27582

ساخت و ارزيابي غشاي نانو‌كامپوزيتي لايه نازك نانوفيلتراسيون پي‌وي‌سي بهبود يافته با كمك نانوذرات معدني و چارچوب‌هاي آلي-فلزي

دكتري

مهندسي شيمي

1398

1401/08/30

تورج محمدي

مريم احمدزاده توفيقي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در پروژه حاضر به يكي از معضلات فناوري‌هاي غشايي در شيرين‌سازي آب پرداخته شده است. وجود عنصر بور در آب دريا و ضعف غشاهاي اسمز معكوس در حذف آن مي تواند سبب بروز اختلالات عصبي، سردرد و در غلظت هاي بالا، باعث ايجاد سرطان در انسان شود. از اين رو، حذف بور مخصوصا براي ساكنين مناطق ساحلي كه از آب آشاميدني كه از آب‌شيرين كن‌ها تهيه مي شود استفاده مي كنند، اهميت زيادي دارد. بور در طبيعت به خصوص در آب دريا به حالت بوريك اسيد وجود دارد و به دليل اندازه كوچك مولكول هاي خنثي آن، حذف آن نياز به pH بازي بيش از 9.5 دارد تا مولكول هاي داراي بار منفي آن توسط غشا دفع شوند. در اين تحقيق، غشايي با لايه انتخاب پذير نانوكامپوزيتي بر روي غشاي زير لايه داراي نانوذرات جاذب شامل نانورس بنتونيت و هيدروكسيد دوگانه لايه اي (LDH) ساخته شد كه لايه انتخاب پذير حاوي چارچوب هاي آلي-فلزي (MOF) UiO-66 خالص و اصلاح‌شده مي باشد. UiO-66 موجود در لايه گزينش‌گر توانايي به دام انداختن مولكول بوريك اسيد را داشته و در ادامه آلاينده عبور كرده از لايه گزينش‌گر، توسط نانوذرات جاذب موجود در زير‌لايه جذب مي شود. نتايج نشان داد كه غشاي زير‌لايه اولترافيلتراسيون حاوي 2 درصد وزني LDH توانايي حذف بوريك اسيد در pH خنثي را تا 43 درصد دارد. در مقابل، غشاي حاوي 1.5 درصد وزني بنتونيت، توانايي حذف 38 درصدي بور را دارد و در تركيب درصد بالاتر، به دليل كلوخه شدن نانوذرات، توانايي جذب آلاينده توسط غشا كاهش مي يابد. در ادامه، در اقدامي نوين، UiO-66 به دو روش جديد با استفاده از تري اتيل آمين (TEA) و پلي اتيلن ايمين (PEI) از روش تنيدگي در ساختار چارچوب آلي-فلزي اصلاح شد. حضور گروه هاي عاملي آميني حاصل از اصلاح سبب شد تا حفرات MOFها كوچك تر شوند و توانايي حذف بور توسط غشاي نانوفيلتراسيون در فشار bar4 تا 87.5 درصد در pH خنثي و تا 91 درصد در pH بازي كه در آن بوريك‌اسيد يونيزه شده و اندازه مولكول هاي آن تا nm 0.59 افزايش يافته، افزايش يابد. همچنين به منظور بررسي رفتار مولكول ها در عبور از لايه انتخاب پذير و MOF ها، شبيه سازي ديناميك مولكولي صورت گرفت كه نتايج حاصل نشان داد در حالت pH خنثي ضريب نفوذ بوريك‌اسيد از لايه انتخاب پذير پلي آميدي تفاوتي با مولكول هاي آب ندارد در صورتي كه ضريب نفوذ بوريك اسيد در MOF هاي اصلاح شده با PEI در حالت خنثي 60 درصد كمتر از ضريب نفوذ مولكول آب است كه به دليل حفرات كوچكتر MOF هاي اصلاح شده مي باشد. از طرفي در pH بازي ميزان ضريب نفوذ مولكول بورات تا 90 درصد كمتر از مولكول آب مي باشد. با توجه به محدوديت هاي نرم افزارهاي ديناميك مولكولي، اين شبيه سازي براي شرايط ايده ال در شرايطي كه لايه انتخاب پذير پلي آميد و MOF ها به صورت جداگانه عمل كنند بررسي شده است.

1401/10/03

Fabrication and characterization of thin-film nanocomposite nanofiltration PVC hollow fiber membrane enhanced by mineral nanoparticle and metal-organic framework

11/21/2022 12:00:00 AM

In this study one of the most important drawbacks of membrane desalination processes has been studied. The presence of boron in the sea water and the weakness of reverse osmosis membranes in its removal can cause neurosis, headaches and, in high concentrations, cancer. Therefore, the removal of boron is important for the residents of coastal areas who use drinking water treated from desalination plants. Boron exists in nature, especially in the sea water, in the form of boric acid, and due to the small size of its non-polar molecules, its removal requires an alkaline pH of more than 9.5 so that it changes into the form of borate and its negatively charged molecules only then can be removed by the RO membrane. In this research, a membrane with a nanocomposite selective layer was made on the sublayer membrane with absorbent nanoparticles including bentonite nanoclay and layered double hydroxide (LDH), and the selective layer contains neat and modified metal-organic frameworks (MOF) of UiO- 66 in its thin film nanocomposite structure. The UiO-66 present in the selective layer has the ability to entrap the boric acid molecule and if any pollutant passes through the selective layer, it would be absorbed by the absorbent nanoparticles in the support layer. The results showed that the ultrafiltration membranes containing 2 wt.% of LDH has the ability to remove boric acid at neutral pH up to 43%. On the other hand, the membrane containing 1.5 wt.% of bentonite were able to remove 38% of boron, and in the composition of a higher percentage, due to the agglomeration of nanoparticles, the ability to absorb pollutants by the membrane decreases. In a novel attempt, UiO-66 was modified by two new modifiers using triethylamine (TEA) and polyethyleneimine (PEI). The presence of amine functional groups resulting from the modification made the pores of MOFs smaller and the ability to remove boron by nanofiltration membrane at 4 bar pressures up to 87.5% at neutral pH and up to 91% at alkaline pH where boric acid is ionized and the size of its molecules increased to 0.59 nm. Also, in order to investigate the behavior of molecules in passing through the selective layer and MOFs, molecular dynamics simulation was conducted, and the results showed that in the neutral pH, the diffusion coefficient of boric acid through the selective polyamide layer is different from that of water molecules. On the other hand, the diffusion coefficient of boric acid in MOFs modified with PEI in neutral state is 60% lower than the diffusion coefficient of water molecules, which is due to the smaller pores of modified MOFs. On the other hand, at alkaline pH, the diffusion coefficient of borate molecules is 90% lower than that of water molecules. Considering the limitations of molecular dynamics software, this simulation has been investigated for ideal conditions in which the selective layer of polyamide and MOFs perform separately.

غشاي اولترافيلتراسيون جذبي , لايه فعال نانوكامپوزيتي , چارچوب آلي-فلزي , نانورس بنتونيت و هيدروكسيد دوگانه لايه اي , بور

Adsorptive ultrafiltration membrane , thin film nanocomposite selective layer , Metal-organic framework , Bentonite and LDH nanoclay , Boron

Sanaz Ghiasi

Toraj Mohammadi