22567

سنتز نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم وكاربرد در ساخت غشاهاي مورد استفاده در فرآيندهاي جداسازي و شيرين سازي آب

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1396

1399/03/13

دكتر تورج محمدي

دكتر مريم احمدزاذه توفيقي

كارشناسي ارشد

تقطير غشايي فرآيندي است كه براي توليد آب خالص، تغليظ محلول ها، خالص سازي جريان هاي پساب و ...، به طور گسترده اي مورد مطالعه قرار گرفته است. اين فرآيند نسبتا جديد است و به علت هزينه كم و صرفه جويي در مصرف انرژي به عنوان جايگزين مناسبي براي فرآيندهاي جداسازي متداول مانند تقطير و اسمز معكوس مطرح شده است. هدف از اين پژوهش، سنتز نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم و سپس سنتز غشاي پلي وينيليدين فلورايد (PVDF) و اصلاح آن با نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم به منظور استفاده در فرآيند تقطيرغشايي در مقياس آزمايشگاهي مي‌باشد. افزايش خواص مكانيكي و تخلخل غشاها به منظور بهبود كارايي تقطير غشايي مدنظر مي‌باشد. در اين پژوهش، ابتدا نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم (TNT) با استفاده از نانوذرات دي اكسيد تيتانيوم (TiO2) به همراه سديم هيدروكسيد (NaOH) در اتوكلاو به روش هيدروترمال با موفقيت سنتز شد. ساختار نانولوله‌هاي سنتز شده با انجام آناليزهاي گوناگون مانند پراش پرتو ايكس (XRD)، تصويربرداري به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) ، ميكروسكوپ الكتروني گسيل ميدان (FE-SEM) و ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) و طيف سنجي پراش انرژي پرتوايكس (EDX) ارزيابي شد. طيف (XRD) حاصل از نمونه‌ها، تشكيل ساختار نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم را در فاز آناتاس خالص تاييد كرد. تصاوير (FE-SEM) نشان داد كه محصول هيدروترمال توده‌هاي متراكمي از نانولوله‌هاست. تصاوير (TEM) نانولوله‌اي شدن نانوذرات دي اكسيد تيتانيوم را با وضوح بالاتري تاييدكرد. در ادامه، غشاهاي زمينه آميخته حاوي نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم با استفاده از پليمر پلي وينيليدن فلورايد (PVDF) و حلال دي‌متيل‌استاميد (DMAC) به روش وارونگي فاز ساخته شد و عملكرد آنها در فرايند تقطير غشايي خلا مورد ارزيابي قرار گرفت. خواص ساختاري و ساختار غشاهاي ساخته شده به وسيله‌ي تصويربرداري ميكروسكوپي الكترون روبشي گسيل ميداني(SEM) و (FE-SEM) و ميكروسكوپ الكتروني عبوري TEM)) و اندازه گيري زاويه تماس ارزيابي شد. تأثير استفاده از غلظت‌هاي مختلف نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم بر روي عملكرد غشاهاي حاصل در فرآيند تقطير غشايي خلا مورد بررسي قرار گرفت. فلاكس آب خالص و ميزان دفع نمك غشاها در فرآيند تقطير غشايي خلا اندازه گيري شد. نتايج حاصل نشان مي‌دهد كه افزودن نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم با بهبود ساختار غشا از قبيل افزايش اندازه حفرات سطحي، افزايش حفرات انگشت مانند غشا و در نتيجه افزايش تخلخل موجب بهبود عملكرد غشاهاي زمينه آميخته شده است. غشاي زمينه آميخته حاوي (2 درصد وزني) نانولوله دي اكسيد تيتانيوم به عنوان غشاي بهينه شناخته شد كه در مقايسه با غشاي خالص حدود (30 درصد) افزايش فلاكس آب خالص و (9/99 درصد) دفع نمك را در دماي (70 درجه سانتيگراد) و فشار خلا (8/0 بار) از خود نشان داد. تاثير پارامترهاي عملياتي مانند غلظت خوراك، شدت جريان خوراك و دماي خوراك با استفاده از روش طراحي آزمايش (CCD RSM-) با انجام 15 آزمايش مورد بررسي قرار گرفت و شرايط بهينه تعيين شد. نتايج حاصل از اين پژوهش نشان داد كه نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم با داشتن خاصيت آب دوستي مي‌تواند به بهبود ساختار غشاي پلي وينيليدين فلورايد منجر شود به اين ترتيب كه در فرآيند ساخت غشا به روش جدايش فازي، تأثير ضد حلال را تشديد مي‌كند. در واقع حضور نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم آب دوست، باعث تسريع نفوذ آب به عنوان ضد حلال درون فيلم پليمري و تشكيل غشايي با روزنه‌هاي بزرگ‌تر خواهد شد. در نتيجه با بالا رفتن ميزان نانولوله‌ها در شبكه غشا، تخلخل غشاها بيشتر شده و روزنه‌هاي انگشت مانند بزرگتر و كشيده‌تري شكل مي‌گيرند. در نتيجه افزودن نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم مي‌توانند ميزان فلاكس عبوري بخار آب از غشا را افزايش دهند. از ديگر تاثيرات افزودن نانولوله‌هاي دي اكسيد تيتانيوم به غشاي پلي وينيليدين فلورايد، افزايش مقاومت مكانيكي غشا و افزايش دفع نمك مي‌باشد.

1399/09/04

Synthesis of titanium dioxide nanotubes and application in the construction of membranes used in water separation and desalination processes

6/3/2021 12:00:00 AM

Membrane distillation is a process that has been extensively studied for the production of pure water, concentration of solutions, purification of effluent streams. This process is relatively new and has been proposed as a suitable alternative to conventional separation processes such as distillation and reverse osmosis due to its low cost and energy savings. The aim of this study is to synthesize titanium dioxide nanotubes and then synthesize polyvinylidene fluoride membrane (PVDF) and its modification with titanium dioxide nanotubes for use in the laboratory scale membrane distillation process. Increasing the mechanical properties and porosity of the membranes are intended to improve the efficiency of the membrane distillation. In this study, titanium dioxide (TNT) nanotubes were first successfully synthesized using titanium dioxide (TiO2) nanoparticles along with sodium hydroxide (NaOH) in autoclave by hydrothermal method. The structure of the synthesized nanotubes was characterized by performing various analyzes such as X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and field emission electron microscopy (FE-SEM), transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy. The (XRD) spectrum of the samples confirmed the formation of titanium dioxide nanotube structures in the pure anatase phase. The (FE-SEM) images showed that the hydrothermal product was a dense mass of nanotubes. The (TEM) images confirmed formation of the nanotube structure with higher resolution. The effect of operational parameters such as feed concentration, feed flow intensity and feed temperature was investigated using the experimental design method (CCD RSM-) with 15 experiments and the optimal conditions were determined. Subsequently, the mixed matrix membranes containing titanium dioxide nanotubes were fabricated using polyvinylidene fluoride (PVDF) polymer and dimethyl acetamide (DMAC) solvent by phase inversion method and their performance were evaluated in vacuum membrane distillation process. The structural properties of the fabricated membranes were evaluated by (SEM), (FE-SEM) and (TEM) analysis and contact angle measurement. The effect of using different concentrations of titanium dioxide nanotubes on the performance of the fabricated membranes in the vacuum membrane distillation process (VMD) was investigated. Pure water flux and salt rejection were measured during the vacuum membrane distillation process. The results show that the addition of titanium dioxide nanotubes has improved the performance of the mixed matrix membranes by improving membrane structure, such as increasing the size of surface cavities, increasing finger-like cavities, and thus increasing porosity. The fabricated membrane containing 2 wt.% of titanium dioxide nanotubes was recognized as the optimal membrane, which compared to pure membrane, showed about 30% enhancement in pure water flux and (99.9%) salt excretion at temperature of (70 C) and vacuum pressure of (0.8 bar). The results of this study showed that titanium dioxide nanotubes can improve the structure of the PVDF membrane. Hydrophilic titanium oxide can intensify anti-solvent effect in the phase inversion process. In fact, the presence of hydrophilic titanium dioxide nanotubes can accelerate the infiltration of water into the polymer film and form a membrane with larger pores. As a result, as the amount of nanotubes in the membrane network increases, the porosity of the membranes increases and larger and more elongated finger-like holes are formed, which can increase the amount of flux passing through the membrane. Other effects of titanium dioxide nanotubes addition into membranes include increasing mechanical strength of the membrane and also increasing salt rejection.