GRAPHENE TRANSFER ONTO PP, PES AND PVDF POLYMERIC SUBSTRATES: DEVELOPMENT OF WATER PURIFICATION MEMBRANES

Abstract

يعتبر نقل الغرافين (مادة كربونية ثنائية الأبعاد و التي تأخذ شكل خلية النحل) قليل العيوب و الذي يصنع بوساطة عملية ترسيب الأبخرة الكيميائية (CVD process) إلى الأغشية المسامية مهم جداً لتصنيع أغشية الغرافين. تم في هذا البحث نقل الغرافين إلى غشاء البوليسلفون (PSU) ذي الألياف النانوية المغزولة كهربائياً و ايضاً إلى ثمانية أنواع من الأغشية التجارية و المستخدة في عملية الفلترة الدقيقة (Microfiltration) و هي: البولي بروبيلين (PP) و البولي ايثرسلفون (PES) و ستة أنواع من البولي فينيليديندايفلورايد (PVDF1, 2, 3, 4, 5 & 6) و التي تختلف عن بعضها البعض في حجم المسام و طبوغرافية السطح. تم نقل الغرافين أحادي الطبقة على البوليسلفون ذو الألياف النانوية بإستخدام طريقة الغزل الكهربي (Electrospinning method) و تم نقله أيضاً إلى جميع الأغشية التجارية الثمانية بإستخدام عملية النقل بالضغط (Pressing method). تم أيضاً تم تطوير و استخدام طريقة النقل الإلكتروستاتيكي (Electrostatic method) و التي تناسب الأغشية المحبة للماء. تم إذابة طبقة النحاس الحاملة للغرافين كيميائياً في جميع طرق النقل المستخدمة في هذا البحث للحصول أخيراً على الغشاء الغرافيني أحادي الطبقة. لقد وجد أن هناك ثلاثة عوامل رئيسية تؤثر على جودة الغرافين المنقول على سطح الغشاء و هي: خشونة السطح و حجم المسام و مقدار البلل السطحي. لقد تمزقت طبقة الغرافين بشدة و ظهر فيها الكثير من العيوب السطحية عند نقلها على أغشية البوليسلفون ذو الألياف النانوية و ذلك لخشونة السطح و كبر حجم المسامات. يتم الحصول على غرافين بجودة ممتازة بإستخدام عملية الضغط عندما يكون مقدار البلل السطحي للغشاء المنقول عليه أكثر من 90° و عندما يكون ناتج قسمة مقدار زاوية الاتصال على مقدار خشونة السطح أكثر من 2.5 و في حال كانت أقل، تكون جودة الغشاء الغرافيني المنقول سيئة جداً. أظهرت نتائج المجهر الإلكتروني الماسح أن الغرافين المنقول كان مقبول الجودة و يغطي مساحة كبيرة و أظهرت أيضاً وجود بعض الخلل في طبقة الغرافين و التي نشأت أثناء عملية النقل. لدراسة تأثير هذه العيوب، تم عمل دراسات الحمل الايوني (Transport studies) و ذلك بتعريض غشاء الغرافين لفرق تركيز ايوني عالي على جانبيه لتسهيل إنتقال أيونات كلورين البوتاسيوم (KCl) بإستخدام وحدة مخبرية متخصصة (Diffusion cell). على سبيل المثال تمكن الغشاء الغرافيني المنقول على البولي بروبيلين من وقف 57% من الأيوانات المنتقلة، فيما تمكن الغشاء الغرافيني المنقول على PVDF 5 من وقف 40% و هذا يدعم فرضية وجود العيوب السطحية. تم تطوير طريقة جديدة لتسكير و قفل العيوب السطحية في الغشاء الغرافيني و ذلك بإستخدام عملية البلمرة السطحية لبوليمر النايلون 6,6 (Interfacial Polymerization) بإستخدام خلية فرانز (Franz cell). ساعدت عملية البلمرة السطحية على زيادة نسبة منع تسرب أيوانات كلورين البوتاسيوم لتصل إلى ما يقارب 80-85% و ذلك لجميع أنواع الأغشية الغرافينية المصنعه في هذا البحث. تم نقل الغرافين ثنائي الطبقة و المصنع بطريقة الترسيب الكيميائي إلى سطح البولي بروبيلين و عند مقارنته بنفس الغشاء أحادي الطبقة، قام بمنع 60% من الأيونات المنتقلة، و عند تسكير العيوب بعملية البلمرة السطحية ارتفعت النسبة إلى73% . تم أيضاً نقل الغرافين متعدد الطبقات على البوليبروبيلين و بشكل مفاجئ قام هذا الغشاء الجديد بمنع ما نسبته 82% من الأيونات و بعد عملية البلمرة السطحية، تحسنت هذه النسبة بشكل ضئيل. وجد أن الغرافين يحسّن مقاومة الأغشية للإتساخ الحيوي عند نقله إلى الأغشية المحبة للمياه، أما في حالة الأغشية الكارهة للمياه فوجد العكس تماماً. و أخيراً، وجد أن الغشاء الغرافيني على البوليبروبيلين يحقق معدلات تدفق عالية بالمقارنة مع غشاء التناضح العكسي التقليدي و لكن على حساب نسبة رفض الأملاح.