ارائه کننده: مریم ناظری فر

استاد راهنما: دکتر حبیب اله یونسی

استاد راهنمای دوم: دکتر مکسیم پونتیه

استاد مشاور: دکتر کریستف اینوسنت 

استاد مشاور دوم: دکتر میثم طباطبایی

استاد ناظر داخلی: دکتر نادر بهرامی فر، دکتر امیر خسروانی

استاد ناظر خارجی: دکتر سیدعلی اصغر قریشی، دکتر مصطفی رحیم نژاد

نماینده تحصیلات تکمیلی: دکتر سیدمحمود قاسمپوری

تاریخ: ۱۴۰۴/۰۹/۲۶ 

ساعت: ۱۴ 

مکان: سالن اصلی کاخ

چکیده: 

 دنیای امروز، بحران انرژی و آلودگی پساب‌های صنعتی نیاز به فناوری‌های پایدار برای تصفیه همزمان آب و تولید برق را برجسته کرده است؛ پیل‌های سوختی میکروبی (MFCs) با استفاده از میکروارگانیسم‌ها، پساب را تصفیه و انرژی الکتریکی تولید می‌کنند، اما عملکردشان به غشای تبادل پروتونی وابسته است. غشاهای تجاری مانند نفیون، علی‌رغم هدایت پروتونی بالا، از هزینه زیاد، نفوذپذیری بالای سوبسترا و پایداری محدود در پساب‌های برخودارند. هدف این تحقیق از توسعه غشاهای کامپوزیتی با هدایت انتخابی پروتون نشأت می‌گیرد تا MFCs را به گزینه‌ای عملی برای تصفیه زیستی پساب‌های صنعتی (کنسروسازی و سس مایونز) و تولید انرژی پایدار تبدیل کند. مشخصه‌یابی و ارزیابی عملکرد غشاهای کامپوزیتی بر پایه پلی‌اتر سولفون سولفونه‌شده (sPES) با درجات سولفوناسیون (DS) مختلف و ترکیب با پلیمرهای فنولی سولفونه ‌شده با اتصال عرضی زیاد(sHCP)  با درصدهای وزنی متفاوت و ضخامت‌های متفاوت، از طریق ریخته‌گری محلول با موفقیت‌ انجام شد. نتایج حضور گروه‌های سولفونیل(_⁻SO₃H)  و تغییرات مربوط به سولفوناسیون در غشاها با طیفFTIR  تأیید شد. همچنین طیف‌های رامان و XRD تغییرات ساختاری ناشی از سولفوناسیون و ماهیت آمورف غشاها را تأیید کردند. آزمون TGA مقدار DS غشاهایsPES  وsHCP  را تائید کرد. براساس نتایج، DS برای نمونه‌های sPES30، sPES50، sPES70 و sHCP به‌ترتیب 30/52، 19/47، 11/68 و70/46 درصد بدست آمدند. طیف H-NMR¹ برای نمونه‌های PES و sPES، پیک مربوط به پروتون آروماتیک سولفون‌دار را درppm 31/8δ =  نشان داد. همچنین، طیف C-NMR¹³حالت جامد برای sHCP حضور گروه‌های آروماتیک سولفون‌دار در ساختار را تائید کرد. علاوه‌بر این، آنالیز عنصری میزان DS محاسبه شده برایsHCP  و  sPES70با نتایج TGA و H-NMR¹ تطابق داشت و میزان IEC بین 86/0 تا meq/g 37/2 به‌دست آمد. بررسی خواص فیزیکوشیمیایی و مکانیکی نشان داد که زاویه تماس آب از °84/68 در غشایPES  به °73/38 در نمونهsHCP0.8-180 / sPES50کاهش یافت که دلالت بر افزایش آب‌دوستی دارد. میزان جذب آب تا %140 و تورم تا %25/33 افزایش یافت. هدایت پروتونی غشای بهینه sHCP0.8-180/sPES50 بهmS/cm ۵/53 رسید و ضریب نفوذ اکسیژن (cm²/s10-2×73/1 Do=) و ثابت نفوذ (cm²/s3 -10×45/2ko=) در این غشا به‌طور مطلوبی کنترل شد. مقاومت کششی تا MPa18/58، مدول یانگ MPa26/19 و ازدیاد طول در نقطه شکست %41/6 بهبود یافت. تصاویر TEM،SEM  و AFM ساختار توزیع یکنواخت غشایی و کاهش زبری سطح را تأیید کردند. میزان DS برابر با 19%/47 در غشایsPES50 تعادلی مطلوب میان هدایت پروتونی معادل  mS/cm53/5 و مقاومت مکانیکی برابر با  MPa58/18 بهینه بوده است. افزایش DS تا %11/68 سبب افزایش چگالی توان تا %60 شد، اما DS بالاتر از %50 منجر به کاهش مقاومت مکانیکی گردید. در ارزیابی عملکرد غشاها در MFCs با پساب‌های واقعی غشای sHCP0.8-180/sPES50، بالاترین کارایی را نشان داد و توانست دانسیته توان mW/m² 96/80، راندمان حذف COD برابر 32%/91، راندمان کولمبی برابر با %8/0 و میزان NERv  برابر باWh/m³ 82/29 به دست آورد. این عملکرد از غشای مرجع نفیون-117 نیز بالاتر بود؛ به‌طوری‌که نفیون حذف COD برابر %88، CE معادل 38/0، دانسیته توان خروجی mW/m²40/50 و NERs برابر Wh/kg COD73/5 ارائه داد. پساب کنسروسازی با COD برابر با mg/L 4200، غشای sHCP-0.6/sPES50 با ضخامت µm160 بهترین عملکرد را نشان داد و به حذفCOD  معادل 29%/87، راندمان کولمبی %33/0 وNERs  برابر Wh/kg COD88/11 دست یافت، در حالی‌که پایداری عملکردی آن تا 5 روز حفظ شد. به‌طور کلی، نتایج نشان داد که غشاهای کامپوزیتیsPES/sHCP  با هدایت انتخابی بالا، آب‌دوستی مناسب، حذف مؤثر آلاینده‌های آلی، می‌توانند جایگزین مناسبی برای غشاهای تجاری مانند نفیون باشند. افزودن sHCP به ساختار غشا، موجب تقویت کانال‌های یونی و بهبود هدایت پروتونی گردید. در نهایت، بهینه‌سازی درجه سولفوناسیون و درصد وزنیsHCP، غشاها را به گزینه‌ای مطلوب، کارآمد و پایدار برای تصفیه پساب‌های صنعتی و تولید همزمان انرژی در سامانه‌های MFC تبدیل نمود