Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Fashandi,Mohammad Zarrebini
حسین فشندی (استاد راهنما) محمد ذره بینی اصفهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali Ghodsi
علی قدسی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Interplay of phase behavior and gelation of polymer solution in nano-structure evolution of poly(vinylidene fluoride) hollow fiber membranes
The use of polymeric membranes has been vastly increased within relatively short time period. This phenomenon is due to the fact that membrane constitutes the cornerstone of separation process. Various membranes such as flat sheet and hollow fiber membranes are available. In general, low production cost together with low material cost have led to preference of polymeric membranes to inorganic types in wide range of applications. In this regard, the use of hollow fiber membranes has gained paramount importance. Hollow fiber membranes can be used in various applications such as microfiltration, nanofiltration, forward osmosis, gas separation, carbon dioxide absorption, distillation, dialysis etc. Each application requires a membrane with defined morphology. Therefore, the ability to tailor morphology of the hollow fiber membrane is the vital criterion up on which the membrane can be designed. This work attempts to eliminate the ambiguities surrounding morphological aspect of the hollow fibers membrane and facilitate their design by employing liquid-liquid phase separation and crystallization processes. Hollow fiber membranes were produced using semi-crystalline polymer, i.e. poly (vinylidene fluoride) (PVDF). The production of the hollow fiber samples includes formation of crystals, gelation process and liquid-liquid phase separation. The first part of the work is concerned with investigating the effect of participating solvents (DMF, NMP, 2P), type of PDVF and concentration of the polymer solution on the formation of nanostructure (pores and crystalline phases) in the PVDF hollow fiber membranes. Various solvents by affecting phase behavior and gelation of the non-solvent/solvent/polymer ternary system, change viscoelastic properties of PVDF dope. These effects not only resulted in changes in the dimensions of macro-voids and cavities but also caused changes in the crystalline phases in the PVDF membranes structure. Additionally, the use of PVDF with different melt flow indexes (MFI), leads to changes in the viscoelastic properties of the PVDF solutions as the result of which membranes with different structures are produced. It was found that ternary phase diagram alone is an inadequate tool by which membrane structure can be predicted particularly membranes with nanostructure. Thus, in order to analyze and predict the structure of the hollow fiber membranes, simultaneous consideration of rheological properties and ternary phase behavior of different solutions must be used. Appropriate membranes for CO2 absorption in the form of gas-liquid membrane contactor with high CO2 absorption capability, were designed and manufactured. The membrane design was based on the interaction of phase behavior and properties of gelation polymer solutions. The second part of the work is concerned with investigating the effect of the relative position of the spinning solution in the ternary phase diagram with respect to binodal and gelation boundaries. Maintaining constant polymer volume fraction ( ) and varying volume fraction of the solvent ( ) and non-solvent ( ), spinning solutions were prepared in various locations in the phase diagram. The solutions were prepared using one type of PVDF and 2P solvent. It was observed that changing in relative position of spinning dope on the phase diagram with respect to binodal and gelation boundaries, results in changes in formation and growth of crystalline phases. These variations in turn affect the mechanical properties of the membranes such as strength and Young's modulus. Additionally, it was found that shifting of the dope from the polymer/solvent axis, results in formation of a dual structure in PVDF membrane. The formation of the dual structure leads to significant improvement of disperses dye rejection by the membranes. Keywords: Poly (vinylidene fluoride), Hollow fibers, Membrane, Phase behavior, Gelation, Nanostructure, Crystals, Liquid-liquid phase separation.
امروزه استفاده از غشاهای پلیمری در فرآیندهای جداسازی، به سرعت در حال افزایش است. انواع غشاهای موجود در بازارشامل غشاهای تخت و غشاهای الیاف توخالی می‌باشد. سهولت ساخت و هزینه‌ی پایین غشاهای پلیمری نسبت به غشاهای غیرآلی موجب شده است که غشاهای پلیمری کاربردهای گسترده¬تری را شامل شوند. در میان غشاهای پلیمری، غشای الیاف توخالی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این نوع غشاها با مورفولوژی¬های مختلف برای کاربردهای گوناگون از قبیل میکروفیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز پیشرو، جدایی‌گازها، جذب دی¬اکسید کربن، تقطیر، دیالیز و... طراحی و تولید می¬شوند. به عبارت دقیق¬تر هر یک از کاربردهای مذکور نیازمند یک نوع مورفولوژی خاص برای غشای مورد استفاده است. لذا باید اذعان نمود که توانایی طراحی غشاهایی با مورفولوژی خاص جهت کاربردی ویژه بسیار حائز اهمیت بوده و کسب دانش فنی آن می¬تواند بسیار سودآور باشد. در این پروژه تلاش شد تا گامی کوچک در این مسیر با تکیه بر اصول حاکم بر فرآیندهای جدایی فازی مایع-مایع و کریستالیزاسیون برداشته شود تا بتوان به ابهاماتی که در این زمینه وجود دارد تا حدودی پاسخ داده شود. در این راستا برای تولید غشاهای الیاف توخالی از پلیمر نیمه¬کریستالی پلی(وینیلیدین فلوئوراید) (PVDF) استفاده شد. پلیمر مذکور بواسطه تشکیل کریستال، فرآیند ژل¬شدن را نیز علاوه بر جدایی فازی مایع-مایع در مسیر تولید غشا، شامل می¬گردد. در بخش اول پروژه، نحوه مشارکت نوع حلال (DMF, NMP, 2P)، نوع PDVF و غلظت محلول پلیمری در شکل¬دهی نانوساختار (حفرات و فازهای کریستالی) غشاهای الیاف توخالی PVDF بررسی شد. حلال¬های مختلف، با تغییر رفتار فازی و رفتار ژلینگی سیستم سه¬تایی غیرحلال/حلال/پلیمر، خواص ویسکوالاستیک دوپ¬های بر پایه PVDF را تغییر داده و باعث تغییر در میزان بزرگ حفره¬ها و گودال¬ها و همچنین فازهای کریستالی مختلف در ساختار غشاهای PVDF می¬شوند. از سوی دیگر، استفاده از PVDF با شاخص جریان مذاب (MFI) متفاوت، نیز با تغییر در خواص ویسکوالاستیک دوپ¬های بر پایه PVDF، ساختارهای متفاوتی را برای غشا رقم می¬زند. همچنین مشخص شد که دیاگرام فازی سه¬تایی به تنهایی نمی¬تواند به عنوان ابزاری سودمند در پیش¬بینی ساختار بویژه نانوساختار غشاهای PVDF قلمداد شود. به عبارت دیگر برای تحلیل و پیش¬بینی ساختار غشاهای الیاف توخالی، خواص رئولوژیکی و رفتار فازی محلول¬های مختلف بایستی به صورت همزمان مورد بررسی قرارگیرند. با درنظرگرفتن تعامل رفتار فازی و ویژگی¬های ژلینگی دوپ¬های پلیمری، غشاهای مناسب برای جذب CO2 در قالب تماس¬دهنده¬های غشایی گاز-مایع با قابلیت جذب CO2 بالا، طراحی و ساخته شدند. در بخش دوم پروژه، تاثیر موقعیت نسبی محلول ریسندگی در دیاگرام فازی سه¬تایی نسبت به مرزهای باینودال و ژلینگی بر روی مورفولوژی غشاهای تولیدی مورد توجه واقع گردید. به بیان دقیق¬تر، محلول¬های ریسندگی، با ثابت نگه¬داشتن کسر حجمی پلیمر ( ) و تغییر کسر حجمی حلال ( ) و ضد حلال ( ) در مکان¬های مختلف دیاگرام فازی ساخته شدند. در این قسمت یک نوع PVDF و یک نوع حلال، 2P، جهت ساخت محلول ریسندگی مورد استفاده قرار گرفتند. مشاهده شد که با تغییر موقعیت دوپ ریسندگی بر روی دیاگرام فازی نسبت به به مرزهای باینودال و ژلینگی، تشکیل و رشد فازهای کریستالی مختلف تغییر کرده و در نتیجه خواص مکانیکی غشا شامل استحکام و مدول یانگ نیز متحمل تغییر می¬شود. از سوی دیگر با دورشدن موقعیت دوپ از محور پلیمر/حلال یک ساختار دو لایه در غشای PVDF بوجود می¬آید که باعث می¬شود قابلیت غشا در پس¬زنی رنگ¬های دیسپرس به میزان قابل توجهی بهبود یابد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی