پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر

چکیده موضوع تحقیق: در این پژوهش، در گام نخست نانوذرات Fe₃O₄ با بهره‌گیری از روش هم‌رسوبی کنترل‌شده سنتز شد. سپس با استفاده از روش اشتوبر و حضور تترااتیل‌ارتوسیلیکات (TEOS) به‌عنوان منبع سیلیکا، پوششی یکنواخت بر سطح نانوذرات اکسیدآهن ایجاد و بدین‌ترتیب، نانوذرات هسته–پوسته Fe₃O₄@SiO₂ با ساختاری پایدار و منظم تهیه شد. پس از آن، سطح نانوذرات حاصل با پلیمر نقش‌گذاری مولکولی (MIP) عامل‌دار شد تا جاذبی هدفمند و انتخاب‌پذیر برای حذف یون‌های روی (Zn²⁺) از محلول‌های آبی حاصل شود. غلظت یون‌های باقی‌مانده در محلول با استفاده از دستگاه پلاسمای جفت‌شده القایی (ICP) تعیین شد.
روش تحقیق: به‌منظور بررسی دقیق ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و ساختاری نانوجاذب سنتزی، آزمون‌های مختلفی شامل میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (FE-SEM)، توزیع اندازه ذرات (DLS)، مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی (VSM)، آزمون گرماوزنی (TGA)، پراش انرژی پرتو ایکس (EDX)، پراش پرتو ایکس (XRD) و طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FT-IR) مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج اصلی: نتایج این آزمون‌ها بیانگر ساختار منسجم، اندازه یکنواخت ذرات، پایداری حرارتی مناسب و حضور موفق گروه‌های عاملی فعال بر سطح نانوذرات است. عملکرد جذب نانوجاذب در حذف یون‌های Zn²⁺ با بررسی تأثیر عوامل مختلفی از جمله مقدار جاذب، زمان تماس، pH محلول و غلظت اولیه یون فلزی مورد ارزیابی قرار گرفت. براساس نتایج بهینه‌ شده، در شرایط مقدار جاذب 16 میلی‌گرم، 7=pH، غلظت اولیه mmol/L 0.45، حجم محلول 50 میلی‌لیتر و زمان تماس 21 دقیقه، میزان حذف یون‌های روی به 96% رسید که نشان‌دهنده کارایی بالای جاذب است (mg/g107.55). مطالعات هم‌دمایی نشان داد که فرایند جذب از مدل لانگمویر پیروی می‌کند و ماهیت آن تک‌لایه‌ای است. همچنین، بررسی سینتیکی فرایند جذب نشان داد داده‌های تجربی با مدل شبه ‌مرتبه دوم انطباق بالایی دارند که این موضوع بیانگر غالب‌بودن سازوکار جذب شیمیایی در مرحله تعیین‌کننده سرعت واکنش است. علاوه بر این، نانوجاذب سنتزی قابلیت جداسازی مغناطیسی آسان و استفاده مجدد در چندین چرخه متوالی جذب–واجذب را بدون کاهش محسوس در عملکرد جذبی حفظ می‌کند. بدین‌ترتیب، جاذب طراحی‌شده به‌عنوان سامانه‌ای پایدار، کارآمد و دوستدار محیط‌زیست، گزینه‌ای امیدبخش برای تصفیه مؤثر پساب‌های صنعتی حاوی یون‌های فلزات سنگین به‌شمار می‌رود.

چکیده موضوع تحقیق: کمبود منابع آب شیرین و رشد شتابان جمعیت، توسعه و به‌کارگیری فناوری‌های نمک‌زدایی کارآمد را به ضرورتی انکارناپذیر برای تأمین پایدار آب شرب و صنعتی تبدیل کرده است. در این راستا، پژوهش حاضر به مدل‌سازی، اعتبارسنجی و ارزیابی فنی–اقتصادی دو فناوری پرکاربرد اسمز معکوس (RO) و تقطیر چندمرحله‌ای (MED) و همچنین ترکیب آن‌ها در قالب گزینه‌های منفرد و ترکیبی می‌پردازد.
روش تحقیق: در بخش مدل‌سازی، اجزای کلیدی هر فرایند شامل پمپ‌ها، مبدل‌های فشاری، واحدهای پیش‌تصفیه و بخش‌های اصلی نمک‌زدایی با دقت بالا و بر اساس روابط ریاضی معتبر شبیه‌سازی شده‌اند. داده‌های نرم‌افزار WAVE و اطلاعات میدانی واحدهای صنعتی موجود برای کالیبره کردن و اعتبارسنجی مدل‌ها به کار رفته تا نتایج حاصل از شبیه‌سازی به شرایط واقعی نزدیک شود. چهار پیکربندی مختلف شامل RO، MED، RO-MED و MED-RO تحت شرایط خوراک یکسان (۵۰,۰۰۰ مترمکعب در روز، شوری ۳۰,۰۰۰ بخش در میلیون) و محدودیت‌های عملیاتی مشخص مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتند. شاخص‌های ارزیابی شامل کیفیت محصول نهایی، میزان بازیابی آب، مصرف انرژی الکتریکی و حرارتی و هزینه ویژه تولید آب بودند.
نتایج اصلی: نتایج نشان داد که در مقایسه چهار گزینه منفرد و ترکیبی RO و MED، سامانه RO منفرد با هزینه ویژه آب 0.386 دلار بر مترمکعب اقتصادی‌ترین گزینه بود و نسبت به MED، RO-MED و MED-RO به‌ترتیب ۳۸ درصد، ۱۹ درصد و ۵۸ درصد هزینه کمتری داشت. در مقابل، کیفیت آب تولیدی آن به‌ترتیب ۹۳ درصد، ۴۲ درصد و ۴۷ درصد پایین‌تر بود. تحلیل حساسیت نیز نشان داد که افزایش قیمت برق هزینه RO منفرد را تا ۷۸ درصد افزایش می‌دهد، درحالی‌که افزایش هزینه سوخت در MED رشد هزینه‌ای تا ۸۵ درصد ایجاد می‌کند. همچنین، تغییر نرخ بهره بیشترین اثر را بر MED-RO داشت و هزینه آن را تا ۴۰ درصد افزایش داد. علاوه بر موارد فوق سامانه‌ ترکیبی RO-MED گزینه‌ای اقتصادی در برابر گزینه‌های موجود و درعین‌حال تضمین‌کننده آب باکیفیت است. این نتایج تأکید می‌کند که انتخاب فناوری بهینه وابسته به شرایط محلی از جمله قیمت انرژی، دسترسی به گرمای اتلافی و الزامات کیفی محصول است.

چکیده موضوع تحقیق: سامانه‌های دارورسانی بر پایه‌ی لنزهای تماسی به‌دلیل رهایش کنترل‌شده دارو و افزایش مدت زمان ماندگاری دارو در اشک چشم، از اهمیت بالایی برخوردار هستند. هیدروژل‌های رایج به‌دلیل عملکرد مؤثر مانند زیست‌سازگاری، آب‌دوستی، میزان جذب آب بالا و شفافیت نوری در ساخت لنزهای تماسی به کار گرفته شده‌اند. بااین‌وجود، لنزهای هیدروژلی مرسوم از نفوذپذیری کم نسبت به اکسیژن رنج می‌برند. برای کاهش کمبود اکسیژن، از پلیمرهای بر پایه‌ی سیلیکون برای بهبود نفوذپذیری اکسیژن استفاده می‌شود. ویتامین E به‌عنوان مانع نفوذ می‌تواند به بستر لنزهای تماسی هیدروژلی اضافه شود تا زمان آزادسازی دارو را افزایش داده و میزان داروی آزادشده را کنترل کند.
روش تحقیق: در این تحقیق، کوپلیمرهای پلی(3-(متاکریلویلوکسی)پروپیل‌تریس(تری‌متیل-سیلوکسی) سیلان-2-هیدروکسی اتیل متاکریلات) (Poly(TRIS-HEMA)) در نسبت‌های مختلف از مونومرهای آب‌دوست به آب‌گریز سنتز شده است. ساختار کوپلیمرهای تهیه‌شده بااستفاده از طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه شناسایی شده است. برای ارزیابی عملکرد کوپلیمرهای تهیه‌شده برای استفاده در ساخت لنزهای تماسی، میزان جذب آب، آب‌دوستی سطح و خواص نوری اندازه‌گیری شده است. ویتامین E در بستر پوشش‌های پلیمری گنجانده شده و تأثیر آن در رهایش کنترل‌شده داروی دیکلوفناک سدیم مورد بررسی قرار گرفته است.
نتایج اصلی: میزان جذب آب تعادلی (EWC) کوپلیمرهای Poly(TRIS-HEMA) سنتزشده، با مقدار بخش آب‌دوست PHEMA موجود در ساختار کوپلیمر متناسب است. حداکثر مقدار آب‌دوستی سطح °56.4 است که مربوط به پوشش کوپلیمری با میزان جذب آب تعادلی برابر با 39٪ است. کوپلیمرهای سنتزشده میزان عبوردهی نور مناسب برای کاربرد در تهیه بستر لنزهای تماسی را دارا هستند. گنجاندن ویتامین E در پوشش پلیمری، تأثیر قابل‌توجهی بر خواص پوشش‌های پلیمری مانند میزان آب‌دوستی، جذب آب تعادلی و شفافیت نوری نداشته است. نتایج نشان داد که با گنجاندن ویتامین E در پوشش کوپلیمری، زمان آزادسازی دیکلوفناک سدیم می‌تواند تا 90 ساعت افزایش یابد که در مقایسه با مدت زمان آزادسازی دیکلوفناک سدیم توسط فیلم کوپلیمر بدون ویتامین E، 3 برابر افزایش یافته است. بنابراین، فیلم‌های کوپلیمری Poly(TRIS-HEMA) حاوی ویتامین E می‌توانند به‌عنوان زیست‌مواد مناسب برای کاربرد در ساخت لنزهای تماسی با هدف رهایش کنترل‌شده داروی دیکلوفناک سدیم به‌کار گرفته شوند.

چکیده موضوع تحقیق: نمک‌زدایی خورشیدی مبتنی بر تبخیر سطحی به‌دلیل بازده بالای تبدیل انرژی خورشیدی به بخار، اثرات زیست‌محیطی کم و قابلیت استفاده در مناطق دورافتاده، به‌عنوان راهکاری مؤثر برای مقابله با بحران جهانی کمبود آب مطرح است. بااین‌حال، تجمع نمک‌های محلول در سطح تبخیر، به‌ویژه نمک‌های با حلالیت بالا، موجب کاهش نرخ تبخیر و مختل‌شدن عملکرد پایدار سامانه‌های موجود می‌شود. بنابراین توسعه سامانه‌هایی با قابلیت خودتمیزشوندگی و انتقال مؤثر آب برای جلوگیری از رسوب نمک امری ضروری است.
روش تحقیق: در این پژوهش، سامانه تبخیر خورشیدی خودتمیزشونده مبتنی بر چوب چنار مهندسی‌شده توسعه داده شده، عملکرد آن در فرایند نمک‌زدایی به‌طور منظم ارزیابی می‌شود. برای این منظور، چهار سامانه شامل یک نمونه مرجع بدون مجاری مصنوعی و سه سامانه با مجاری عمودی به قطر 1، 1.5 و 2 میلی‌متر طراحی، ساخته و تحت تابش کنترل‌شده یک خورشید مورد آزمایش قرار گرفتند. آزمون‌ها با محلول‌های نمکی نماینده آب دریا ( wt.% 3.5) و آب بسیار شور (wt.% 20) انجام می‌گیرد. رفتار انتقال آب، سازوکار مهاجرت نمک و کیفیت آب تقطیرشده با استفاده از سنجش یون‌های Na+، Mg2+، K+ و Ca2+ ارزیابی می‌شود. علاوه‌بر‌این، پایداری عملیاتی سامانه طراحی‌شده از طریق آزمایش‌های تکرارپذیری چندچرخه‌ای بررسی می‌شود.
نتایج اصلی: نتایج نشان داد سامانه WSE-1.5 بالاترین نرخ تبخیر پایدار را ارائه داده، به‌طوری که در محلول‌های wt.% NaCl 3.5 و wt.% 20 به‌ترتیب به نرخ تبخیر 2.48 و kg.m-2.h-1 2.04 دست یافته است. این عملکرد خوب به تبادل یونی بین ریز مجاری طبیعی چوب، حاوی غلظت‌های بالاتر یون نمک و مجاری حفرشده در مقیاس میلی‌متری با غلظت‌های پایین‌تر نسبت داده می‌شود؛ به‌طوری که تفاوت در رسانایی هیدرولیکی بین این مسیرها، مهاجرت نمک را از مجاری میلی‌متری به میکرومتری و سپس به توده آب هدایت می‌کند. همچنین ساختار مهندسی‌شده، انتقال پیوسته آب به سطح را تضمین کرده، تولید بخار را حتی در آزمون‌های طولانی‌مدت حفظ می‌کند. آب جمع‌آوری‌شده دارای غلظت یون‌هایی کمتر از حدود مجاز سازمان بهداشت جهانی (WHO) و آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) است. بررسی چرخه‌ای نیز نشان داده که عملکرد سامانه WSE-1.5 پس از 15 چرخه بدون افت محسوس پایدار باقی مانده است. در مجموع، سامانه پیشنهادی راهکاری کارآمد، پایدار و کم‌هزینه برای نمک‌زدایی از آب‌های شور در شرایط محیطی سخت ارائه می‌دهد.

چکیده موضوع تحقیق: کف‌زایی یکی از چالش‌های عمده در واحدهای شیرین‌سازی گاز طبیعی است که می‌تواند منجر به کاهش بازده جذب و مشکلات عملیاتی جدی شود. محلول‌های مخلوط آمینی رویکردی نوین برای بهبود عملکرد سامانه‌های جذب CO₂ هستند. باوجود مطالعات گسترده بر روی آمین‌های تک‌جزئی، رفتار کف‌زایی و عملکرد جذب CO₂ در سامانه مخلوط متیل دی‌اتانول‌آمین (MDEA) و 3,1-دی‌آمینو پروپان (DAP) هنوز به طور جامع بررسی نشده و تأثیر متقابل این دو آمین بر خصوصیات کف‌زایی و ظرفیت جذب ناشناخته است.
روش تحقیق: هدف اصلی این پژوهش، بررسی هم‌زمان خصوصیات کف‌زایی و عملکرد جذب CO₂ در محلول‌های مخلوط MDEA-DAP و تعیین شرایط بهینه است. محلول‌های مخلوط در سه سطح غلظت کل (23، 31.5 و 40 درصد وزنی) با سه نسبت مختلف MDEA به DAP تهیه شدند. آزمایش‌ها در دمای 30 درجه سانتی‌گراد انجام شد. گاز نیتروژن با نرخ جریان ثابت 1.5 لیتر بر دقیقه در دستگاه کف تزریق شد و حجم کف و زمان شکست اندازه‌گیری شدند. همچنین فشار استفاده شده در دستگاه جذب 620 کیلوپاسکال بود و ظرفیت جذب CO₂ و سینتیک جذب برای تمامی ترکیب‌ها ارزیابی شد.
نتایج اصلی: نتایج نشان داد که رفتار کف‌زایی و جذب به‌شدت به غلظت کل و نسبت MDEA به DAP وابسته است. MDEA به‌دلیل ساختار آمین درجه سوم، عامل اصلی کف‌زایی است، درحالی‌که DAP به‌دلیل دو گروه آمین اولیه، نقش کلیدی در افزایش ظرفیت جذب ایفا می‌کند. در غلظت کل 31.5 درصد با 5% درصد وزنی DAP، بهترین تعادل بین کاهش کف‌زایی و حفظ ظرفیت جذب بالا حاصل شد؛ حجم کف به 318.45 میلی‌لیتر، زمان شکست به 6 ثانیه و ظرفیت جذب به 0.927 مول دی اکسید کربن بر مول آمین رسید. شرایط بهینه با ترکیب 26.5% درصد وزنی MDEA و5 % درصد وزنی DAPدر غلظت کل31.5% شناسایی شد که برای کاربردهای صنعتی جذب CO₂ توصیه می‌شود.

چکیده پساب‌های صنعتی حاصل از صنایع شیمیایی، نساجی، فلزکاری و معدن، حاوی مخلوط‌های پیچیده‌ای از آلاینده‌های متنوع هستند. این آلاینده‌ها شامل آلاینده‌های آلی پایدار، ترکیبات آلی دیرتجزیه‌پذیر (Recalcitrant) و فلزات سنگین سمی هستند. این آلاینده‌ها، به‌تنهایی یا از طریق برهم‌کنش‌های هم‌افزا، می‌توانند اثرات زیان‌باری بر اکوسیستم‌ها و سلامت انسان داشته باشند. هم‌زیستی آن‌ها می‌تواند مقاومت پساب را در برابر تصفیه افزایش داده و کارایی فرایندهای متعارف، از جمله لجن فعال، انعقاد–لخته‌سازی و فرایندهای مبتنی بر جذب سطحی را کاهش دهد. بنابراین، توسعه فرایندهای کارآمدی که قادر به حذف هم‌زمان آلاینده‌های متنوع باشند، همچنان یک چالش عمده در مهندسی محیط‌زیست به شمار می‌رود.
اسفنج‌های پلیمری متخلخل اخیراً به‌عنوان سکوهای جاذب چندمنظوره، توجه قابل‌توجهی را به خود جلب کرده‌اند. جذابیت این مواد ناشی از ساختارهای سه‌بعدی به‌هم‌پیوسته، چگالی کم و سطح ویژه بالای آن‌هاست. افزون بر این، شیمی سطح تنظیم‌پذیر و قابلیت استفاده مجدد بالقوه آن‌ها می‌تواند عملکرد جذب را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد. این اسفنج‌ها، به‌ویژه پس از اصلاح سطح یا ادغام اجزای فعال، می‌توانند حذف هم‌زمان و گزینشی آلاینده‌های آلی و معدنی را ممکن سازند. همچنین، بازیافت‌پذیری و به‌کارگیری ماتریس‌های پلیمری زیست‌پایه در برخی از این سامانه‌ها، مزیت‌های افزوده‌ای از منظر پایداری محیط‌زیستی فراهم می‌کند. در این مقاله مروری، اسفنج‌های پلیمری بر اساس منشأ ماتریس پلیمری (اسفنج‌های سنتزی و زیست‌پایه) و راهبردهای طراحی عملکردی آن‌ها، شامل معماری‌های نانوکامپوزیتی، هوشمند، پلیمری–فلزی و چندلایه، طبقه‌بندی می‌شوند. همچنین، راهبردهای اصلاح سطح، از جمله عامل‌دارسازی، ادغام نانوذرات و رویکردهای پوشش‌دهی هوشمند، برای بهبود عملکرد جذب بررسی می‌شوند. هدف این راهبردها، بهبود ظرفیت جذب، گزینش‌پذیری و کاربردپذیری عملی در پاکسازی محیط‌زیست است.
سازوکارهای اصلی جذب و اثر پارامترهای عملیاتی بر عملکرد اسفنج‌ها نیز ارزیابی شده‌اند. مطالعات اخیر نشان می‌دهند که اسفنج‌های اصلاح‌شده، به‌واسطه ظرفیت جذب تقویت‌شده و قابلیت احیای بالقوه‌شان، می‌توانند در شرایط عملیاتی خاص، به‌عنوان جایگزین‌های مکمل جاذب‌های متعارف عمل کنند. بااین‌حال، چالش‌های مرتبط با هزینه‌های تولید، مقیاس‌پذیری و پیاده‌سازی صنعتی در ابعاد بزرگ همچنان حل‌نشده باقی مانده‌اند. در نهایت، توسعه اسفنج‌های زیست‌پایه چندمنظوره برای سامانه‌های تصفیه جریان پیوسته، به‌عنوان مسیری مهم برای پژوهش‌های آینده برجسته می‌شود.