دفاعیه دکترا در دانشکده مهندسی شیمی

مهندس مونا ایروانی­نیا ، دانشجوی دوره دکتری مهندسی‌شیمی ،چهارم بهمن ماه 1395 ، از رساله خود با عنوان « تهیه و ارزیابی غشای تبادل آنیون بر پایه پلی سولفون جهت کاربری در پیل سوختی قلیایی جامد» با راهنمایی دکترسوسن روشن­ضمیر دفاع نمودند.

چکیده

در سال­های اخیر پیل­ سوختی قلیایی جامد یا پیل سوختی با غشای تبادل آنیون بعلت برخی از مزایا مانند استفاده از کاتالیست­های فلزی با قیمت مناسب در الکترودها، خوردگی کم، واکنش احیای سریع اکسیژن در کاتد، اکسیداسیون کارآمد بسیاری از سوخت­های مایع در آند، کاهش میان عبور شدن سوخت و ... مورد توجه زیادی قرار گرفته است. از این­ رو بررسی غشای تبادل آنیون بعنوان یکی از اجزای کلیدی که نقش مهمی در تعیین خواص و کارایی این پیل سوختی دارد، دارای اهمیت می­باشد. در پژوهش صورت گرفته غشاهای تبادل آنیون بر پایه پلی سولفون و گروه­های عاملی آمونیوم (تری­متیل آمین و تترا متیل هگزان دی­آمین) تهیه شدند. تترا متیل هگزان دی­آمین نه تنها به عنوان عامل آمین­دار کردن مورد استفاده قرار می­گیرد بلکه نقش عامل اتصال عرضی را نیز دارد. از این­رو باعث بهبود خواص ابعادی، مکانیکی و شیمیایی غشا می­شود. در ابتدای این پژوهش با استفاده از آزمایش­های غربالگری، پارامترهای موثر در ساخت غشای تبادل آنیون مشخص گردیدند. سپس با تغییر این پارامترها طی سه مرحله کلرومتیل­دار کردن، آمین­دار کردن و قلیایی کردن غشاهای تبادل آنیون نهایی (10 غشا) تهیه شدند. پس از ساخت غشاهای تبادل آنیون، غشاها بصورت برون محلی و درون محلی مورد ارزیابی قرار گرفتند

به منظور تایید واکنش­های کلرومتیل­دار کردن، آمین­دار کردن و ایجاد اتصال عرضی، طیف سنجی­های ¹HNMR وFTIR مورد استفاده قرار گرفتند. عکس­برداری SEM جهت مشاهده ساختار غشا و ترموگرام­های TGA و DSC جهت ارزیابی حرارتی غشاهای تبادل آنیون بکار گرفته شدند. همچنین قدرت مکانیکی غشا توسط پارامترهای قدرت کششی، کشیدگی در نقطه شکست و مدول یانگ بررسی شد و پایداری شیمیایی غشا در محیط قلیایی مورد ارزیابی قرار گرفت. به­علاوه، آزمایش­ها و اندازه­گیری­های برون محلی شامل بررسی ظرفیت تبادل یون، هدایت یونی، عدد انتقال، انرژی فعال­سازی عبور یون، میزان جذب آب و تورم غشا و عدد آبپوشی مورد بررسی قرار گرفتند. غشاهای تبادل آنیون تهیه شده دارای هدایت یونی (در راستای ضخامت) و انرژی فعال­سازی عبور یون به ترتیب در بازه mS/cm 42-2 و kJ/mol 9/28- 4/17 در دماهای °C 80-30 و رطوبت نسبی­های مختلف می­باشد. همچنین محدوده مقادیر ظرفیت تبادل یون، عدد انتقال و عدد آبپوشی به ترتیب meq/gr 1/2-6/1، 98/0-95/0 و 44-7 می­باشند. مقادیر میزان جذب آب و تورم غشا در محدوده قابل قبولی بوده که نشان دهنده پایداری ابعادی مناسب غشاها می­باشند.

در نهایت غشای تبادل آنیون M-1:3:1.5 (نسبت مولی تری متیل آمین و تترا متیل هگزان دی­آمین به گروه کلرومتیل زنجیره پلی سولفون به ترتیب برابر 3 و 5/1) بصورت مجموعه الکترود و غشا در سیستم پیل سوختی واحد آزمایشگاهی در دماهای مختلف بکار گرفته شد. نتایج حاصل از این آزمایش درون محلی در دمای°C 60 شامل پتانسیل مدار باز، حداکثر دانسیته توان و دانسیته جریان حدی به ترتیب برابر V 05/1، mW/cm² 110 و mA/cm² 331 می­باشد. همچنین عملکرد برون محلی غشای M-1:3:1.5 با غشای تبادل آنیون تجاری مورد مقایسه قرار گرفت و نتایج بدست آمده نشان داد که غشای تبادل آنیون تهیه شده در این پژوهش هدایت یونی بهتری نسبت به غشای تجاری دارد اما پایداری شیمیایی آن نسبت به غشای تجاری کمتر است. در نهایت با توجه به نتایج حاصل از آزمایش­های برون محلی و درون محلی، غشاهای تبادل آنیون تهیه شده می­توانند گزینه مناسبی جهت کاربری در سیستم پیل سوختی قلیایی جامد باشند.

واژه‌های کلیدی: پیل سوختی قلیایی جامد، غشای تبادل آنیون، پلی سولفون، تری متیل آمین، تترا متیل هگزان دی آمین.