25923

ساخت و ارزيابي عملكرد و بررسي مدل‌هاي گرفتگي غشاهاي الياف توخالي نانوكامپوزيتي آنتي باكتريال بر پايه پلياترسولفون به‌منظور تصفيه پساب

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1397

1400/10/17

تورج محمدي

فرشته نعيم پور

مهندسي شيمي و نفت و گاز

به دليل كمبود آب در دنيا، تصفيه پساب و فاضلاب¬هاي صنعتي و بازگرداندن آب مصرف ¬شده به چرخه، اهميت زيادي پيدا كرده‌ است. فيلتراسيون غشايي طي سال‌هاي گذشته، دامنه كاربرد خود را در حوزه تصفيه پساب و فاضلاب گسترش داده است. بر اساس تحقيقات انجام گرفته اين واقعيت پذيرفته شده است كه در غشاهايي با خواص آنتي باكتريايي و آب‌دوستي مناسب، فرآيند گرفتگي كاهش‌ يافته و آب خروجي از كيفيت بهتري برخوردار است. در تحقيق حاضر، غشاهاي نانوكامپوزيتي پلي¬اترسولفون/نقره با هدف اصلاح، تغيير خواص و بهبود عملكرد غشاي پلي¬اترسولفون براي تصفيه پساب به روش جدايش فازي توسط ضد حلال، ساخته و در سامانه بيوراكتور غشايي مورد ارزيابي قرار گرفتند. به منظور افزايش آب-دوستي، افزايش برهم‌كنش بين پليمر و نانوذرات و تقويت خاصيت آنتي باكتريايي نانوذرات نقره، فرآيند اصلاح سطح نانوذرات پيش‌گرفته شد كه به سبب آن گروه¬هاي عاملي آميني بر روي نانوذرات جانشاني شد. به‌ منظور بررسي كيفيت اصلاح نانوذرات نقره از آزمون طيف ‌سنجي تبديل فوريه مادون‌ قرمز (FTIR) و ميكروسكوپ الكتروني گسيل ميداني (FESEM) استفاده شد كه در آزمون FTIR تشكيل موفق گروه¬هاي آميني بر روي نانوذرات نقره مشاهده شد. همچنين به ‌منظور مشخصه¬يابي غشاهاي ساخته¬ شده، از آزمون¬هاي رفتار جدايش فازي، گذردهي آب خالص، زاويه تماس، مقاومت مكانيكي، آزمون ميكروسكوپ الكتروني گسيل ميداني و آزمون خاصيت آنتي باكتريايي استفاده شد. غشاها در ماژول‌هاي مخصوص غشاهاي الياف ¬توخالي سوار شدند و مورد بررسي قرار گرفتند. با توجه به نتايج به ‌دست ‌آمده مشاهده شد كه غشاهاي اصلاح ‌شده در مقايسه با نمونه خالص داراي جداره بيروني ضخيم‌تري مي¬باشند كه بازده فرآيند جداسازي را افزايش مي¬دهند. نمونه¬هاي اصلاح‌ شده به سبب حضور نانوذرات نقره و گروه¬ آميني، آب‌ دوست‌تر بوده و خاصيت آنتي¬باكتريايي آن¬ها باعث افزايش توانايي در پس¬زني ميكروب¬ها و ممانعت از تشكيل ترشحات ميكروبي در سطح غشا شده است. با بررسي¬هاي بيشتر مشاهده شد نمونه‌ها¬ي غشايي حاوي 5/1 درصد وزني از نانوذرات نقره اصلاح‌ شده، با شار آب خالص 60 كيلوگرم بر متر مربع ساعت، داراي بيشترين درصد پس‌زني آلاينده¬ها (در حدود 97 درصد) و كمترين ميزان گرفتگي (در حدود 27 درصد) در مقايسه با ساير نمونه¬ها را داشته‌اند؛ بازيابي شار در اين نمونه غشايي حدود 90 درصد بود. هم چنين زاويه تماس اوليه 83 درجه به 57 درجه كاهش يافت. بررسي¬هاي بيشتر پارامترهاي گرفتگي نشان داد كه با افزايش مقدار نانوذرات، اين غشاها افت ناچيزي در فلاكس آب خروجي از سامانه بيوراكتور غشايي از خود نشان مي¬دهند و گرفتگي از نوع برگشت‌ناپذير در نمونه خالص به گرفتگي برگشت‌پذير در نمونه¬هاي اصلاح‌ شده تبديل شد كه حاكي از بهبود خاصيت ضد گرفتگي و آنتي باكتريايي غشاها دارد. همچنين بررسي مدل‌هاي گرفتگي نشان داد كه غشا¬ي خالص گرفتگي از نوع كيك دارد و در مورد غشا¬هاي داراي نانوذرات نقره خالص از آنجايي كه نوع آلاينده ثابت بوده است، تغيير نوع گرفتگي به حالت استاندارد نشان از ورود آلاينده به داخل حفرات غشا بوده است كه در ادامه هنگام استفاده از نانوذرات اصلاح شده، همپوشاني عالي در گرفتگي از نوع كيك نشان داد كه اندازه حفرات كاهش يافته است؛ غشاها در حذف آلاينده‌ها و ممانعت از ورود آلاينده‌ها به داخل غشا بسيار موفق عمل كرده‌اند.

1400/11/02

Fabrication and Evaluation of Performance and Study of Fouling Models of Anti-Bacterial Nanocomposite Hollow Fiber Membranes based on PES for Wastewater Treatment

1/7/2023 12:00:00 AM

Due to the water scarcity in the world, the treatment of industrial wastewater and the water reuse to the cycle has become very important. Membrane filtration has expanded its application in the field of wastewater treatment in recent years. Based on research, it has been accepted that in membranes with good antibacterial and hydrophilic properties, the fouling is reduced and the treated water is of better quality. In the present study, poly ether sulfone/silver nanocomposite membranes were fabricated and evaluated in the membrane bioreactor system with the aim of improving the performance of poly ether sulfone membranes for wastewater treatment by NIPS method. In order to increase hydrophilicity and interaction between the polymer and the nanoparticles and enhance the antibacterial properties of silver nanoparticles, the surface modification process of nanoparticles was applied, due to which amine functional groups were substituted on the nanoparticles. In order to evaluate the modification quality of silver nanoparticles, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and field emission electron microscopy (FESEM) were used. In FTIR test, successful formation of amino groups on silver nanoparticles was observed. In order to characterize the fabricated membranes, phase separation behavior tests, pure water permeability, contact angle, mechanical strength, FESEM and antibacterial property test were used. The membranes were prepared on hollow fiber modules for further investigation. According to the results, it was observed that the modified membranes have a thicker outer layer compared to the neat sample, which increases the efficiency of the separation process. Modified membranes are more hydrophile due to the presence of silver nanoparticles and amino groups, and their antibacterial properties increase the ability to repell and terminate microbes and prevent the formation of microbial secretions on the membrane surface. Further studies showed that membrane samples containing 1.5 wt% of modified silver nanoparticles, with a pure water flux of 60 LMH, had the highest percentage of pollutants (about 97%) and the lowest total fouling (about 27%) compared to other samples; Flux recovery in this membrane sample was about 90%. The initial contact angle was also reduced from 83 degrees to 57 degrees. Further investigation on fouling parameters showed that with increasing the amount of nanoparticles, these membranes show a slight decrease in the water flux. Moreover, irreversible fouling in neat sample changed to reversible fouling in modified membranes. Also, the study of fouling models showed that the neat membrane has a cake-type fouling, and in the case of membranes with pure silver nanoparticles, since the type of contaminant was constant, changing the type of fouling to a standard state indicates the entry of contaminants into the membrane cavities. Further, using the modified nanoparticles provided excellent overlap in the cake-type fouling model indicating that the pore size was reduced; nanocomposite membranes with modified silver nanoparticles have been very successful in removing contaminants and preventing their entrance into the membrane porous media.

بيوراكتور غشايي , غشاهاي اولترافيلتراسيون , پلي اترسولفون , نانوذرات نقره , اصلاح سطح

Membrane bioreactor , Ultrafiltration membranes , Poly ether sulfone , Silver nanoparticles , Surface modification