ساخت غشاهاي پلي‌اتيلني داراي زيوليت ZSM-5 به روش جدايي فاز با القاي گرمايي

Fabrication of ZSM-5 Zeolite - Containing Polyethylene Membranes via Thermally Induced Phase Separation Method

افزايش هم‌زمان مقدار تراوايي و استحكام مكانيكي و كاهش گرفتگي، از چالش‌هاي پيش روي پژوهشگران در ماتريس غشاهاي پليمري است. در اين پژوهش، غشاهاي پليمري از جنس پلي‌اتيلن كه ذرات زيوليت ZSM-5 به آن اضافه شده بود، به روش جدايي فاز با القاي گرمايي ساخته شدند. ساخت غشاها در دو مرحله انجام شد. در مرحله اول، در ضخامت و دماي ثابت حمام انعقاد، مقدار زيوليت نسبت به پليمر در محدوده 0 تا %30 وزني تغيير داده شد و نتايج مربوط به تغييرات مقدار تراوايي آب خالص و استحكام مكانيكي با نسبت زيوليت به پليمر ارزيابي شد. نتايج به‌دست آمده حاكي از افزايش %60 مقدار تراوايي آب خالص، افزايش %300 استحكام مكانيكي و نيز افزايش %400 آستانه تحمل پارگي غشا در آزمون تراوايي آب خالص در غشا با غلظت %30 وزني زيوليت است. در مرحله دوم از بهينه‌سازي ساختار و عملكرد غشا، به روش طراحي آزمون پاسخ رويه، اثر انفرادي و متقابل عوامل اثرگذار از جمله غلظت زيوليت، ضخامت غشا و دماي حمام انعقاد روي مقدار تراوايي آب و استحكام مكانيكي غشا بررسي شد. نتايج به‌دست آمده حاكي از بهبود مقدار تراوايي آب با افزايش غلظت زيوليت و دماي حمام انعقاد است. در حالي كه افزايش ضخامت غشا اثر چنداني بر بهبود تراوايي آب نداشت. نكته جالب اينكه افزايش ضخامت غشا فقط باعث بهبود استحكام مكانيكي غشا شد. درنهايت، عملكرد غشاهاي ساخته شده در مرحله اول با استفاده از محلول كلاژن ارزيابي شد. نتايج به‌دست آمده نشان داد، غشاهاي حاوي زيوليت مقاومت بيشتري در برابر گرفتگي دارند و اين مقاومت با افزايش مقدار زيوليت افزايش مي‌يابد.

Simultaneous increase in the permeance coefficient and mechanical strength and decrease in membrane fouling pose a challenge to polymeric membrane researchers. In this work, polyethylene (PE) polymer membranes, to which ZSM-5 zeolite particles have been added, were fabricated via thermally induced phase separation (TIPS) method. The fabrication of membranes was carried out in two steps; in the first step, in a constant coagulating bath temperature, the ratio of zeolite to polymer varies within 0-30% range and the changes in the pure water permeance and mechanical strength were assessed. The results were indicative of 60% increase in pure water permeancy, 300% increase in the mechanical strength and 400% increase in the ultimate tensile strength in pure water permeancy test in the membrane containing 30 wt% of zeolite. In the second step of optimization of the membrane’s structure and performance, the experimental design and response surface methodology (RSM) was applied to measure the individual and mutual effects of zeolite concentration, membrane’s thickness and bath temperature parameters on the water permeancy and mechanical strength. The results indicated that the water permeancy improved with any increase in the zeolite concentration and coagulation bath temperature while the membrane’s thickness scarcely affected the water permeancy. The interesting point was that any increase in the membrane thickness improved mechanical strength. Finally, the performance of membranes was evaluated using the collagen solution. The results showed that the membranes containing zeolites were more fouling resistant and the degree of resistance increased by increasing the zeolite content.