غشای نانوساختار تبادل کاتیون

این چالش در جریان است. در صورت داشتن هر گونه سوال با ما در ارتباط باشید.

یکی از مهم­ترین قطعات در پیل‌های سوختی، پیل‌های الکترولیز و ژنراتورهای هیدروژن، «غشاء تبادل یونی» است. امروزه رایج‌ترین استفاده صنعتی این نوع غشاء، در پیل‌های الکترولیز آب نمک برای تولید گاز کلر است. غشای تبادل یونی در این فرآیند نقش محوری دارد و خاصیت تراوایی آن برای یون سدیم، امکان جداسازی گاز کلر را فراهم می­ سازد. در حال حاضر با وجود مصرف بالای این غشاء در داخل کشور در صنعت پتروشیمی و واحد کلر آلکالی، تامین آن از طریق واردات انجام می ­پذیرد. از این رو تولید این محصول در داخل کشور جهت جلوگیری از خروج ارز و رفع مشکلات واردات به ­­دلیل موانع تحریمی، بسیار حائز اهمیت است. موضوع این چالش، ساخت غشاء تبادل یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) در داخل کشور، مبتنی بر استانداردهای فنی و الزامات تولید اقتصادی می ­باشد.

فرایندهای تولید گاز که برپایه اکسیداسیون یون­ها و تشکیل گاز از یون­ها هستند، برای جدا کردن گاز و برقرار کردن تعادل در فرایند نیاز به غشاهایی دارند که بتوانند به عنوان دریچه عبور انتخابی عمل نموده و تعادل یون‌های موجود در آب را در دو سمت واکنش فراهم سازند. دو مورد از مهم‌ترین تولیدات گازی در صنایع ایران، کلر و هیدروژن هستند که به ترتیب به‌وسیله تجهیزات سلول الکترولیز و ژنراتورهای هیدروژن تولید و استخراج می‌شوند. غشای مورد استفاده در این سلول‌ها، انواع مختلفی دارد که یکی از رایج‌ترین انواع آن‌، محصولی به نام «نفیون» با نام تجاری فلوئوروپلیمر-کوپلیمربر پایه تترافلوئورواتیلن است.

این محصول نخستین بار در اواخر دهه 1960 کشف گردید و اولین نوع از بین پلیمرهای مصنوعی دارای خواص یونی محسوب می­شود که اصطلاحا به آن «یونومر» نیز می‌گویند. خواص یونی ویژه نفیون حاصل تلفیق گروه‌های اتری پرفلوئورووینیل (دارای گروه‌های سولفونات در انتهای ساختار) با زنجیره اصلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) است. با این حال همان‌طور که گفته شد، نفیون تنها محصول غشایی تبادل کاتیون نیست. انواع دیگری همانند غشاهایی از جنس پلی‌اتر اتر کتون (PEEK) هم وجود دارند که برای این کاربرد قابل استفاده‌اند. نفیون صرفا به‌دلیل تولید گسترده‌تر و رواج بیشتر، نمونه مشهورتری است. ساختار زنجیره مولکولی نفیون در تصویر زیر نشان داده شده است. برخی نکات قابل توجه در خصوص غشاهای تبادل کاتیون در ادامه آورده شده است.

غشای نانوساختار تبادل کاتیون

غشای تبادل کاتیون نیاز مبرم و مداوم صنایع پتروشیمی محسوب می‌شود و از سویی دیگر نمونه نفیون آن با دشواری فراوان از طریق واردات تامین می‌شود. هدف اصلی این چالش، شناسایی و ارزیابی طرح‌های نوآورانه و همچنین ساخت نمونه محصول جهت به‌کارگیری فناوری نانو برای تولید این غشای پلیمری در داخل کشور است. از این رو در مرحله اول، ارائه طرح مفهومی و در مرحله دوم ساخت نمونه غشای پلیمری با عملکرد مناسب و رعایت ملاحظات فنی ذکر شده، از ارکان این چالش می­ باشند. لازم به ذکر است طرح­های راه‌یافته به مرحله دوم، یعنی تولید نمونه محصول، واجد شرایط دریافت گرنت می­ باشند.

۱- مکانیزم عملکرد غشا پلیمری خود را تشریح نموده و نقش فناوری نانو را در ارائه این عملکرد بیان نمایید.

۲- برآورد شما از میزان کارایی و بازده عملکردی راهکار پیشنهادی از لحاظ بهبود تبادل یونی و در مقایسه با نمونه خارجی به چه شکل است؟

۳- برآورد شما از مقادیر کمی خواص مکانیکی، فیزیکی و هیدرولیتیک غشای پیشنهادی (به تفکیک جدول ارائه شده در راهنمای چالش) در مقایسه با نمونه خارجی چگونه است؟

۴- برآورد شما از هزینه ساخت و قیمت تمام شده محصول چگونه است؟ توجیهات اقتصادی طرح خود را به اختصار ذکر کنید.

۵- روش ساخت و آماده‌سازی پوشش موردنظر را اجمالا بیان نمایید.

۶- آیا مواد اولیه مورد استفاده یا فرآیند ساخت غشا پلیمری دارای اثرات سمی یا زیان‌بار شدیدی برای انسان یا محیط زیست خواهند بود؟

۷- مزایای اصلی طرح پیشنهادی خود را بیان نمایید.

همان‌طور که اشاره شد غشاهای نفیون به‌دلیل حجم تولید و رواج بالای مصرف در صنایع الکتروشیمیایی، شهرت بیشتری دارند. اما این نوع غشا را می‌توان از پلیمرهای دیگری نیز تهیه کرد که با خواص و ویژگی‌های غشا نفیون رقابت کنند. بنابراین محدودیتی در انتخاب جنس و نوع ماده مورداستفاده برای ساخت غشا وجود ندارد. هرچند به دلیل آشنایی بیشتر صنعت با این نوع غشا و در دسترس بودن نمونه خارجی تولید شده جهت بررسی‌های تحقیقاتی، بهتر است طرح‌های پیشنهادی به سمت ساخت غشایی بر پایه ماده سازنده نفیون (کوپلیمر-فلوئوروپلیمر بر پایه تترافلوئورواتیلن) بروند.

  • نزدیک بودن خواص غشاء تولیدی به استانداردها و خواص محصول خارجی از مهم‌ترین ملاحظات این چالش است. محصول باید بتواند خواص ذکر شده را تا اعداد ذکر شده در جدول زیر (که مربوط به نفیون است) یا بازه‌های نزدیک به آن کسب نماید.
  • روش تست ویژگی‌های فنی غشاء براساس استانداردهای ASTM باشد.
  • غشا تولیدی می­بایست نانوساختار باشد.
خواص مکانیکی، فیزیکی و هیدرولیتیک در شرایط محیطی مقدار استاندارد روش تست
مدول کششی  (MPa) ۲۴۹ ASTM D882
حداکثر استحکام کششی (MPa) 43 (MD)

32 (TD)

ASTM D882
تغییر طول در لحظه شکست (%) 225 (MD)

310 (TD)

ASTM D882
مقاومت برشی (اولیه g/mm) 6000 (MD, TD) ASTM D1004
مقاومت برشی (تجمعی – g/mm) 100< (MD)

150< (TD)

ASTM D1922
چگالی نسبی ۱.۹۸
هدایت ویژه (S/cm) حداقل ۰.۱۰ *
جذب آب (%) ۳۸ ASTM 570
افزایش ضخامت پس از غوطه‌وری درآب (%) ۱۰ ASTM D756
افزایش انبساط خطی پس از غوطه‌وری درآب (%) ۱۰ ASTM D756
  • پیشنهادهایی که ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی و عملکردی نمونه خارجی را نتوانند تا حد قابل قبولی برآورده کنند (حد قابل‌قبول برای اختلاف با نمونه خارجی، حداکثر ۵ درصد است). با توجه به اینکه احتمال وجود خطای اندازه‌گیری در دستگاه‌های آزمایشگاهی موجود در سطح کشور وجود دارد، حد قابل‌قبول در انتها با ارجاع هر دو نمونه تولیدی ایرانی و خارجی به یک آزمایشگاه مرجع محاسبه خواهد شد.
  • پیشنهادهایی که نتوانند تولید محصول را با قیمت مناسب توجیه کنند (قیمت فعلی نمونه خارجی برای کاربردهای تولید هیدروژن و کلر، حدودا ۱۰۰۰ دلار برای هر مترمربع است).
  • راهکارهایی که بدون استفاده از فناوری نانو ارائه گردد.
  • راهکارهایی که به استفاده از روش‌های غیرغشایی (مانند ژل‌ها) و یا غشاهای قدیمی و منسوخ شده (مانند غشاهای دیافراگمی) متکی باشند.
دریافت طرح‌های مفهومی، غربال و داوری (مرحله اول)

1. ثبت نام در سایت و ارسال طرح

در این مرحله، شرکت‌کنندگان می‌بایست حداکثر تا ۲۲ مرداد، طرح مفهومی خود را در چارچوبی که در اختیار آن‌ها قرار گرفته است، مدون و سپس از طریق سامانه به صورت آنلاین ثبت نمایند.

2. ارزیابی طرح‌ها و داوری مرحله اول

در پایان مرحله اول طرح‌های دریافتی در کمیته داوران ارزیابی شده و در نهایت، شرکت‌کنندگان برتر (اعم از فرد یا گروه) جهت ساخت نمونه آزمایشگاهی از طرح خود وارد مرحله دوم چالش خواهند شد.
فرآیند شتابدهی و ساخت نمونه (مرحله دوم)

3. ساخت نمونه اولیه و تکمیل مستندات

برگزیدگان مرحله نخست، چهار ماه فرصت خواهند داشت تا ضمن تکمیل مستندات فنی و اقتصادی طرح خود، ‌یک «نمونه آزمایشگاهی» مطابق با طرح اولیه خود را طی مرحله دوم ارائه نمایند.

4. داوری نهایی و اعلام طرح برتر

در پایان مرحله دوم جهت انتخاب طرح برتر، مستندات فنی و اقتصادی و نیز نمونه‌ آزمایشگاهی ارائه شده از سوی هر شرکت‌کننده توسط هیات داوران ارزیابی و برنده نهایی معرفی می‌شود.

حمایت ها

  • ۱۳۰ میلیون ریال جایزه نقدی برای تیم اول+ ۱۰۰ میلیون ریال جایزه نقدی برای تیم دوم
  • ۷۵ میلیون ریال گرنت تولید نمونه محصول+ ۷۵ میلیون ریال گرنت آزمایشگاهی
  • حمایت از تجاری‌سازی طرح ها

حامیان این چالش

چالش‌های مشابه