نانوساختار خودتميزشونده با قابليت فوتوكاتاليستي جهت افزايش طول عمر و همچنين بهبود عملكرد در تصفيه در دستور كار قرار گرفته است. در اين اختراع غشاي نامتقارن خانواده سولفون به روش تغيير فاز توسط رسوب دهي غوطه وري سنتز شده و از نانوذرات تنگستن تري اكسيد و پلي آنيلين براي ايجاد خاصيت خودتميزشوندگي بهره برده شد كه با توجه به ماهيت شيميايي خود توانايي قابل قبولي در ايجاد اين خاصيت داشته اند. علاوه بر اين، غشاهاي سنتز شده عملكرد مطلوب خود را در تصفيه شيرابه زباله نيز از خود نشان داده است. در اين اختراع تلاش شده است تا با انتخاب مناسب نوع و غلظت نانوذرات به عنوان عامل ايجاد خودتميزشوندگي سبب بهبود ساختار غشاء و همچنين با انتخاب پليمر مناسب جهت ساخت پايه غشايي به پايداري مناسبي دست يافت. در اين اختراع، اهداف زير لحاظ گرديده اند: •\\tساخت انواع غشاهاي خودتميزشونده نانوساختار به روش تغيير فاز •\\t بررسي مشخصه هاي ساختاري غشاها و تاثير افزودن پليمر آبدوست پلي آنيلين در ساختار غشاي كامپوزيت خودتميز شونده و تاثير تابش UV روي عملكرد غشا •\\tبررسي درصد هاي متفاوت نانوذرات در مشخصه هاي ساختاري و عملكرد غشا •\\tارزيابي عملكرد غشا در تصفيه شيرابه زباله

‏در اين روش ابتدا با استفاده از مخلوط اسيدها گروه كوبوكسيليك بر روي نانولوله هاي كربني نشانده مي شود. از آنجاي كه يكي از مشكلات عمده دو عامل دار كردن نانولوله هاي كربني بالا بردن PH ‏محلول است با استفاده از روشي جديد كه بر پايه سيستم گازي استوار است با صرف انرژي و زمان كمتر PH ‏محلول به PH ‏آب مقطر رسانده مي شود. در روش هاي متداول و با استفاده از بمب خلا مدت زمان لازم براي مقدار كمي از نانولوله بين ٣ ‏تا ۵ ‏ماه است ولي با استفاده از اين سيستم مدت زمان خالص سازي و همين طور بالا بردن PH ‏به حداكثر ١ ‏هفته كاهش مي يابد. پس از آن با استفاده ازروشي جديد گروه عاملي آمين بر روي نانولوله هاي كربني چند ديواره نشانده شده است. تست FTIR ‏ گرفته شده از نانولوله هاي بدون عامل و عامل دار شده مويد اين مطلب است. تصاوير FESEM ‏ گرفته شده از نانولوله ها نشان دهنده اين مطلب است كه عامل دار كردن نانولوله ها نه تنها ساختار نانولوله ها را حفظ مي كند بلكه سبب كوتاه تر شدن طول نانولوله و در نتيجه عامل دار شدن هر چه بهتر نانولوله ها خواهد شد.

در سالهاي اخير بستر جذب توسعه يافته (EBA) به عنوان روش موثر براي خالص سازي نسل اول و دوم محصولات زيستي به صورت مستقيم از خوراك خروجي فرمانتورها در فرايندهاي پايين دستي توجه ويژه اي يافته است. اين فرايند يك روش ادغامي مي باشدكه تغليظ شفاف سازي و فيلتراسيون را در يك مرحله خلاصه مي كند. نتايج آزمايشگاهي بدست آمده بيانگر تاثير مستقيم قطر ستون روي ميزان اختلاط مي باشد و همچنين نشان مي دهد كه افزايش اختلاط باعث كاهش بازده جذب مي شود. در اين مقاله جاذب Streamline DEAE در ستونهاي از جنس شيشه پيركس با مش سراميكي - شيشه اي 160Mm - و100 با قطر 1 , 1/6 و 2 سانتي متر بارگذاري شده است. نتايج آزمايشگاهي بدست آمده براساس خصوصيات هيدروديناميكي N و Daxl و Bo ستون با قطر 1 سانيت متر كمترين اختلاط را ايجاد كرده و براي بازيافت محصولات زيستي مانند ماكرومولكولها (آنزيم و پروتئين) و نانو محصولات زيستي (پلاسميد DNA و ويروس ها مطلوب مي باشد.

‏حسگرهاي گازي و يا شيميايي به دليل كاربرد وسيع شان در كارخانه، صنعت، نظارت زيست محيطي، داروسازي و ... توجه فراواني را در دنياي علم به خود جلب نموده اند. بطور كلي، وظيفه و روش كار حسگرها، جذب، تشخيص و دفع مولكول هاي گازي روي يك ماده حساس مي باشد و كاملا مشخص است كه هرچه سطح ويژه ماده حساس بيشتر باشد، سطح تماس بين مولكول هاي گازي و حسگر افزايش يافته كه به افزايش قابل ملاحظه حساسيت آن مي انجامد. پيشرفت هاي اخير در فناوري نانو، زمينه ساز ظهور و بروز نسل جديدي از حسگرها با حساسيت بالا، قابليت حمل راحت تر، قيمت پايين و توان مصرفي كم شده است. ‏در ميان نانو مواد به كار رفته در ساخت حسگرها، نانولوله هاي كربني به دليل خواص بسيار ويژه الكترونيكي و جذب خود، بهترين پاسخگويي را دارا مي باشند. در اين اختراع نيز از نانولوله هاي كربني چند ديواره براي ساخت حسگرهاي گازي استفاده شده است. از آنجا كه عامل دار كردن نانولوله ها خواص آنها را به طرز شگفت آوري ارتقاء مي دهد، در اينجا نيز براي ساخت حسگر گازي از سه نوع نانولوله كربني چند ديواره عامل دار شده با: (1) اسيدهاي كربوكسيليك، ( ٢ ‏) آمين نوع اول ‏(دودسيل آمين) و ( ٣ ‏) آمين نوع دوم (اكتادسيل آمين) به عنوان ماده حساس استفاده شده است. طراحي حسگرها برحسب تغييرمقاومت بوده است. گاز هدف در اين پژوهش، مخلوط گاز طبيعي حاوي H2S ‏ با غلظت ppm ‏ 160 مي باشد. در بررسي حساسيت يك حسگر، متغيرهاي مختلفي از جمله دماي گاز مورد توجه است كه در اينجا ، اثر تغيير دما ( ºC ٨٠ ‏- ٢۵ ‏) بر روي شيوه رفتار و قدرت پاسخگويي حسگرهاي اختراع شده، مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج بدست آمده از قراردادن حسگرها در معرض گاز هدف در دماهاي مختلف، حاكي از آن است كه در دماهاي پايين، آمين ها نوسانات حساسيت، داراي بالاترين درصد پاسخگويي نسبت به حضور گاز نسبت به ساير حسگرها مي باشند و در دماهاي بالاتر اين نانولوله هاي كربني چند ديواره هستند كه بيشينه ميزان حساسيت را دارا هستند. به طور كلي حسگرهاي ساخته شده در دماهاي مختلف براي رديابي گاز هاي سمي مانند H2S ‏كه حتي مخلوط با گاز طبيعي هستند، بسيار مناسب ميباشند وميزان بازيافت و تكرار پذيري خوبي دارند.