| Περίληψη: | Τον τελευταίο αιώνα ένα από τα πιο παράδοξα ζητήματα αποτελεί το γεγονός πως το νερό στον πλανήτη είναι άφθονο αλλά το διαθέσιμο νερό για χρήση είναι λιγοστό. Επιπλέον, η αυξανόμενη ζήτηση και ρύπανση των γλυκών νερών, που οφείλεται στην πληθυσμιακή αύξηση και στην βιομηχανική πρόοδο, έχουν επιδεινώσει την έλλειψη υδάτινων πόρων. Ειδικά στην φαρμακευτική και την χημική βιομηχανία μια μεγάλη ποσότητα βιομηχανικών λυμάτων εκλύονται κατά την διαδικασία παραγωγής. Συνεπώς, ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που η επιστήμη καλείται να βρει λύση είναι η επεξεργασία και ο καθαρισμός νερού. Η τεχνολογία μεμβρανών είναι μια σχετικά απλή διεργασία διαχωρισμού που φαίνεται πως αποτελεί την λύση στο πρόβλημα αυτό, καθώς προσφέρει
πολλά πλεονεκτήματα όπως παραγωγή νερού υψηλής ποιότητας, χαμηλότερο κόστος και ενεργειακό αποτύπωμα σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους καθαρισμού νερού. Το ενδιαφέρον τα τελευταία 15 χρόνια για τις μεμβράνες έχει αυξηθεί σημαντικά, κάτι που έχει
ως αποτέλεσμα την παρασκευή μεμβρανών με νέα υλικά που οδηγεί σε πιο αποτελεσματικούς διαχωρισμούς. Την καινοτόμο έρευνα σε αυτό τον τομέα θεραπεύει μεταξύ άλλων και το ευρωπαϊκό πρόγραμμα ITS-THIN, ένα έργο FET Horizon 2020 στο οποίο συμμετέχει το Πανεπιστήμιο Πατρών μέσω του Εργαστηρίου Νανοτεχνολογίας και Προηγμένων Υλικών του ΤΧΜ, και το οποίο στοχεύει στην ανάπτυξη νανομεμβρανών άνθρακα (CNM) για τον αποδοτικό και ταχύ καθαρισμό νερού. Οι μεμβράνες CNM κατασκευάζονται από μοριακούς προδρόμους οργανικών ενώσεων, διαθέτουν πάχος περίπου 1 nm και έχουν αποδειχθεί εξαιρετικές σε διεργασίες επεξεργασίας νερού. Στόχος του
Εργαστηρίου στο έργο είναι η μελέτη και ο χαρακτηρισμός της μηχανικής συμπεριφοράς των νανομεμβρανών άνθρακα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι ο προσδιορισμός του ρόλου της μικρο- και νάνο-δομής στην μηχανική συμπεριφορά και τις μηχανικές ιδιότητες των νανομεμβρανών
και των συνθέτων τους.
Τέσσερεις διαφορετικοί τύποι δειγμάτων παρελήφθησαν από την γερμανική εταιρία παρασκευής των νανομεμβρανών και βιομηχανικό εταίρο στο πρόγραμμα, την CNM Technologies GmbH. Δύο από αυτούς τους τύπος ήταν μεμβράνες υποστηριζόμενες σε υπόστρωμα PET (σύνθετα CNM/PET)
με διαφορετικές διαμέτρους πόρων ενώ οι άλλοι δύο ήταν νανομεμβράνες παρασκευασμένες από διαφορετικά μόρια πρόδρομους. Τα πειράματα που έγιναν αφορούσαν στον προσδιορισμό των ιδιοτήτων των CNΜ στην νανοκλίμακα με την χρήση μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM), όπου λήφθηκαν οι τοπογραφίες και οι χαρτογραφήσεις της προσκόλλησης, της παραμόρφωσης και του
μέτρου Young των νανομεμβρανών. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι CNM θα βρίσκονται πάνω σε ένα υπόστρωμα PET στις εφαρμογές που προορίζονται, διεξάχθηκαν πειράματα εφελκυσμού μέσω του πλαισίου μικρο-εφελκυστικής φόρτισης «Deben» για τον μακροσκοπικό προσδιορισμό της μέγιστης
αντοχής και του μέτρου Young των σύνθετων CNM/PET. Τέλος σε αυτά τα δείγματα, πραγματοποιήθηκαν και πειράματα θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA),για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την συμπεριφορά της σύνθετης μεμβράνης σε υψηλές θερμοκρασίες.
Μετά την διεξαγωγή των προαναφερθέντων πειραμάτων, λήφθηκε μία καθαρή εικόνα για την μηχανική απόδοση όλων των τύπων των CNM που εξετάστηκαν με το μέτρο ελαστικότητας να κυμαίνεται μεταξύ 3-8 GPa, ανάλογα τον τύπο και την πρόδρομη ένωση της μεμβράνης. Οι σύνθετες μεμβράνες CNM, έδειξαν ότι διαθέτουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες καθώς χρειάστηκαν μεγάλες
παραμορφώσεις έως την αστοχία τους, έως και 32% ανάλογα με το πάχος, την πυκνότητα πόρων και τον χρόνο εγχάραξης. Επιπλέον, η αντοχή τους έφτασε μέχρι και τα 123 MPa ανάλογα με το πάχος, την πυκνότητα πόρων και τον χρόνο εγχάραξης. Από τα πειράματα που έγιναν, εξάχθηκε το συμπέρασμα, πως ένα πάχος στήριξης 23 μm είναι επαρκές για να υπάρχει καλή μηχανική σταθερότητα
των νανομεμβρανών. Τέλος, τα πειράματα θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης έδειξαν πως οι σύνθετες μεμβράνες CNM/PET είχαν ίδια δυσκαμψία και θερμοβαρυμετρική συμπεριφορά με το καθαρό PET.Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ενθαρρυντικά και υποδεικνύουν πως οι μηχανικές ιδιότητες που παρουσίασαν οι CNM, μπορούν να ανοίξουν τον δρόμο και για χρήση τους σε άλλες εφαρμογές εκτός από εφαρμογές εμπρόσθιας ώσμωσης και φιλτράρισμα αντίστροφης ώσμωσης σε χαμηλή πίεση για την παροχή υπερκαθαρού νερού.
|
|---|
