21705

21705

بهينه سازي ترشوندگي غشاي توري با نانوساختارهاي بر پايه اكسيد روي به منظور جداسازي كلروفرم و هگزان از آب

دكتري

مهندسي شيمي

1393

1398/8/21

دكتر رضا نوروزبيگي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

هدف از انجام اين پژوهش تهيه غشاي توري فوق‌‌آبگريز نانوساختار بر پايه اكسيد روي با كنترل همزمان مورفولوژي و انرژي آزاد سطح بدون بهره‌‌گيري از اصلاح كننده‌‌هاي سطحي، تغيير و بهينه سازي ترشوندگي سطح به‌‌منظور استفاده در فرايندهاي جداسازي مخلوط‌‌هاي آب و روغن بوده است. در ابتدا با استفاده از روش طراحي آزمايش تاگوچي L16، تاثير عوامل موثر در مرحله سنتز بر رفتار ترشوندگي سطح نانوساختار اكسيد روي ارزيابي شد و شرايط بهينه به‌‌منظور رسيدن به خواص فوق آبگريزي بدست آمد. نتايج مربوط به آناليز ترشوندگي سطح نشان داد كه نمونه سنتز شده در شرايط بهينه با زاويه تماس استاتيك ⁰5/2±⁰8/ 162 و پسماند زاويه تماس ⁰5/0±⁰8/1، رفتار فوق آبگريز را بدون استفاده از هرگونه اصلاح كننده سطحي داشته است. نتايج آناليز SEM ايجاد ساختارهاي سلسله مراتبي گلسان متشكل از نانوميله‌‌هاي اكسيد روي با ساختار سوزني شكل با طول 3 ميكرومتر، متوسط قطر 85 نانومتر را تأييد كرد. نتايج مربوط به تغيير ترشوندگي سطح با استفاده از عمليات حرارتي در دماهاي متفاوت نشان داد كه تغيير دماي عمليات حرارتي از ℃ 150 به ℃ 400 منجر به تغيير برگشت‌‌پذير رفتار ترشوندگي سطح از حالت فوق آبگريز به حالت فوق آبدوست-فوق روغن-گريز زير آب با زاويه تماس روغن زير آب ⁰3±⁰ 5/172 مي‌‌شود. بررسي مكانيسم تغيير ترشوندگي سطح با استفاده از آناليزهاي XPS و Raman نشان داد كه تغيير در ميزان جاهاي خالي اكسيژن ايجاد شده روي سطح عامل اصلي تاثيرگذار در تغيير رفتار ترشوندگي سطح است. در ادامه سطوح كامپوزيتي اكسيد روي/اكسيد مس با نسبت‌‌هاي اوليه مولي مختلف محلول نيترات روي و نيترات مس سنتز شد و تغيير رفتار ترشوندگي نمونه سنتز شده در شرايط بهينه با نسبت مولي Zn2+:Cu2+ ، 4:1، نسبت به دو محرك عمليات حرارتي و تابش نور فرابنفش مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج تأييد كرد كه نمونه كامپوزيتي، خواص آبدوستي القا شده با نور بيشتري نسبت به نمونه اكسيد روي داشته و اين ويژگي منجر به تغيير ترشوندگي در مدت زمان كمتر با قرارگيري در معرض تابش نورفرابنفش از حالت فوق آبگريز به حالت فوق آبدوست مي‌‌شود. در مرحله نهايي غشاهاي توري ساخته شده با ترشوندگي انتخاب پذير براي جداسازي هگزان و كلروفرم از آب در دو سامانه پيوسته و ناپيوسته مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه امكان جداسازي آب و روغن با راندمان بالاي 98% و شار عبوري زياد نسبت به فرايندهاي متداول غشايي با استفاده از اين سطوح امكان‌‌پذير است. عملكرد غشاهاي توري ساخته شده براي جداسازي فاز روغني از نمونه پساب صنعتي شركت پالايش گاز شهيد هاشمي‌‌نژاد نشان داد كه امكان جداسازي اين فاز از پساب با راندمان بالاي % 99 و شار عبوري بيش از L m-2 h-1 1890 بدون ايجاد گرفتگي و كاهش شار عبوري امكان‌‌پذير است.

1398/11/12

Wettability optimization of mesh membrane with ZnO - based nanostructures for separation of chloroform and hexane from water

11/11/2020 12:00:00 AM

Synthesis of superhydrophobic ZnO mesh membrane by simultaneously controlling its morphology and surface chemistry without using any chemical modifiers and surface wettability optimization for separation of oil/water mixtures were the main purposes of this study. Firstly, the Taguchi L16 experimental design was applied to evaluate the effect of synthesis parameters on the ZnO surface wettability behavior and the parameters were optimized to achieve superhydrophobic properties. The sample prepared under the optimum condition exhibited superhydrophobic behavior with the water contact angle (WCA) of 162.8° ± 2.5° and contact angle hysteresis (CAH) of 1.8° ± 0.5° without using any chemical modifiers. Surface characterization performed by scanning electron microscopy (SEM) proved the formation of hierarchical flower-like structures containing plenty of needles with the length of about 3 µm, average diameters of ∼85 nm. The variations of annealing temperatures from 150 °C to 400 °C resulted in reversible alteration of wettability between superhydrophobic and superhydrophilic-underwater superoleophobic situations with the underwater oil contact angle of 172.5⁰ ± 3.5⁰. Investigation of the surface wettability alteration mechanism with XPS and Raman assessments confirmed that the surface defective sites play a key role in the change of the wettability. In next step, the ZnO/CuO composite surfaces were prepared with mixing different starting molar ratios of the copper and zinc nitrates solutions and the wettability alteration of the optimized sample with Zn2+:Cu2+ initial molar ratio of 4:1 was investigated by annealing treatment and UV illumination. Results revealed that the photo-induced hydrophilic properties of the ZnO/CuO nanocomposites were much better than that of the ZnO surface which leads to a quick UV-responsive wettability transition from superhydrophobicity to superhydrophilicity. Finally, the resulted mesh membranes were studied as the selective mesh membranes for batch and continuous separations of hexane/water and chloroform/water mixtures. The results illustrated that high separation efficiency (> 98%) and high permeate flux as compared to the conventional membrane technologies are obtained. The prepared mesh membrane also shows excellent performance in the separation of oil from oily wastewater sample of shahid Hasheminezhad gas refinery with the separation efficiency up to 99% and permeation flux above 1890 L m-2 h-1 without any membrane fouling and consequently decrease of permeate flux.