18836

۱۸۸۳۶

ساخت غشا ماتريس آميخته با نانوذرات اكسيدفلزي آبدار جهت حذف يون فلزي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي - جداسازي

اسفند ۱۳۹۶

دكتر تورج محمدي

مهندسي شيمي ، نفت و گاز

در اين مطالعه غشاي ماتريس آميخته¬ي اولترافيلتراسيون پلي¬اكريلونيتريل جديد، حاوي نانوذرّات گئوتيت براي حذف يون Cu(II) از محلول¬هاي آبي تهيه شد. ابتدا نانوذرّات گئوتيت سنتز شد و مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت. نانوذرّات گئوتيت به عنوان نانوكره¬هاي با قطر كمتر از nm 60 شناسايي شدند. مرحله¬ي بعد ساخت غشاي ماتريس¬آميخته و ارزيابي آن بود. شرايط بهينه جهت ساخت و ارزيابي غشاها با استفاده از روش پاسخ سطح بر اساس طراحي باكس بنكن تعيين شد. اين كار شامل دو طراحي آزمايش بود، در طراحي آزمايش اوّل متغيرهاي ساخت و تأثير آن¬ها بر درصد دفع يون فلزي و ميزان تراوش¬پذيري آب خالص در شرايط عملياتي ثابت (غلظت خوراك ppm 20، pH برابر با 5/4 تا 5 و فشار برابر با bar 1) بررسي شدند. در طراحي آزمايش دوّم تأثير شرايط عملياتي بر قابليت دفع غشا بررسي گرديد. متغيرهاي مورد ارزيابي در طراحي آزمايش اوّل شامل پليمر پلي¬اكريلونيتريل در محدوده¬ي 18-15 %، پليمر افزودني پلي¬وينيل-پيروليدون در محدوده¬ي %wt5/1-3/1و درصد نانوذرّات در محدوده¬ي wt%5/0-1/0 بودند. متغيرهاي مورد ارزيابي در طراحي آزمايش دوّم شامل غلظت خوراك در محدوده¬ي ppm 20-200، pH محلول خوراك در محدوده¬ي 5-2 و فشار عملياتي در محدوده¬ي bar 1-3بودند. شرايط بهينه براي آزمايش اوّل در حالت حداكثر درصد دفع و حداكثر ميزان تراوش¬پذيري آب خالص به ترتيب، 15%، 3/1% و 1/0% براي پلي-اكريلونيتريل، پلي¬وينيل¬پيروليدون و درصد نانوذرّه تعيين شدند. تحت اين شرايط، حداكثر درصد دفع يون,Cu(II) 1/49 و حداكثر ميزان شار آب خالص L/m2 h bar285 به دست آمد. اين مقادير در مقايسه با مقادير پيش¬بيني شده توسط مدل كه به ترتيب 6/47 و L/m2 h bar 268 بودند كارايي مدل را تأييد كردند. شرايط بهينه براي آزمايش دوّم در حالت حداكثر درصد دفع، غلظت اوّليه خوراك ppm 20، pH خوراك برابر با 5/4 و فشار عملياتي برابر با bar 1 بدست آمد. اين شرايط با شرايط اوّليه خوراك در طراحي آزمايش اوّل يكسان بود. مقدار پيش¬بيني شده براي درصد دفع غشاي بهينه در طراحي آزمايش دوّم برابر با 022/45 با مقدار تجربي به¬دست آمده از غشاي بهينه برابر با 1/49 تقريباً برابر بود. نتايج مطالعات جذب توسط نانوكامپوزيت پلي¬اكريلونيتريل/گئوتيت نشان داد كه جذب يون Cu(II) توسّط غشاي پلي¬اكريلونيتريل با استفاده از نانوذرّات گئوتيت افزايش مي¬يابد. علاوه بر اين حذف يون فلزي Pb(II) توسط غشاي بهينه در شرايط غلظت اوليه خوراك برابر با ppm 20، pH برابر با 5 و فشار عملياتي bar 1 مورد ارزيابي قرار گرفت. درصد دفع يون Pb(II) توسط غشا بهينه 43% به¬دست آمده است. در اين مطالعه غشاي با تركيب %NP=0.5، %PAN=16.5 و %PVP=1.1 ساخته و ارزيابي شد كه مقدار درصد دفع يون فلزي براي غشاي ساخته شده تقريباً 90% و شار غشا تقريباً L/m2 h bar 150 به دست آمده است.

1397/02/24

5/14/2018 12:00:00 AM

In this study, a novel ultrafiltration polyacrylonitrile (PAN) mixed matrix membranes (MMMs), containing goethite nanoparticles (GNP) were fabricated for Cu(II) ion adsorptive removal from aqueous solutions. First, nanospherical goethite nanoparticles, with a diameter up to 60 nm, were synthesized and analyzed. The next step was the fabrication and evaluation of a matrix membrane. The optimum conditions for the fabrication and evaluation of membranes were determined using response surface methodology (RSM) based on Box-Behnken design (BBD). This was including two independent set of design of experiments; in which the first one was the fabrication variables and their effect on the metal ion removal and pure water permeability under constant operating conditions (feed concentration of 20 ppm, pH equal to 4.5 to 5, and pressure of 1 bar), and the second one was study of the effect of operational conditions on the membrane separation property. The variables evaluated in the first design of experiment included polyacrylonitrile concentration (15-18%), polyvinylpyrrolidone additive amount (1.3-1.5%), and the loading percent of nanoparticles (0.1-0.5 wt%). The variables evaluated in the second design of experiment were feed ion concentrations (20-200 ppm) and pH (range of 2-5) as well as the operating pressure (1-3 bar). The optimum conditions for the first experiment at which the maximum ion removal and the maximum water permeability were achieved was 15%, 1.3% and 1.0% for polyacrylonitrile, poly (vinylpyrrolidone) and GNP loading, respectively, at which, the highest Cu(II) removal was 49.1% and the maximum pure water flux was 285 L/m2 h bar. These values confirmed the accordance of the experiments and the predicted values by the model which were 47.6% and 268 L/m2 h bar, respectively. For the second experiment, the optimum conditions, at which the maximum ion removal was achieved, were the feed concentration of 20 ppm, the feed pH of 4.5, and the operating pressure of 1 bar. These conditions were objective to the initial feed conditions in the first design of experiment. The predicted value for the optimal membrane removal in the second design of the experiment was 45.022% which was fairly close to 49.1%, i.e., the value obtained from the experiments. The results of absorption studies by polyacrylonitrile/ goethite nanocomposite demonstrate that the absorption of Cu(II) ions by the membrane increases with the goethite nanoparticles loading percent. In addition, the removal of Pb(II) metal ions was evaluated by the optimal membrane with the initial feed conditions of 20 ppm, and pH of 6 at operating pressure 1 bar. For Pb(II) the obtained ion removal was 43%. In this study, the membrane with GNP = 0.5%, PAN = 16.5% and PVP = 1.1% was fabricated and it was estimated that the metal ion removal and flux of the membrane were about 90% and 150 L/m2 h bar respectively.