بهبود کارایی جذب دی‌اکسید کربن توسط فناوری جدید غشای پلیمری
محققین فناوری غشایی جدیدی را ایجاد کرده‌اند که امکان حذف مؤثرتر دی‌اکسید کربن (CO2) از گازهای مخلوط نظیر انتشار گاز از نیروگاه‌ها را فراهم می‌کند. Rich Spontak، نویسنده همکار مقاله می‌گوید: برای نشان دادن توانایی غشای جدیدمان، مخلوط گازهای CO2 و نیتروژن را بررسی کردیم؛ زیرا مخلوط این دو گاز خصوصاً در زمینه کاهش انتشار گازهای گلخانهای از نیروگاه‌ها مرتبط است. همچنین نشان دادیم که می‌توانیم گزینش‌پذیری غشاها را جهت حذف CO2 به شدت بهبود بخشیم. در حالی که نفوذپذیری CO2 را نسبتاً بالا حفظ کنیم. Spontak استاد برجسته مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی و استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه کارولینای شمالی می‌گوید: ما همچنین مخلوط CO2 و متان را که برای صنعت گاز طبیعی مهم است، بررسی کردیم. علاوه بر این، غشاهای فیلترکننده CO2 را می‌توان در هر شرایطی که نیاز به حذف CO2 از گازهای مخلوط شده باشد استفاده کرد، چه کاربردهای زیست‌پزشکی و یا پاک‌سازی (جذب) CO2 از هوا در یک زیردریایی. غشاها یک فناوری جذاب برای حذف CO2 از گازهای مخلوط هستند؛ زیرا فضای زیادی را اشغال نمی‌کنند. میتوانند در اندازه‌های مختلف ساخته شوند و به آسانی قابل تعویض هستند. فناوری دیگری که اغلب برای حذف CO2 استفاده می‌شود جذب شیمیایی است که شامل حباب‌زایی (Bubbling) مخلوط‌های گازی از طریق ستون حاوی آمین مایع است که CO2 را از گاز حذف می‌کند. با این حال فناوری‌های جذب دارای ردپای قابل توجه بزرگ‌تری هستند و آمین‌های مایع معمولاً سمی و خورنده هستند. این فیلترهای غشایی با اجازه دادن به CO2 سریع‌تر از سایر اجزای مخلوط عبور کرده و کار می‌کنند. در نتیجه گازی که از طرف دیگر غشا خارج می‌شود نسبت به گاز ورودی به غشا دارای CO2 بیش‌تری است. با گرفتن گازی که از غشا خارج می‌شود CO2 بیش‌تری نسبت به سایر گازهای تشکیل‌دهنده جذب می‌کنید. یک چالش دیرین برای چنین غشاهایی مبادله بین نفوذپذیری و گزینش‌پذیری بوده است. هرچه نفوذپذیری بیش‌تر باشد می‌توانید گاز را با سرعت بیش‌تر از غشا عبور دهید. اما وقتی نفوذپذیری بالا می‌رود گزینش‌پذیری کاهش می‌یابد به این معنی که نیتروژن و سایر اجزا به سرعت از غشا عبور می‌کنند و نسبت CO2 به سایر گازهای مخلوط را کاهش می‌دهد. به عبارت دیگر زمانی که گزینش‌پذیری کاهش می‌یابد، CO2 نسبتاً کم‌تری را جذب می‌کنید. تیم تحقیقاتی از ایالات متحده و نروژ این مشکل را با رشد زنجیره‌های پلیمری فعال شیمیایی دارای گروه‌های آب‌دوست و دی‌اکسید کربن دوست بر روی سطح غشاهای موجود برطرف کردند. این کار گزینش‌پذیری را افزایش می‌دهد. Marius Sandru نویسنده مقاله و پژوهش‌گر ارشد صنعت SINTEF در سازمان تحقیقات مستقل نروژ می‌گوید: به طور خلاصه با تغییر کمی در نفوذپذیری نشان دادیم که می‌توانیم گزینش‌پذیری را تا حدود ۱۵۰ برابر افزایش دهیم. بنابراین ما CO2 بیش‌تر نسبت به انواع دیگر در مخلوط‌های گازی جذب می‌کنیم. یکی دیگر از چالش‌های پیش رو فیلترهای غشایی CO2، هزینه است. فناوری‌های غشای قبلی هرچه مؤثرتر بودند، گران‌تر بودند. Spontak می‌گوید: از آنجایی که ما می‌خواستیم فناوری ایجاد کنیم که از نظر تجاری قابل دوام باشد، فناوری ما با غشاهایی شروع شد که در حال حاضر در حال استفاده گسترده هستند. ما سپس سطح این غشاها را مهندسی کردیم تا گزینش‌پذیری را بهبود بخشیم. در حالی که این امر هزینه را افزایش می‌دهد ما فکر می‌کنیم که غشاهای اصلاح شده همچنان مقرون به صرفه خواهند بود. Sandru بیان کرد: قدم‌های بعدی ما این است که مشاهده کنیم تکنیک‌هایی که در اینجا توسعه دادیم تا چه حد می‌تواند برای سایر پلیمرها به کار رود، تا نتایجی قابل مقایسه یا حتی برتر برای ارتقای فرآیند ساخت نانو داشته باشیم. صادقانه بگویم اگرچه نتایج در اینجا چیزی کم از هیجان‌انگیز نبوده است ما هنوز برای بهینه‌سازی این فرآیند تلاشی نکرده‌ایم. مقاله ما نتایج مفهومی را اثبات می‌کند. محققان همچنین علاقه‌مند به بررسی کاربردهای دیگر هستند؛ از جمله این که آیا فناوری جدید غشایی می‌تواند در دستگاه‌های ونتیلاتور زیست‌پزشکی یا دستگاه‌های فیلتراسیون در بخش آبزی پروی استفاده شود. محققین می‌گویند که آماده همکاری با شرکای صنعتی برای بررسی هر یک از این سؤالات یا فرصت‌ها برای کمک به کاهش تغییرات آب و هوایی جهانی و بهبود عمل‌کرد دستگاه هستند.
منبع:
https://www.climatechange.ie
An integrated materials approach to ultrapermeable
همراهان عزیز میتوانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
بازدارنده های شعله
تأخیراندازهای شعله:
مواد معدنی:
هر نوع پرکننده غیرآلی، حتی خنثی، می‌تواند به چند دلیل در واکنش پلیمرها با آتش مؤثر باشد: ۱- میزان محصولات قابل احتراق را کاهش می‌دهد؛ ۲- شرایط برای قابلیت هدایت گرمایی ماده ایجاد می‌شود و خواص فیزیکی ماده را اصلاح می‌کند؛ ۳- میزان گران‌روی ماده را تغییر می‌دهد. تمامی اتفاقات ذکرشده می‌تواند در عمل‌کرد آتش گرفتن پلیمرها مداخله کند. با این حال، بعضی از مواد معدنی به عنوان تأخیرانداز شعله، به علت رفتاری که در دماهای بالا دارند، شناخته شده‌اند.
متداولترین تأخیراندازهای شعله هیدروکسیدهای فلزی، هیدروکسی کربنات‌ها و بورات‌های روی هستند. در کنار تأثیرات ذکرشده، این افزودنی‌های غیر آلی یک واکنش تأخیرانداز شعله فیزیکی مستقیم نیز دارند. زمانی که دما افزایش می‌یابد، این پرکننده‌ها به صورت گرماگیر تخریب می‌شوند؛ بنابراین انرژی فرایند را جذب می‌کنند. این نوع تأخیراندازها، مولکولهای غیر قابل اشتعال (H2O,CO2) منتشر می‌کنند که گازهای قابل احتراق را رقیق کرده و یک لایه محافظ سرامیکی یا شیشه‌ای ایجاد می‌کنند.
هیدروکسیدهای فلزی: هیدروکسیدهای فلزی به صورت گرماگیر تخریب می‌شوند و در دمایی بالاتر از محدوده دمایی فرآیند پلیمر و در حدود دمای تخریب پلیمر آب منتشر می‌کنند. دو نوع متداول از این تأخیراندازهای شعله منیزیم‌دی‌هیدروکساید (MDH) و آلومینیوم تری هیدروکساید (ATH) است. سازوکار عمل: جذب حرارت، تولید آب، خنک کردن آتش و پلیمر، رقیق کردن مخلوط گازهای قابل اشتعال.
هیدروکسی‌کربنات‌ها: اکثر کربنات‌ها در دمای بالا CO2 آزاد می‌کنند به جز کربنات‌های منیزیم و کلسیم که در دمای کم‌تر از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد گاز CO2 آزاد می‌کنند. در هر صورت، هیدورکسی کربنات‌ها نسبت به سایر تأخیراندازهای متداول کم‌تر استفاده می‌شوند
بورات ها: بورات‌ها نوع دیگری از خانواده‌های افزودنی غیر آلی با خواص تأخیراندازی شعله اند که در بین آن‌ها بورات‌های روی مثل ۲ZnO.3B2O3.3H2O بیش‌تر استفاده می‌شوند. محصولات تخریب گرمایی آن‌ها اکسید بور و اسید بوریک است که منجر به تشکیل یک لایه محافظ شفاف می‌شود. در صورتی که پلیمر مورد نظر شامل اکسیژن باشد، حضور اسید بوریک باعث هیدروژن‌زدایی شده و در نتیجه یک لایه کربنی شکل می‌گیرد. پرمصرف‌ترین ترکیب اسید بوریک است. اسید بوریک و بورات سدیم (بوراکس Na2 B4 O7.10H2O) دو ماده تأخیرانداز شعله هستند که اصولاً برای مواد سلولزی مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
هالوژن‌ها: نظیر پارافین‌های کلردار، هالوفسفات‌ها، ترکیبات آروماتیک برم‌دار مانند تری‌برموتولوئن و پنتابرموفنیل‌آلیل‌اتر. برم و کلر به علت انرژی پیوند کمی که با اتم‌های کربن دارند، میتوانند در فرآیند سوختن حضور داشته باشند. یک سازوکار برای بهبود تأخیراندازی شعله مواد ترموپلاستیک، کاهش نقطۀ ذوب آن‌ها است. نتیجه این امر در نحوه تشکیل بازدارنده‌های رادیکال‌های آزاد در آتش است و سبب دور شدن ماده از شعله بدون سوختن آن می‌شود. باز داشتن رادیکال‌های آزاد موجب کاهش گازهای سوختنى تولید شده در اثر سوختن ماده می‌شود. حرارت مواد سوختنى، موجب تشکیل رادیکال‌های هیدروژن، اکسیژن، هیدروکسید و پروکسید که متعاقباً توسط آتش اکسید شده، می‌شود. مواد تأخیرانداز شعله این رادیکال‌ها را به دام می‌اندازند و در نتیجه از اکسیدشدن‌شان جلوگیری می‌کنند. هالوژن‌های برم یا کلر میتوانند به عنوان پوششی از گازهای محافظ و برای رقیق کردن گازهای سوختنی مورد توجه قرار بگیرد. علاوه بر این مواد مذکور میتوانند موجب تسریع اکسایش فاز جامد شود و با توجه به این که محصولات اکسایش تمایل دارند به این که به صورت حلقوی باشند، یک لایه جامد محافظ ایجاد می‌شود. از طرف دیگر X● نسبت به H• و OH• واکنش‌پذیری کم‌تری دارند. مونومرها و کوپلیمرهای هالوژنی (تاخیراندازهای شعله واکنشی)- از جمله مزایای مونومرها و کوپلیمرهای تأخیرانداز شعله واکنشی این است که به علت حضور در داخل زنجیره و ساختار پلیمر میتوانند در غلظت‌های پایین مورد استفاده قرار گیرند؛ امتزاج‌پذیری را بین پلیمر و عامل تأخیرانداز شعله افزایش می‌دهند؛ آسیب‌هایی که در اثر افزودنی‌های ناهمگن بر خواص مکانیکی اعمال می‌شود را محدود می‌کنند و مهاجرت عامل‌های تأخیرانداز شعله به سمت سطح کاهش می‌یابد . با این حال، این دسته از تأخیراندازها نیاز به یک مرحله افزودن به ساختار دارند که برای استفاده در صنعت مناسب نخواهد بود. واکنش این محصولات بسیار شبیه تأخیراندازهای شعله افزودنی است .آن‌ها با ذرات بسیار فعال H• و OH•واکنش می‌دهند و واکنش تخریب را متوقف می‌کنند.
آنتیموآن: تنها در حضور هالوژن‌ها عمل می‌کند. همانند فسفرها برای جمع‌آوری رادیکال‌های آزاد هیدروژن و هیدروکسید که برای سوختن لازم هستند، عمل می‌کند. در آتش، هالیدهای آنتیموآن و هالید اکسیدها در حجم‌های کافی تولید می‌شوند که در نتیجه آن پرده‌ای مه‌مانند از گاز خنثی بر روی جسم ایجاد می‌شود که از رسیدن اکسیژن به سطح جسم و همچنین گسترش شعله جلوگیری می‌کند.
فسفرها: فسفرها با ایجاد خاکستر که به صورت تشکیل اسید فسفریک و کاهش رهایش بخارات قابل اشتعال است، عمل می‌کنند.
محدوده محصولات تأخیرانداز شعله بر پایه فسفرها بسیار گسترده است که این محدوده شامل فسفات‌ها، فسفنات‌ها، فسفینات‌ها، اکسیدهای فسفین و فسفر قرمزها می‌شود. این مواد میتوانند به صورت افزودنی و یا با حضور در زنجیره پلیمر استفاده شوند و در فاز متراکم و بخار فعال باشند اساساً تأخیراندازهای شعله بر پایه فسفر در فاز متراکم، برای پلیمرهایی که شامل اکسیژن اند، (پلی‌استرها، پلی‌آمیدها، سلولز و …) به طور مؤثر عمل می‌کنند. تخریب گرمایی در حضور این مواد اسید فسفریک تولید می‌کند سپس این ماده متراکم شده و پیروفسفات همراه با آب تولید می‌کند که این آب باعث رقیق‌شدن فاز گاز اکسیدکننده می‌شود.
علاوه بر این، اسید فسفریک و اسید پیروفسفریک میتوانند واکنش آب‌زدایی الکل‌های انتهایی را سرعت بخشند و این واکنش پیوندهای دوگانه کربوکاتیونی و کربن-کربن ایجاد می‌کند. در دماهای بالا اتصال‌های عرضی و ساختارهای کربنی ایجاد می‌شود و اسید ارتو و پیروفسفریک به متافسفریک و پلیمرهای مشابه (PO3H)n تبدیل خواهند شد.
آنیون‌های فسفات (پیرو و پلیفسفات‌ها) در تشکیل زغال باقی‌مانده کربنی مشارکت می‌کنند. این لایه محافظ کربنی پلیمر را ایزوله کرده و تماس آن را با شعله‌ها متوقف می‌کند؛ فراریت سوخت را محدود کرده و از تشکیل رادیکال‌های آزاد جدید جلوگیری می‌کند؛ نفوذ اکسیژن را محدود می‌کند و در نتیجه سوختن کاهش می‌یابد و پلیمر زیرین را نسبت به حرارت عایق می‌کند.
تأخیراندازهای شعله بر پایه فسفر به شدت در پلیمرهای شامل نیتروژن و اکسیژن مؤثرند. در صورتی که در پلیمر مورد نظر اکسیژن و یا نتیروژن وجود نداشته باشد ، باید از ، کمک افزودنی هایی مانند پلی‌ال‌ها، از جمله پنتااریتویتول استفاده شود.
فسفرهای قرمز: فسفرهای قرمز بیش‌ترین مصرف را در بین تأخیراندازهای شعله بر پایه فسفر دارند و با غلظت کمی (کم‌تر از ۱۰%) در مواد پلیمری استفاده می‌شوند. این نوع تأخیراندازهای شعله در پلیمرهایی مانند پلی‌آمیدها و پلی‌یورتان‌ها بسیار مؤثرند. به هر حال، سازوکار عمل‌کرد آن‌ها هنوز به صورت واضح مشخص نشده است.
فسفات‌های غیر آلی: آمونیوم پلی‌فسفات (APP) یک نمک غیرآلی از اسید پلیفسفریک و آمونیاک است. طول زنجیره (n) برای این ترکیبات پلیمری و همچنین تعداد شاخه برای این پلیمرها متفاوت است.
تأخیراندازهای بر پایه فسفر آلی: این ترکیبات شامل ارگانوفسفرها، فسفات‌استرها، فسفات‌ها و فسفینات‌ها هستند. از جمله می‌توان از تری فنیل فسفات (TPP) نام برد که در پلاستیک‌های مهندسی استفاده می‌شود.
[نظیر تری‌کرزیل‌فسفات (TCP) و تری‌آریل‌فسفات (TAP)]،
سامانه‌های بازدارنده شعله فوم‌کننده: فوم به محض تشکیل یک لایه کربنی بر روی سطح پلیمر در طول تخریب گرمایی به وجود می‌آید. این لایه به عنوان یک سد نارسانا عمل می‌کند و انتقال گرما را بین منبع گرمایی و سطح پلیمر کاهش می‌دهد. همچنین، انتقال سوخت را از سمت پلیمر به سمت شعله و نفوذ اکسیژن را در ماده کاهش می‌دهد. بیش‌ترین منبع اسیدی استفاده شده در این ترکیبات آمونیوم پلی‌فسفات (APP) است که در پلی‌الفین‌ها به حضور یک عامل کربنی مانند پنتااریتریتول نیز نیاز است.
نیتروژن: نیتروژن به عنوان یک افزایش‌دهنده تأخیراندازی شعله به همراه فسفر و همچنین به تنهایی در پلی‌آمیدها و آمینوپلاست‌ها، شناخته می‌شود. اصولاً مواد تأخیرانداز شعله نیتروژنی در پلیمرهای نیتروژن‌دار نظیر پلی‌یورتان‌ها و پلی‌آمیدهاست. ملامین یک محصول بلورین است که دارای ۶۷% وزنی اتم‌های نیتروژن است. این ماده در دمای ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد تصعید و در دمای ۳۴۵ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود. به محض تصعیدشدن مقدار بالایی انرژی جذب کرده و دما را کاهش می‌دهد. ملامین در دمای بالا با حذف‌شدن آمونیاک تخریب می‌شود و اکسیژن و گازهای قابل احتراق را رقیق کرده یک لایه متراکم و پایدار در مقابل حرارت ایجاد می‌کند که درون آن ملام، ملیم و ملون وجود دارد. عمل‌کرد نمک‌های ملامین در فاز متراکم به طور قابل ملاحظه‌ای بالاتر است. علاوه بر این، ترکیباتی چون فسفات ملامین تخریب گرماگیری دارند که منجر به تشکیل ملامین پلی‌فسفات و رهاسازی ملامین و اسید فسفریک می‌شود. اسید فسفریک آزادشده خواصی مشابه تأخیراندازهای شعله بر پایه فسفر دارد. ملامین پیروفسفات، در طول تخریب گرمایی، ملامین رها می‌کند، اما عمل‌کرد گرمایی آن نسبت به ملامین و دیگر نمک‌ها متفاوت است.
سیلیکون‌ها: اساساً افزودن مقدار نسبتاً کمی از ترکیبات سیلیکونی (سیلیکاها، سیلیکون‌ها، سیلیکات‌ها، ارگانوسیلان‌ها، سیلسکویی اکسان‌ها و…) خاصیت تأخیراندازی شعله را در پلیمرها افزایش می‌دهد سیلیکون‌ها، به عنوان موادی با پایداری حرارتی و مقاومت حرارتی بالا، با رهایی مقدار بسیار کمی گازهای سمی در طول تخریب گرمایی شناخته شده‌اند. رفتار خوب مشتقات سیلیکونی به عنوان تأخیرانداز شعله به علت بخش آلی آن‌ها در پلی‌کربنات و مهاجرت به سوی سطح در طول سوختن ماده است که نتیجه آن ایجاد یک زغال مقاوم در برابر آتش است که از ترکیبات سیلوکسان و ترکیبات آروماتیک متراکم به دست می‌آید.
نانوذرات
ذرات نانومتری به عنوان موادی که خواصی نظیر مقاومت گرمایی، استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر سوختن را در پلیمر افزایش می‌دهند، شناخته شده‌اند. اساساً بسته به ساختار شیمیایی و شکل هندسی ذرات نانو، قابلیت تأخیراندازی شعله آن‌ها در پلیمر متفاوت خواهد. بود. نانورس‌ها، نانولوله‌های کربن، نانوذرات اکسید فلزی، نانوذرات کروی سیلیکات، سیلسکوئی‌اکسان و ذرات متالیک اکساید خواص تأخیراندازی شعله خوبی را از خود نشان می‌دهند. به محض حرارت دادن و افزایش دما، گران‌روی مذاب نانوکامپوزیت پلیمر کاهش می‌یابد و نانوذرات به سمت سطح ماده مهاجرت می‌کند. جمع شدن نانوذرات بر سطح مواد به عنوان مانع محافظ عمل می‌کند و انتقال حرارت به ماده، فراریت محصولات تخریبی سوختن و نفوذ اکسیژن به درون ماده را محدود می‌کند.
متأسفانه استفاده از دیرسوزکننده‌ها در پلیمرها به علت این که تلفات حاصله از آتش‌سوزی اکثراً به خاطر محصولات سمی ناشی از دود می‌باشد، پیچیده می‌باشد و لذا راه حل‌های دیگری را الزامی نموده است. از این دسته می‌توان به استفاده از مواد پفکی شکل که در زمان گرم شدن متورم شده و ماده قابل احتراق را از آتش و اکسیژن دور نگه می‌دارد، اشاره نمود. روش دیگر سعی در توسعه پلیمرهایی نظیر رزین‌های فنولی است که با تبدیل شدن به زغالی سخت در حین سوختن، مواد قابل احتراق زیرین را محافظت نمایند.
همراهان عزیز میتوانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com 📧