ارائه کننده: فرانک فقیری

استاد راهنما: دکتر حبیب اله یونسی

استاد مشاور: دکتر راجرو روسی

استاد مشاور دوم: دکتر مهری شبانی

استاد ناظر داخلی: دکتر مهدی رحمانی نیا، دکتر نادر بهرامی فر

استاد ناظر خارجی: دکتر سوسن روشن ضمیر، دکتر علی اصغر قریشی

نماینده تحصیلات تکمیلی: دکتر سیدمحمود قاسمپوری

تاریخ: ۱۴۰۵/۰۷/۲۱ 

ساعت: ۲۱:۰۰

مکان: سالن اصلی کاخ

چکیده:

در رساله حاضر سنتز، اصلاح، ارزیابی خواص فیزیکوشیمیایی و بررسی عملکرد غشاهای تبادل پروتون بر پایه پلی‌سولفون (PSU) با هدف ارائه غشاهای نوآورانه تبادل پروتون در پیل سوختی میکروبی (MFC) مورد مطالعه قرار گرفته است. به‌منظور رفع محدودیت‌های غشاهای متداول از جمله هدایت پروتونی ناکافی، پایداری مکانیکی و شیمیایی محدود و هزینه بالا، چهار راهبرد اصلاحی مبتنی بر تغییر ساختار شیمیایی پلی‌سولفون، تهیه سامانه‌های کامپوزیتی و استفاده از پلیمرهای طبیعی سولفونه به‌کار گرفته شد. بر این اساس، تحقیق حاضر در چهار بخش مستقل اما مرتبط طراحی و اجرا گردید. علاوه بر بررسی غشاها بخش چهارم عملکرد غشاها از نظر پایداری و عملکرد در MFC در بلند مدت (بازه زمانی 6 ماه)  مورد بررسی قرار گرفت.

در بخش نخست، پلی‌سولفون از طریق فرآیند سولفوناسیون شیمیایی با استفاده از عامل سولفون‌کننده کلروسولفونیک اسید و در درجات مختلف سولفوناسیون اصلاح شد. هدف از این بخش، بررسی تأثیر درجه سولفوناسیون بر ریزساختار، ظرفیت تبادل یونی، جذب آب، هدایت پروتون و پایداری غشاها بود. نتایج نشان داد که افزایش کنترل‌شده درجه سولفوناسیون منجر به بهبود قابل توجه جذب آب، IEC، و هدایت پروتون می‌شود، هرچند در درجات بالاتر، چالش‌هایی نظیر تورم و کاهش پایداری مکانیکی مشاهده گردید.

در بخش دوم، به‌منظور بهبود همزمان هدایت پروتون و پایداری ساختاری، غشاهای ماتریس مخلوط بر پایه پلی‌سولفون سولفونه‌شده تهیه شدند که در آن‌ها پلیمر sPS با دو نوع چارچوب‌های آلی کووالانسی  (COFs) ترکیب گردید. در این راستا، دو نوع ساختار متفاوت  COF  سنتز و به‌صورت فاز پرکننده در ماتریس پلیمری وارد شدند. اثر نوع و مقدار  COF  بر مورفولوژی، هدایت پروتون و عملکرد غشاها مورد بررسی قرار گرفت و نتایج حاکی از نقش مؤثر ساختار متخلخل و گروه‌های عاملی  COFs  در تسهیل انتقال پروتون بود.

در بخش سوم، پلی‌سولفون با پلیمرهای طبیعی سولفاته از طریق فرآیند آمیختگی مورد اصلاح قرار می‌گیرد. در این بخش از دو پلیمر زیست‌پایه شامل کاراژینان و فوکوئیدان، به‌عنوان پلیمرهای سولفونه طبیعی با منشاء دریایی و ساختار COF1 به‌عنوان فاز پرکننده در ماتریس پلیمری استفاده شد. هدف از این راهبرد، افزایش زیست‌سازگاری، کاهش هزینه و بهبود هدایت پروتون از طریق ایجاد شبکه‌های هیدروفیلی پیوسته در ساختار غشا است. اثر نوع پلیمر طبیعی و نسبت اختلاط آن با پلی‌سولفون بر خواص مکانیکی، پایداری و انتقال پروتون به‌طور جامع مطالعه گردید.

در بخش چهارم، کندرویتین سولفات استخراج‌شده از پسماندهای ماهی به‌عنوان یک پلیمر سولفاته زیستی و لیگنوسولفونات استخراج شده از لیکور فرآیندهای صنعتی و اصلاح شده در ترکیب با COF1 و پلی‌سولفون مورد استفاده قرار گرفت. این راهبرد با هدف افزایش پایداری شیمیایی، هدایت پروتون و ارزش‌افزوده زیست‌محیطی طراحی شده است. پیش‌بینی می‌گردد که حضور کندرویتین، لیگنوسولفونات و COF  موجب ایجاد مسیرهای یونی کارآمد، افزایش پایداری شیمیایی و بهبود خواص مکانیکی غشاها خواهد شد. همچنین در این بخش عملکرد غشاهای لیگنوسولفونات ترکیب شده با COF در بلند مدت (بازه زمانی 6 ماهه) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دهنده پایداری بالا غشا و عملکرد الکتروشیمیایی قابل قبول بود.