ساخت غشای چند‌لایه تبادل یون با استفاده از لایه نانوکامپوزیتی لاستیکی دارای نانوذرات گرافیت روی پایه کاتیونی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

اراک، دانشگاه اراک، دانشکده فنی مهندسی، گروه مهندسی شیمی، کد پستی 8349-8-38156

10.22063/jipst.2026.35754.2414

چکیده

فرضیه: در این پژوهش، غشای چندلایه تبادل کاتیونی ناهمگن با استفاده از لایه نانوکامپوزیتی لاستیکی دارای نانوذرات گرافیت، روی غشای تجاری پلی‌اتیلن تهیه و برای کاربرد در فرایند الکترودیالیز ارزیابی شد.
روش‌ها: غشاهای تجاری با روش پوشش‌دهی-غوطه‌وری اصلاح سطح شدند. مشخصات غشاها با آزمون‌های SEM، EDS، XRD و  FTIR ارزیابی شد. همچنین زاویه تماس، محتوای آب، شار یونی، مقاومت الکتریکی و کارایی حذف سختی غشاها بررسی شد.
یافته‌ها: افزودن نانوذرات گرافیت به لایه‌ لاستیکی سبب تشکیل کانال‌های انتقال یونی و افزایش همگنی سطح غشا شد. کاهش اندازه بلورک‌های بلوری از 8.4nm به 3nm نیز حاکی از کاهش نظم بلوری و افزایش نواحی بی‌شکل با نقش کلیدی در انتقال یون بود. زاویه تماس آب ابتدا با اصلاح سطح کاهش و سپس در غلظت‌های بیشتر نانوذرات، به‌دلیل آب‌گریزی گرافیت، افزایش یافت. محتوای آب غشاها با افزودن %0.1 وزنی نانوذرات گرافیت تا %57 کاهش یافت و سپس با افزایش غلظت نانوذرات تا %1 وزنی، به %63 رسید، اما با افزایش بیشتر نانوذرات تا %10 وزنی، دوباره کاهش نشان داد. نفوذپذیری و شار یونی غشای اصلاح‌شده با افزودن %0.1 وزنی گرافیت تقریباً دو برابرنمونه‌ پایه شد. مقاومت الکتریکی غشاها با افزایش غلظت نانوذرات روند کاهشی نشان داد و از38Ω·cm2 در نمونه‌ پایه به8Ω·cm2 در غشای اصلاح‌شده رسید که بیانگر نقش مؤثر رسانایی گرافیت بود. در حذف سختی نیز، غشای دارای %0.1 وزنی نانوذرات، افزایش %46 شار منیزیم و %18 شار کلسیم نسبت به نمونه پایه را نشان داد. در مجموع، استفاده‌ هم‌زمان از لایه‌ لاستیکی و نانوذرات گرافیت موجب بهبود خواص غشا و افزایش کارایی آن در فرایند الکترودیالیز شد. این نتایج امکان توسعه‌ غشاهای رسانا و مقرون‌به‌صرفه را در تصفیه‌ آب صنعتی فراهم می‌سازد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Fabrication of multilayer ion exchange membrane by using rubbery nanocomposite layer containing of graphite nanoparticles on a cationic substrate

نویسندگان [English]

  • Sajjad Mahdavi
  • Mohadese Bayat
  • SayedMohsen Hosseini
  • Ashraf Ahmadi
Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak 38156-8-8349, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: In this study, a heterogeneous multilayer cation-exchange membrane was fabricated by applying a rubbery nanocomposite layer containing graphite nanoparticles onto a commercial polyethylene membrane and evaluated for use in the electrodialysis process.
Methods: The commercial membranes were surface-modified using a dip-coating method. The membranes were characterized by SEM, EDS, XRD, and FTIR analyses. Additionally, water contact angle, water content, ionic flux, electrical resistance, and hardness removal efficiency were assessed.
Findings: The incorporation of graphite nanoparticles into the rubbery layer led to the formation of ionic transport channels and improved surface homogeneity. The reduction in crystalline domain size from 8.4 to 3.0 nm indicated diminished crystallinity and an increase in amorphous regions, which are crucial for ion transport. Initially, the water contact angle decreased after surface modification, but increased at higher nanoparticle concentrations due to the inherent hydrophobicity of graphite. The water content of the membranes decreased by up to 57% with the addition of 0.1 wt% graphite nanoparticles, then increased to 63% at 1 wt%, and decreased again at 10 wt%. The permeability and ionic flux of the modified membrane containing 0.1 wt% graphite nearly doubled compared to the unmodified one. The electrical resistance decreased from 38 to 8 Ω·cm² with increasing nanoparticle content, indicating the conductive role of graphite. In terms of hardness removal, the membrane with 0.1 wt% nanoparticles showed a 46% increase in magnesium flux and 18% increase in calcium flux compared to the base membrane. Overall, the simultaneous use of a rubbery layer and graphite nanoparticles enhanced membrane properties and performance in electrodialysis. These findings support the development of conductive and cost-effective membranes for industrial water treatment.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Multilayer cation-exchange membrane
  • Surface modification
  • Rubbery nanocomposite layer
  • Graphite nanoparticles
  • Electrodialysis