1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

نانوالیاف؛ لایه هایی همه کاره برای جداسازی کارآمد آب و روغن

افراد مقاله : ‌ مترجم - علیرضا شیاسی

موضوع : آموزش و ترویج - علم و پژوهش کلمات کلیدی : الکتروریسی - نانوالیاف - جداسازی - ایروژل تاریخ مقاله : 1396/05/22 تعداد بازدید : 1064

افزایش روزافزون مقادیر پساب‌های صنعتی آلوده به مواد روغنی و حوادث مکرر نشت و انتشار مواد نفتی در آب‌های آزاد و اقیانوس ها، جداسازی آب و روغن را به چالشی جهانی تبدیل کرده است. نانوالیاف تولید شده به روش الکتروریسی توانسته‌است امکان تنظیم ترشوندگی را به همراه ویژگی‌های مهم دیگری مانند سطح جانبی فراوان، تخلخل زیاد، توانایی برقراری پیوندهای خوب، انعطاف پذیری مطلوب و سهولت تولید در مقیاس‌های مختلف از مواد گوناگون (مانند پلیمرها، سرامیک ها، کربن و غیره) را در کنار هم گردآوری کند و به عنوان پیشرو در مواد پیشرفته لیفی، پتانسیل عالی برای بسیاری از کاربردهای زیست‌محیطی درحال ظهور، از جمله در جداسازی پساب‌های روغنی داشته باشد. در این مقاله پیشرفت‌های اخیر در طراحی و تولید نانوالیاف با قابلیت تنظیم ترشوندگی سطحی برای جداسازی آب و روغن برجسته و به‌طور خلاصه بیان می‌شود. این مقاله همچنین شامل خلاصه‌ای از تحقیق و توسعه در مفاهیم طراحی و روش‌های تولید جاذب ها، غشاها و ایروژل‌های نانولیفی برای جداسازی مؤثر آب و روغن است و در انتها، پیش بینی مختصری از چالش‌ها و جهت‌گیری‌های آینده این حوزه در حال رشد ارائه می‌دهد.

1.      مقدمه:

آلودگی‌های روغنی ناشی از صنایع مواد غذایی، نساجی، پتروشیمی و همچنین حوادث مکرر نشت نفت که در حین تولید در سکوهای نفتی و یا انتقال با نفتکش‌های دریایی رخ می‌دهد (مانند نشت مواد نفتی در خلیج مکزیک) سبب هدر رفتن عظیم منابع انرژی و آسیب‌های جبران ناپذیر و بلند مدت به محیط زیست می‌شود. روش‌های مرسوم برای جداسازی مخلوط‌های متنوع مواد نفتی و آب‌ مانند جمع آوری سطحی آلودگی‌های شناور، جداسازی با استفاده از امواج فراصوت و سرریز کردن مواد سبک از روی سطح اگرچه مفید هستند، اما از محدودیت‌های فراوانی نظیر کارایی پایین در جداسازی، نیاز به انرژی زیاد و ایجاد آلودگی‌های ثانویه رنج می‌برند و عملاً برای جداسازی امولسیون‌های آب قابل استفاده نیستند. از این رو مواد جدید مقرون به صرفه و کارآمد برای جداسازی آب و روغن، به ویژه در شرایطی که عوامل دیسپرس‌کننده یا سورفکتانت‌ها در محیط موجودند، به طور جدی مورد مطالبه است.

جداسازی با استفاده از موادی که تمایل گزینشی به آب یا نفت داشته باشند، عرصه‌ی نسبتاً جدید در توسعه صنعتی است که آینده بسیار درخشانی دارد. با استفاده از ترکیب شیمیایی و ساختار سطحی مناسب می‌توان سطوح ترشونده ویژه‌ای با خصوصیات فوق ترشوندگی گزینشی نسبت به آب و روغن (مانند سطوح آب‌گریز با ویژگی فوق چربی دوستی در مجاورت هوا یا فوق چربی دوستی در محیط آبی) برای جداسازی مخلوط‌های متنوع آب و مواد روغنی و امولسیون‌های آن‌ها تولید کرد. به تازگی تکنیک الکتروریسی به عنوان روشی عملی و انعطاف‌پذیر برای تولید نانوالیاف که می‌توان ساختار و ترکیب شیمیایی این مواد را در آن به آسانی کنترل کرد، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در این روش وقتی ویژگی‌های چشمگیری مانند نسبت سطح به حجم بالا و ساختارهایی با تخلخل متنوع به آسانی در کنار قابلیت‌های مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی بی‌همتا – تأمین شده با کمک مواد دیگر - قرار می‌گیرد، به صورت مخصوصی قدرتمندتر می‌شود. به این ترتیب الکتروریسی راهکاری ایده‌ال برای ساخت سطوح ترشونده خاص فراهم می‌آورد و پژوهش‌ها در ساخت جاذب‌ها، غشاها و ایروژل‌های نانولیفی برای جداسازی مؤثر آب و روغن در سال‌های اخیر شاهدی بر گسترش سریع این حوزه است.

در این مقاله، مروری اجمالی بر طراحی، تولید و پیشرفت‌های اخیر در نانوالیاف الکتروریسی شده‌ای که تنظیم ترشوندگی سطحی در آن‌ها برای به‌کارگیری در جداسازی آب و روغن امکان‌پذیر است، ارائه می‌گردد. براساس دسته‌بندی مواد مختلفی که برای جداسازی استفاده می‌شود، این مقاله مطابق شکل 1 به سه بخش تقسیم می‌گردد: جاذب‌های نانولیفی برای پاکسازی نشت مواد نفتی، غشاهای نانولیفی برای جداسازی آب و روغن و ایروژل‌های نانولیفی (NFA) برای جداسازی امولسیون‌های آب و روغن. در هر بخش با ذکر مثال‌هایی از مواد مورد استفاده، سازوکار مربوطه به روشنی شرح داده شده و درباره خصوصیت‌های بنیادی ذاتی و روش‌های بهینه‌سازی آن‌ها توضیح داده می‌شود. چشم انداز آینده این مواد و چالش‌های مطرح در آن‌ها در پایان هر بخش برجسته شده است.

2.      جاذب‌های نانولیفی در پاکسازی نشت نفت و لکه‌های نفتی

استخراج مکانیکی با استفاده از جاذب‌ها یکی از کارآمدترین و مقرون به صرفه‌ترین روش‌ها برای پاکسازی نشت مواد نفتی است که شامل به‌کارگیری جاذب‌ها برای تغلیظ و انتقال این مواد در حالت جامد یا نیمه‌جامد می‌شود. از این رو، یک جاذب ایده‌ال ماده‌ای با آب‌گریزی و چربی‌دوستی همزمان است که ویژگی‌هایی نظیر ظرفیت و نرخ جذب بالا، خاصیت شناوری زیاد و امکان استفاده مجدد داشته باشد. در بین جاذب‌های متداول مواد نفتی، الیاف مصنوعی آلی مانند لایه‌های بی‌بافت پلی پروپیلن (PP) با وجود آنکه در عمل ظرفیت پایینی در جذب روغن داشته‌اند (کمتر از 30 گرم به ازای هر گرم جاذب) ، به‌طور گسترده‌ای در پاکسازی نشت روغن و مواد نفتی استفاده می‌شدند. تحقیقات اخیر در زمینه نانوالیاف تولید شده به روش الکتروریسی کارایی بالای آن‌ها را به عنوان جاذب روغن و مواد نفتی نوید می‌دهد. ظرفیت جذب نانوالیاف نه تنها به دلیل حفرات فراوان بین نانوالیاف، بلکه به‌خاطر ساختار پرتخلخل خود الیاف است. به‌طور کلی می‌توان جاذب‌های نانولیفی تولید شده با فرایند الکتروریسی را که تاکنون برای جذب نفت و مواد روغنی توسعه یافته‌اند به سه دسته اصلی تقسیم کرد: نانوالیاف پلیمری آب‌گریز با خاصیت چربی‌دوستی همزمان، نانوالیاف کامپوزیتی و نانوالیاف کربنی.

2.1.  نانوالیاف پلیمری آب‌گریز با خاصیت چربی‌دوستی همزمان

الکتروریسی نانوالیاف متخلخل از پلیمرهای آب‌گریزی که خاصیت چربی‌دوستی دارند (مانند پلی استایرن، PS) روشی مؤثر را برای ایجاد جاذب‌های لیفی مواد نفتی ارائه می‌دهد. براساس اصول مکانیزم جداسازی فازی، تاکنون الیاف پلی استایرن با تخلخل‌های نانومقیاس و میکروساختارهای مختلف (مانند بخش مغزی توپر- غلاف متخلخل، پلی استایرن فوق متخلخل و پلی استایرن با مغز متخلخل- سطح ناهموار چین خورده) تولید شده است (شکل 2-a تا 2-e). ایجاد ساختار متخلخل و ناهموار در پلی استایرن آبگریز و چربی دوست منجر به تبدیل آن به جاذبی فوق چربی‌دوست و فوق آب‌گریز می‌شود که ظرفیت جذب روغن و مواد نفتی آن را تا 113.87 گرم به ازای هر گرم جاذب - یعنی حدود 3 تا 4 برابر لایه‌های بی‌بافت پلی پروپیلن - افزایش می‌دهد. علاوه‌بر این، میکروساختارها و کارایی پلی استایرن در جذب مواد نفتی با اعمال تغییر در غلظت محلول پلیمری، وزن مولکولی پلیمرها با منشأ متفاوت و استفاده از ترکیب درصد حلال‌های مختلف به طرزماهرانه‌ای قابل تنظیم است.

برای انتخاب یک جاذب در پاکسازی نشت مواد نفتی، گزینش‌پذیری لایه نسبت به آب یا مواد نفتی پارامتر مهمی به شمار می‌رود. درحالی که قطرات آب قرار گرفته روی الیاف پلی استایرن با آن زاویه تماس بیشتر از 90 درجه می‌سازند، قطرات روغن بلافاصله جذب این الیاف شده و در سطح الیاف پخش می‌شوند (شکل 2-f). این موضوع در یک آزمایش متداول جذب روغن با الیاف پلی استایرن شناور در سطح که از ابتدای آزمایش شروع به جذب روغن موجود کرده و پس از 15 دقیقه موفق به جذب همه روغن موتور موجود در آب می‌شود، گزارش شده است (شکل 2-g تا 2-i).

 

2.2. نانوالیاف کامپوزیتی

یکی از نقطه ضعف‌های جاذب‌های ساخته شده با الیاف پلی استایرن، ایجاد حالت ارتجاعی پس از جذب مواد نفتی و کاهش استحکام آن‌هاست که به امکان استفاده مجدد ناکارامد آن‌ها منجر می‌شود. یک راه مؤثر برای بهبود خواص مکانیکی و قابلیت استفاده مجدد نانوالیاف پلی استایرن، تهیه کامپوزیت‌های آن با مواد دیگر است، به گونه‌ای که از پتانسیل جذب مواد نفتی آن جزء نیز بتوان بهره برد. در انتخاب اجزای تقویت‌کننده باید توجه داشت که بخش تقویت‌کننده باید با دوام و انعطاف‌پذیر باشد تا بتواند تنش‌های مکانیکی وارده حین بازیافت مجدد جاذب‌ها را تحمل کند. همچنین این بخش لازم است چربی‌دوست و آب‌گریز باشد تا نفت و مواد روغنی را به خود جذب نماید. برای تأمین این معیارها و اصلاح الیاف متخلخل پلی استایرن، پلیمرهایی مانند پلی یورتان (PU) ، پلی وینیلیدین فلوئورید (PVDF) و پلی وینیل کلراید (PVC) به عنوان بخش تقویت‌کننده استفاده می‌شوند. به منظور ترکیب این مواد در الیاف پلی استایرن، روش‌های زیادی مانند الکتروریسی مخلوط پلیمری، الکتروریسی چندفازی و الکتروریسی هم محور به‌کار گرفته شده است.

افزودن مستقیم تقویت‌کننده‌های پلیمری (مانند پلی یورتان یا پلی وینیل کلراید) به محلول پلیمری پلی استایرن و سپس الکتروریسی و تولید نانوالیاف مخلوط (PU/PS یا PVC/PS) ، که با عنوان الکتروریسی مخلوط (شکل 3-a) شناخته می‌شود، روشی کارآمد و مؤثر است که به آسانی قابل اجرا است. نمونه‌ای از جاذب نانولیفی کامپوزیتی پلی استایرن/پلی وینیل کلراید به روش الکتروریسی مخلوط ساخته شده است (شکل 3-b) که ظرفیت جذب آن برای روغن موتور، روغن بادام زمینی، اتیلن گلایکول و گازوئیل به ترتیب 146، 119، 81 و 38 گرم ماده به ازای هر گرم جاذب است. این مقادیر به مراتب از جاذب‌های تجاری تولید شده با الیاف پلی پروپیلن بیشتر است (شکل 3-c).

 

الکتروریسی چند نازله هم روش دیگری برای تولید نانوالیاف کامپوزیتی به شمار می‌رود که خواص پلیمرهای مختلف را برای ایجاد هم افزایی در نانوالیاف کامپوزیتی با یکدیگر درمی‌آمیزد. به تازگی لایه نانولیفی کامپوزیت PVDF/PS که نانوذرات Fe3O4 را در درون و روی بخش پلی استایرن به همراه داشت، به آسانی با روش الکتروریسی چندنازله به‌طور موفقیت آمیز الکتروریسی گردید (شکل 3-ی). کامپوزیت نانولیفی حاصله ظرفیت خوبی در جذب روغن داشته و ویژگی‌های مکانیکی بهبود یافته‌ای را از خودش نشان می‌دهد که پتانسیل آن را برای به‌کارگیری در جداسازی آب و روغن افزایش می‌دهد (شکل 3-e). برای بهبود بیشتر در رفتار کشسانی و بازیافت پذیری بهتر جاذب‌های لیفی، الیاف پلی یورتان با استفاده از روش الکتروریسی چندنازله به جاذب‌های پلی استایرن الکتروریسی شده اضافه شد (شکل 3-f). همان‌طور که در نمودارهای شکل 3-g نشان داده شده است، با افزودن الیاف کشسان پلی یورتان، خصوصیات مکانیکی لایه‌های تولید شده به‌طور چشمگیری بهبود می‌یابد که این ویژگی استفاده مجدد از جاذب‌های لیفی را ممکن می‌سازد.

ایجاد پیکربندی پوسته - مغزی در الیاف با استفاده از روش الکتروریسی هم محور، روش دیگری برای افزایش خصوصیات مکانیکی و تقویت جاذب‌های لیفی پلی استایرن در کاربردهای عملی است. اخیراً Lin و همکارانش گزارشی را درخصوص میکروالیاف کامپوزیت پلی یورتان – پلی استایرن با سطح مخصوص بالا - به عنوان جاذب روغن - منتشر کردند که برای تولید آن از روش الکتروریسی هم محور استفاده شده بود (شکل 3-h و i). این لایه‌ها با جذب 64.40 گرم روغن موتور و 47.48 گرم روغن دانه آفتابگردان به ازای هرگرم جاذب، ظرفیت جذب خوبی را از خود به نمایش گذاشتند. حفظ ظرفیت بالای جذب روغن - حتی پس از انجام پنج سیکل کاری - نشان از قابلیت استفاده مجدد عالی این جاذب‌های کامپوزیتی دارد (شکل 3-j)

2.3.نانوالیاف کربن

بازیافت جاذب‌های فعلی تولید شده از پلیمرهای آلی یا الیاف زیستی با استفاده از حلال‌های آلی ممکن است به تورم و حتی انحلال آن‌ها منجر شود. Lin و همکارانش با توسعه روشی مبتنی بر تصعید، از الیاف الکتروریسی شده لایه نازک نانوالیاف کربنی با منافذ درشت تولید کردند که چنین مشکلی را ندارد. این لایه با ظرفیت جذب حداکثر 138.4 گرم روغن سیلیکون به ازای هر گرم جاذب، خصوصیات بسیار خوبی در جذب روغن از خود نشان داده است. نکته قابل توجه، قابلیت بازیافت و استفاده مجدد عالی این لایه‌ها با استفاده از حلال‌های آلی مناسب است که آینده درخشان آن را در پاکسازی لکه‌های نفتی و پساب‌های روغنی نوید می‌دهد.

با وجود آینده امیدوارکننده و پتانسیل فراوان جاذب‌های نانولیفی در پاکسازی لکه‌های نفتی و نشت مواد روغنی، به دلیل محدودیت در ظرفیت جذب آن‌ها، حجم زیادی از این مواد جاذب برای پاکسازی و جبران اثرات یک حادثه نشت مواد نفتی نیاز است که مسائل اقتصادی سنگینی را مطرح می‌سازد. به علاوه، فرآیند پیچیده و زمان بر بازیافت نفت و مواد روغنی از این جاذب‌ها، یک مانع برای به‌کارگیری آن‌ها در شرایط واقعی است. برای حل این مشکلات لازم است تلاش‌های فراوانی در یافتن روشی برای برداشت و جمع آوری مداوم، سریع و کارآمد لکه‌های نفتی در محل حادثه از سطح آب متمرکز گردد.

3.     غشاهای نانولیفی برای جداسازی آب و نفت

فناوری غشایی به دلیل کارایی بالا در جداسازی و فرآیند اجرایی نسبتاً ساده، به عنوان امیدوارکننده‌ترین روش تصفیه پساب‌های روغنی شناخته شده است. به‌طور کلی با تغییر در ترکیب شیمیایی و دستکاری ساختار هندسه سطح می‌توان به غشاهای لیفی با خصوصیات ترشوندگی گزینشی مطلوب دست یافت. غشاهای جداسازی عموماً به سه دسته تقسیم می‌شوند: غشاهای برداشت روغن، غشاهای برداشت آب و غشاهای جداسازی هوشمند.

3.1. غشاهای نانولیفی با فوق چربی دوستی و فوق آبگریزی همزمان

غشاهای نانولیفی فوق ترشونده برداشت روغن درحالی که به آسانی روغن‌ها و مواد نفتی را عبور می‌دهند، قادر به دفع کامل آب هستند. براساس مدل Wenzel و Cassie-Baxter، همان‌طور که وجود ناهمواری‌های نامنظم می‌توانند یک سطح آب‌گریز را به سطحی فوق آب‌گریز تبدیل کنند، چربی‌دوستی سطح را به فوق چربی‌دوستی تبدیل خواهند کرد. بنابراین با افزودن ناهمواری سطحی مناسب و ایجاد انرژی سطح پایین می‌توان غشایی ساخت که به‌طور همزمان رفتار فوق آب‌گریزی و فوق چربی‌دوستی داشته باشد.

پژوهشگران دانشگاه Donghua توانسته‌اند با استفاده از روش پلیمریزاسیون درجا، غشاهای نانولیفی فوق چربی‌دوست و فوق‌آبگریز را برای جداسازی کارآمد آب و روغن توسعه دهند. این غشاها از پلیمریزه کردن درجا‌ی لایه‌ی فلوئوردار شده‌ی پلی بنزوکسازین (F-PBZ) و الحاق نانوذراتی نظیر SiO2 و Al2O3 در سطح نانوالیاف الکتروریسی شده، به سهولت ساخته می‌شوند. نانوالیاف مورد استفاده در این غشاها می‌توانند از منشأ پلیمری (نظیر سلولز استات) و حتی نانوالیاف SiO2 باشند. غشای نانولیفی آب‌دوست اولیه پس از اصلاح به واسطه الحاق نانوذرات و حضور F-PBZ، از خصوصیت فوق آب‌گریزی و فوق چربی‌دوستی با زاویه تماس آب حدود 161 درجه و زاویه تماس روغن کمتر از 3 درجه برخوردار گردید که قادر است مخلوط آب و روغن را تنها تحت تأثیر نیروی پیشراننده جاذبه زمین به‌طور مؤثر و سریع جداسازی کند (شکل 4-d). نفوذ سریع روغن و عبور آن از غشاهای نانولیفی سلولز استات اصلاح شده با F-PBZ و نانوذرات SiO2 – درحالی که آب در بالای غشا ثابت مانده است – در شکل 4-e نشان داده شده است. نمونه برجسته در جداسازی مؤثر مخلوط امولسیون شده آب و نفت، غشاهای نانوالیاف SiO2 اصلاح شده با F-PBZ و نانوذرات Al2O3 به روش بالاست که نه تنها نرخ عبور جریان بسیار زیادی تحت فشار پیشراننده جاذبه زمین دارد، بلکه از دوام، پایداری حرارتی مناسب و خصوصیات ضدگرفتگی مطلوب نیز برخوردار است.

به منظور شکل دهی ساختارهای ناهموار چندلایه سطحی و ایجاد انرژی سطح پایین، پژوهشگران غشاهای نانولیفی برداشت روغن متنوعی را با افزودن نانوخوشه‌های نقره یا نانو سیلیکاهای آب‌گریز به سطوح نانولیف توسعه دادند. برای نمونه غشاهای نانولیفی فوق چربی‌دوست و فوق آب‌گریزی از ترکیب روش‌های آمینه کردن نانوالیاف پلی اکریلونیتریل و تثبیت نانوخوشه‌های نقره به روش آبکاری شیمیایی (بدون اعمال جریان برق) - به همراه اصلاح سطحی لایه - ساخته شده است. غشاهای تولید شده به این روش کارایی جداسازی چشمگیری در محیط‌های فوق شور و در محدوده‌های مختلف pH از خود نشان می‌دهند و به دلیل بازیافت پذیری عالی، گزینه بسیار خوب و امیدوارکننده‌ای برای تصفیه پساب آلوده به روغن در صنایع و پاکسازی نشت مواد نفتی در دریا هستند.

تولید مستقیم ساختارهای متخلخل از مواد ترشونده خاص نیز روشی محبوب برای تولید غشاهای فوق ترشونده برداشت روغن است که می‌تواند جایگزین استفاده از پوشش نانوذرات و اصلاحات شیمیایی مکرر شود. Yoon و همکارانش توانسته‌اند تنها با الکتروریسی یک مرحله‌ای پلی استایرن بر روی توری سیمی از آهن زنگ نزن، غشای فوق ترشونده‌ای را بدون هیچ اصلاح شیمیایی اضافه برای جداسازی آب و روغن تولید کنند. در آینده بهره‌گیری از پلیمرهای آب‌گریز مختلف برای تولید غشاهای نانولیفی فوق چربی‌دوست و فوق آب‌گریز بر مبنای این روش دور از انتظار نیست.

3.2. غشاهای نانولیفی فوق آب‌دوست با فوق چربی‌گریزی در محیط آبی

غشاهای برداشت روغن به دلیل خاصیت چربی‌دوستی به راحتی آلوده و مسدود می‌شوند که این مسئله ظرفیت جداسازی آن‌ها را به‌طور جدی تحت تأثیر قرار داده و تعداد چرخه‌هایی که می‌توان پس از بازیابی از این غشاها استفاده کرد را محدود می‌کند. پیشرفت‌های اخیر در توسعه غشاهای عامل‌دار با ویژگی فوق آب‌دوستی و فوق چربی‌گریزی همزمآنکه به آن‌ها غشاهای برداشت آب نیز گفته می‌شود، راه جایگزین دیگری را برای رفع برخی مشکلات جداسازی آب و روغن ارائه می‌دهد.

غشاهای آب‌دوست که در محیط آبی رفتار فوق چربی‌گریزی دارند، از طبیعت دافع چربی فلس‌های ماهی الهام گرفته شده است و امکان طراحی و ساخت آن‌ها براساس ترکیب انرژی سطح مناسب و ویژگی ناهمواری سطحی وجود دارد. نمونه‌ای از غشاهای فوق آب دوست و فوق چربی گریز از رسوب دادن پوشش معدنی بر پایه کربنات کلسیم (CaCO3) بر روی سطح غشاهای نانولیفی پلی پروپیلن پیوند زده شده با پلی اکریلیک ساخته شده است. این غشا زمانی که در محیط آبی قرار گرفته باشد، مقدار زیادی آب را به وسیله پوشش معدنی سفت خود به دام می‌اندازد و لایه هیداراته شده ضخیمی را در سطح حفره‌ی غشا ایجاد تشکیل می‌دهد که به غشا خاصیت فوق چربی‌گریزی در محیط‌های آب می‌دهد. این غشاهای پیوندی قادر به جداسازی امولسیون‌ها و مخلوط‌های مختلف آب و روغن با کارایی و نرخ عبور آب زیاد، تحت فشار و حتی تأثیر نیروی جاذبه هستند. براساس همین قاعده، در پژوهش دیگری پلی استر آب دوست (P34HB) را برای تنظیم تخلخل ساختاری و آب دوستی غشاهای کامپوزیتی به نانوالیاف پلی لاکتیک اسید اضافه کردند که این امر منجر به ایجاد فوق‌چربی گریزی بیشتر غشاهای نفوذپذیر در زیر آب گردید. همچنین غشاهای نانولیفی از الکتروریسی کوپلیمر PVDF-HFP و سلولز - با خاصیت فوق چربی‌گریزی در محیط آبی - ساخته شده است که جداسازی آب از نفت را با کارایی تا 99.98% انجام می‌دهد.

در مقایسه با غشاهای پلیمری، غشاهای نانوالیاف معدنی مزیت‌های بالقوه‌ای را در پایداری تحت شرایط سخت کاری، قابلیت‌های ضدگرفتگی و چرخه آسان در استفاده درازمدت از خود نشان می‌دهند. مطالعات روی غشای جدید، انعطاف‌پذیر و پایدار در برابر حرارت نانوالیاف SiO2 با تخلخل چندلایه سطحی، نمونه‌ای برای این موضوع است که جداسازی آب از میکروامولسیون‌های روغن - پایدار شده با مواد سطح فعال - را تحت نیروی جاذبه انجام می‌دهد. همان‌طور که در شکل 5-a دیده می‌شود، از غشای الکتروریسی شده نانوالیاف SiO2 به عنوان قالبی برای انجام پلیمریزاسیون درجا و الحاق نانوذرات SiO2 استفاده شده است. با اضافه شدن نانوذرات SiO2، انعطاف پذیری غشا تغییری پیدا نمی‌کند (شکل 5-b). این در حالی است که ناهمواری‌های نانومقیاسی در سطح نانوالیاف ایجاد شده است. بررسی ساختاری با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی اضافه شدن نانوذرات SiO2 به سطح نانوالیاف را به خوبی تأیید می‌کند (شکل 5-c). غشاهای ارتقا یافته به این روش در مجاورت هوا به طور همزمان فوق آب‌دوست و فوق چربی‌دوست است (شکل 5-d). با این حال، به محض معلق کردن این غشاها در محیط آبی، رفتار چربی‌گریزی از آن‌ها بروز می‌کند (شکل 5-e) که این موضوع می‌تواند آن‌ها را تبدیل به گزینه‌ای مناسب برای جداسازی آب و روغن کند (شکل 5-f). همچنین در پژوهش دیگری با افزودن نانوذرات NiFe2O4 برروی نانوالیاف SiO2، غشای مغناطیسی نانولیفی برداشت آب با ساختار چندلایه تولید شده است که کارایی جداسازی بالا و نرخ عبور جریان بسیار زیادی تا 2237 لیتر بر مترمربع ساعت دارد (شکل 5-g). این غشاها مقاومت خوبی در برابر آلودگی‌ها و گرفتگی داشته و پایداری حرارتی بالا (شکل 5-h) و سهولت بازیافت آن‌ها (شکل 5-i) ، نیازهای واقعی در تصفیه پساب‌های امولسیون شده در مقیاس انبوه را برآورده می‌کند.

3.3.  غشاهای اولترافیلتراسیون نانولیفی

غشاهای نانولیفی الکتروریسی شده با داشتن نفوذپذیری بالا و هزینه انرژی پایین نسبت به روش‌های متداول و مرسوم تصفیه آب، روز به روز با استقبال بیشتری مواجه می‌شوند. برای حل مشکلات ناشی از گرفتگی بالا و نرخ عبور پایین در غشاهای اولترافیلتراسیون و نانوفیلتراسیون مبتنی بر نانوالیاف، ایجاد یک لایه نازک از مواد آب‌دوست مانند پلی وینیل الکل (PVA) ، کیتوزان یا پلی آمید بر روی غشاهای نانولیفی با استفاده از روش جذب فیزیکی یا پلیمریزاسیون به میان سطحی، عملی و امکان‌پذیر است. Chu و همکارانش به منظور رسیدن به نرخ عبور جریان بالا برای جداسازی امولسیون روغن در آب، اصلاح سطحی لایه آب‌دوست را در غشاهای اولترافیلتراسیون نانولیفی گزارش کردند. همان‌طور که در شکل 6-a و 6-b نشان داده شده است، ابتدا یک داربست نانولیفی (از موادی مانند PVA و PAN) بر روی زیرلایه بی‌بافت میکرولیفی الکتروریسی گردید و پس از آن، لایه آب‌دوست از موادی مانند کیتوزان و هیدروژل PVA به روش ریختگری چرخشی بر روی این داربست قرار گرفته تا به این ترتیب، یک غشای نانولیفی سه لایه ایجاد گردد. به دلیل وجود لایه صاف و بسیار نازک حائل و تخلخل بالا در این غشای برداشت آب، کارایی فوق‌العاده خوب، نرخ عبور جریان بالا و خواص ضدگرفتگی در عملکرد آن مشاهده شده است. طی آزمایش دراز مدت عبور امولسیون روغن در آب از عمق این فیلترها، نرخ عبور جریان به اندازه غشاهای اولترافیلتراسیون تجاری بالا بوده و کاهش چشمگیر و قابل توجهی در پس زدن روغن مشاهده نگردید (شکل 6-c).

 

3.4.غشاهای نانولیفی هوشمند با ترشوندگی مخصوص

غشاهایی که رفتار ترشوندگی آن‌ها متناسب با شرایط و تحریک محیطی تغییر می‌کند، به‌خاطر اهمیتی که در کاربردهای صنعتی و مطالعات پایه دارند، به طور روزافزون مورد توجه قرار می‌گیرند. ترشوندگی سطحی این غشاها با اعمال محرک‌های بیرونی مانند pH، دما، میدان الکتریکی و حتی حضور گازها قابل کنترل است. به تازگی غشاهای نانولیفی هوشمندی براساس امکان تغییر بسیار زیاد در ترشوندگی نسبت به آب و روغن توسعه یافته‌اند که اهمیت زیادی در تصفیه آب‌های آلوده به روغن برای تقاضاهای مختلف بازار دارند.

پلیمرهایی که گروه‌های اسیدی یا بازی دارند، معمولاً به دلیل اینکه بارها و ساختار ترکیبی آن‌ها در محیط‌هایی با pH مختلف به شدت تحت تأثیر قرار می‌گیرد، رفتار ترشوندگی وابسته به pH دارند. اخیراً Li و همکارنش غشای لیفی هوشمندی را با الکتروریسی PMMA-b-P4VP بر روی توری آهن زنگ نزن ساختند که به دلیل ماهیت حساس به pH بخش P4VP و آب‌دوستی و چربی‌دوستی PMMA در محیط آبی، خاصیت ترشوندگی سطحی قابل تغییر نسبت به آب و روغن دارد (شکل 7-a). درحالی که به دلیل گزینش‌پذیری، تنها روغن می‌تواند از این غشا عبور کند و آب در حالت اولیه خود باقی می‌ماند (شکل 7-b) ، در محیط‌های اسیدی (pH=3) گزینش‌پذیری و جداسازی به طور معکوس انجام می‌شود (شکل 7-c).

کنترل ترشوندگی سطحی غشاهای نانولیفی با استفاده از گاز دی اکسید کربن نیز توسعه یافته است. به تازگی غشای نانولیفی PMMA-co-PDEAEMA با قابلیت تعویض ترشوندگی بین آب و روغن ساخته شده است (شکل 8-a و b). اصول کار این غشا بر مبنای واکنش دادن گاز CO2 موجود در آب با سومین گروه‌های آمین در بخش PDEAEMA است که منجر به شکل‌گیری زنجیره آب‌دوست گسترش یافته‌ای می‌شود. اما به محض قرارگیری در مجاورت گاز نیتروژن، گاز CO2 از غشای جدا شده و خاصیت آبگریزی سطح است بازیابی می‌شود. به این ترتیب با استفاده از محرک‌های گازی CO2/N2 می‌توان ترشوندگی سطح غشا را نسبت به آب و روغن تنظیم نمود (شکل 8-c تا 8-e). به بیان دیگر، به‌کارگیری همزمان نانوساختار متخلخل و واکنش سطح به گاز CO2 در این غشا می‌تواند آن را چیزی شبیه به کلید قطع و وصل در عبور آب یا روغن کند (شکل 8-f). سادگی و تطبیق پذیری امیدوارکننده این سیستم نه تنها روش جدیدی را برای تنظیم ترشوندگی سطح مواد با گازها به ما ارائه می‌دهد، بلکه از مزایای مشهود در جداسازی بسیار کنترل‌شده‌ی آب و روغن با استفاده از گاز CO2 نیز برخوردار است.

علاوه‌بر غشاهای حساس و واکنش دهنده به محرک‌های خارجی، گزارش‌هایی از امکان جداسازی آب و روغن با غشاهای نانولیفی دولایه هوشمند، به واسطه ظرفیت قابل هدایت انتقال روغن، منتشر شده است. پژوهش بعدی در غشاهای جداسازی هوشمند و قابل کنترل آب و روغن می‌بایست تمرکز خود را بر سنتز انواع جدید این غشاها با حساسیت و واکنش به حرارت، میدان الکتریکی، اعمال تنش و حتی چندین محرک همزمان متمرکز کند.

4.ایروژل‌های نانولیفی برای جداسازی امولسیون‌های آب و روغن

ایروژل‌های حجیم سه بعدی به دلیل داشتن تخلخل بسیار زیاد، چگالی کم و خواص مربوط به سطح جانبی بسیار زیاد در فضای درونی شان شناخته می‌شوند. به این ترتیب ایروژل‌های عامل‌دار با ترشوندگی مخصوص می‌توانند راهبرد دیگری برای تحقق بخشیدن به اجرای جداسازی امیدوارکننده - بلافاصله پس از شکستن امولسیون‌ها - باشند. تاکنون ایروژل‌های عامل‌دار مختلفی نظیر ایروژل‌های کلوئید سیلیکا، ایروژل‌های نانولوله‌های کربن، مونولیت‌های گرافن، نیترید بور متخلخل و همچنین اسفنج‌های پلیمری برای جداسازی آب و نفت به‌کار گرفته شده است. ساخت ایروژل متخلخل با ترشوندگی ویژه و خواص مکانیکی قدرتمند است که قادر باشد به‌طور مؤثر و مقرون به صرفه، امولسیون‌های آب و نفت را به‌طور مداوم، مستقیم و بدون نیاز به پیشراننده‌های خارجی جداسازی کند، چالش اصلی این حوزه است.

اخیراً تیم ما با پرورش ایده‌ای مفهومی، موفق به ساخت ایروژل‌های بازیابی شده الاستیک لیفی با پیوندهای ساختاری ایزوتروپیک (به اختصار FIBER[ii]) با ترکیب روش‌های الکتروریسی و انجماد خشک شده است که ترشوندگی و ساختار متخلخل قابل تنظیمی دارد. شکل 9-a فرآیند تولید این ماده را نشان می‌دهد: ابتدا غشای نانولیفی SiO2 و نانوالیاف انعطاف‌پذیر پلی اکریلونیتریل/ بنزوکسازین[iii] (PAN/BA-a) الکتروریسی گردید. سپس این نانوالیاف به خوبی پراکنده و همگن شدند. در مرحله سوم، مخلوط همگن شده قالب‌گیری شده و به منظور رسیدن به ایروژل نانولیفی، مورد انجماد خشک قرار گرفت. در انتها برای تقویت ایروژل نانولیفی اتصالات عرضی ایجاد و فرآیند تولید ایروژل‌های نانولیفی FIBER تکمیل گردید. به دلیل سادگی فرآیند تولید و انطباق پذیری عالی روش ساخت در کنترل شکل نهایی محصول (شکل 9-b) ، ساختار پرتخلخل (شکل 9-c) و مقیاس پذیری برای تولید در حجم بالا (شکل 9-d) ، ساخت ایروژل نانولیفی FIBER در مقیاس صنعتی امکان‌پذیر است. در پژوهش تکمیلی بعدی، نانوذرات SiO2 هم به این ایروژل‌ها اضافه شدند تا تخلخل ساختاری و کارایی جداسازی آن را افزایش دهند (شکل 9-e). ایروژل‌های نانولیفی FIBER که به روش بالا تهیه شده اند، چگالی بسیار کم (شکل 9-f) ، چَم تخلخل[iv] بالا، خصوصیات ترشوندگی زیاد و قابلیت بازیابی فوق‌العاده‌ای در روش‌های فشاری دارند که قادر به جداسازی مؤثر امولسیون‌های پایدارسازی شده‌ی آب در روغن - تنها با نیروی پیشراننده جاذبه زمین و نرخ عبور جریان بالا (220 ±8140 لیتر بر مترمربع ساعت) – هستند (شکل 9-g). کارایی جداسازی این ایروژل‌ها حتی بیشتر از غشاهای اولترافیلتراسیون تجاری است که با فشار پیش‌راننده خارجی کار می‌کنند (شکل 9-h). در این پژوهش برای پی بردن به امکان جمع‌آوری مداوم، سریع، کارآمد و در محل نفت از امولسیون‌های آب و نفت، دستگاه ساده‌ای مشتمل بر یک پمپ پریستالتیک[v] و ایروژل FIBER به‌کارگرفته شد که در شکل 9-i دیده می‌شود.

ساخت ایروژل‌های FIBER برای جداسازی آب و روغن براساس سه معیار شاخص انجام گرفت: نخست اینکه بتوان از نانوالیاف، ساختارهای سه بعدی با معماری پرتخلخل و باز تهیه کرد. معیار دوم، مقاومت مکانیکی ایروژل‌ها برای دوام آوردن در برابر خستگی‌های ناشی از تغییر شکل‌های فشاری است. شکستن امولسیون‌های آب در روغن و جداسازی آن‌ها بلافاصله پس از ورود به ایروژل‌ها، شاخص سوم این طرح است. در آینده لازم است تلاش‌هایی برای طراحی ایروژل‌های FIBER با خواص مطلوب در کاربردهای عملی مختلف مانند پاکسازی نشت مواد و لکه‌های نفتی، تصفیه پساب‌ها، خالص‌سازی سوخت و جداسازی امولسیون‌های تجاری انجام گردد.

5. چشم انداز و نتیجه‌گیری

الکتروریسی روشی بسیار امیدوارکننده در تولید نانوالیاف برای جداسازی کارآمد و مؤثر آب و روغن پدیدار است که مزایای بالقوه‌ای را در ساخت لایه‌های مورد استفاده در جداسازی آب و روغن به لحاظ ترشوندگی تنظیم‌پذیر، ظرفیت و نرخ بالای جذب (در جاذب‌های نفت و روغن) ، نرخ عبور جریان و اثربخشی زیاد (در ایروژل‌ها و غشاها) ارائه می‌دهد. در طی سال‌ها تلاش مستمر و بی‌پایان، دستاوردهای بزرگی را در این عرصه به‌دست آمده است. در این مقاله سعی شد تحقیق و توسعه در جداسازی کارآمد آب و روغن - با دربرگرفتن ایده‌ها، مفاهیم اولیه و روش‌های تولید نانوالیاف- به طور خلاصه بیان شود. جدول 1 تنوع فراوانی از نانوالیاف مختلف با ترشوندگی سطحی قابل تنظیم را که برای کاربردهای جداسازی آب و روغن توسعه یافته‌اند، به اختصار بیان می‌کند.

علی‌رغم پیشرفت‌های اخیر در توسعه نانوالیاف برای به‌کارگیری در جداسازی آب و روغن، هنوز چالش‌های زیادی برای پاسخ دهی وجود دارد. معرفی ساختارهایی با ناهمواری‌های چندلایه در سطح لیف می‌تواند به فوق ترشوندگی آن منجر شود. با این حال، اغلب ساختارهای سطح نازک تحت تأثیر عوامل خارجی به راحتی ممکن است آسیب ببینند. لذا طراحی و ساخت ناهمواری‌های سطحی پایدار و بادوام بر روی نانوالیاف دارای ترشوندگی مخصوص، چالشی اساسی و قابل توجه است.

متأسفانه اغلب روش‌های تولید (مانند پلیمیزاسیون درجا) به تحقیقات آزمایشگاهی محدودند و برای تولید در مقیاس انبوه مناسب نیستند. با وجود آنکه تولید نانوالیاف در مقیاس صنعتی به روش الکتروریسی امکان‌پذیر است، ضعف کلی این ساختارها در پایداری مکانیکی، نیاز مبرم به روشی برای تولید مواد بادوام با امکان استفاده در جداسازی آب و روغن به‌طور جدی احساس می‌شود. در شرایط فعلی، بیشتر تحقیقات در طراحی، آماده‌سازی و ساخت مواد برای جداسازی گوناگون متمرکز است. توجه کمتری به تحقیق و بررسی دقیق فرآیند جداسازی آب و روغن و فهم تئوری‌ها و مکانیزم‌های آن وجود دارد. باوجود اینکه معضلات و چالش‌های زیادی در آینده وجود خواهد داشت، الکتروریسی همچنان پتانسیل عظیمی برای تولید لایه‌های نانولیفی تطبیق‌پذیر و با قابلیت کنترل فوق ترشوندگی دارد. پیش‌بینی می‌شود توسعه مداوم روش الکتروریسی در حوزه طراحی و ساخت لایه‌های جداسازی در دهه‌های آینده ادامه یابد که این مسئله نیروی پیشراننده نسبتاً مهمی برای جهش رو به جلو در توسعه عرصه جداسازی آب و روغن خواهد بود.

 

منبع:

X. Wang, J. Yu, G. Sun, B. Ding, Journal of Materials Today, Vol.19, No.7 (2016) 403-414.