عنوان

ساخت، ارزیابی و بررسی عملکرد غشاهای نانوکامپوزیتی پلی‌وینیلیدن‌فلوراید (PVDF) با خاصیت ضدگرفتگی جهت استفاده در سیستم‌های بیوراکتور غشایی

IR

۴۱۹۷پ

فارسی

IR

ساخت، ارزیابی و بررسی عملکرد غشاهای نانوکامپوزیتی پلی‌وینیلیدن‌فلوراید (PVDF) با خاصیت ضدگرفتگی جهت استفاده در سیستم‌های بیوراکتور غشایی

[پایان‌نامه]

Preparation, Characterization and Performance Evaluation of Nanocomposite Anti-fouling Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) Membranes to be Used in the Membrane Bioreactor (MBR) System

/مینا احسنی

: مهندسی شیمی

، ۱۳۹۹

۱۴۴ص.

:

زبان: فارسی

زبان چکیده: فارسی

چاپی - الکترونیکی

مصور، جدول، نمودار

دکتری

مهندسی شیمی

۱۳۹۹/۱۱/۰۱

صنعتی سهند

در پروژه حاضر، در قدم اول، نانوذراتSiO- Ag۲ با موفقیت سنتز شده و خاصیت ضدباکتری آن‌ها با استفاده از روش شمارش تجمع‌های باکتریایی ظرف تأیید شد .سپس، از نانوذراتSiO- Ag۲ برای تهیه غشاهای نانوکامپوزیتیSiO- PVDF/Ag۲ استفاده شد .برای بررسی و مقایسه عملکرد غشاهای خالص و نانوکامپوزیتی، آزمون‌های اندازه‌گیری عبوردهی آب خالص، زاویه تماس و مقاومت مکانیکی انجام شد .جهت بررسی ساختار سطحی و داخلی غشاهای تهیه‌شده، تصاویر سطح و سطح‌مقطع غشاها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) گرفته شد .جهت ارزیابی خاصیت ضدگرفتگی غشاهای تهیه‌شده، آزمون فیلتراسیون طولانی‌مدت در یک سیستم بیوراکتور غشایی (MBR) غوطه‌ور، با مقیاس آزمایشگاهی، که با فاضلاب واقعی داروسازی خوراک‌دهی می‌شد، انجام گرفت .در مقایسه با غشای PVDF خالص، شار آب خالص غشای( ۰/۶ درصد وزنیSiO-( PVDF/Ag۲ حدود ۶۰ افزایش یافته و زاویه تماس آب از حدود ░ ۹۹ به حدود ░ ۸۹ کاهش یافت .نتایج بدست‌آمده نشان داد که غشای نانوکامپوزیتیSiO- PVDF/Ag۲ ویژه‌گی ضدگرفتگی قابل توجهی دارد، به‌طوری که بیوفیلم و مواد پلیمری برون سلولی (EPS) انباشته‌شده بر سطح غشای نانوکامپوزیتی( ۰/۶ درصد وزنیSiO-( PVDF/Ag۲ نسبت به غشای خالص به میزان قابل‌توجهی کاهش یافته است .به‌علاوه، نسبت بازیابی شار از ۵۸ برای غشای PVDF خالص به ۷۶ برای غشای نانوکامپوزیتی( ۰/۶ درصد وزنیSiO-( PVDF/Ag۲ افزایش یافته است .آنالیز طیف‌سنجی فلورسانس ماتریس تحریک و انتشار (EEM) نشان داد که نه‌تنها ماهیت EPS تجمع‌یافته بر سطح غشای نانوکامپوزیتی( ۰/۶ درصد وزنیSiO-( PVDF/Ag۲ با EPS تجمع‌یافته بر سطح غشای PVDF خالص متفاوت است، بلکه میزان پروتئین انباشته شده بر سطح غشای نانوکامپوزیتی به‌طور قابل‌توجهی کمتر از غشای خالص است، که نشان‌دهنده بهبود خاصیت ضدگرفتگی بیولوژیکی غشای نانوکامپوزیتی می‌باشد .در قدم دوم، نانوذراتSiO- Ag۲-PVP، طی چهار مرحله با موفقیت سنتز شدند .در مرحله اول، گروه‌های عاملی هیدروکسیل بر سطح نانوذرات سیلیکا توسط محلول سدیم هیدروکسید ایجاد شدند .در مرحله دوم، سیلان‌دار کردن نانوذرات سیلیکا، با هدف ایجاد گروه‌های عاملی وینیل بر سطح نانوذرات، با نسبت‌های وزنی مختلف ترکیب سیلانی وینیل‌تری‌متوکسی‌سیلان (VTS) به نانوذرات انجام شد .نتایج بدست‌آمده از آزمون وزن‌سنجی حرارتی (TGA) نشان داد که با افزایش نسبت وزنی VTS به نانوذرات از ۰/۵:۱ به ۱:۲ مقدار گروه‌های عاملی وینیل بر روی سطح نانوذرات سیلیکا از ۵/۳ به ۱۱/۴درصدوزنی افزایش می‌یابد، در حالی که طبق نتایج بدست‌آمده از آزمون پخش نور پویا (DLS) کلوخه‌شدن نانوذرات نیز رخ نمی‌دهد .در مرحله سوم، رشته‌های پلیمر پلی‌وینیل‌پیرولیدن(PVP) ، با استفاده از روش پلیمریزاسیون پیوندزنی-مستقیم، جهت دست‌یابی به سیلیکای پیوند زده شده باPVP (SiO ۲-PVP)، به نانوذرات سیلیکای وینیل‌دارشده(SiO ۲- Vinyl)پیوند زده شدند .طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه(FTIR) ، TGA و آنالیز DLS سنتز موفق رشته‌های پلیمر PVP بر روی نانوذرات سیلیکا را تأیید کردند .طبق نتایج بدست‌آمده از TGA افزایش میزان گروه‌های عاملی وینیل بر سطح نانوذرات سیلیکا باعث افزایش قابل ملاحظه‌ای در میزان پلیمر پیوند زده‌شده بر سطح نانوذرات سیلیکا نشده است، به‌طوری که میزان رشته‌های پلیمر پیوند زده‌شده بر سطح نانوذرات( ۰/۵:۱( SiO۲-PVP،( ۱:۱( SiO۲- PVPو( ۲:۱( SiO۲- PVPبه ترتیب برابر ۵/۵، ۴/۸ و ۵/۱ درصد وزنی می‌باشد .در مرحله چهارم، با سنتز نانوذرات نقره بر سطح نانوذراتSiO ۲- PVPنانوذراتSiO- Ag۲- PVPبا خاصیت آب‌دوستی و ضدباکتری تهیه شدند .طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس (EDX) نشان داد که بیشترین میزان پیوند نانوذرات نقره بر روی نانوذراتSiO ۲- PVPمقدار ۴/۶۴ درصد وزنی بوده و برای نانوذرات( ۱:۲( SiO۲- PVPبا بیشترین مقدار گروه‌های وینیل حاصل شده است .از طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) نیز برای شناسایی عناصر و ساختار شیمیایی آن‌ها در نانوذرات سنتزشده استفاده شد که تاییدی بر سنتز موفق نانوذرات در هر مرحله و همچنین پیوند شیمیایی نانوذرات نقره با سطح نانوذرات سیلیکا می‌باشد .آزمون شمارش تجمع‌های باکتریایی ظرف، برای ارزیابی اثرات ضدباکتری نانوذراتSiO- Ag۲-PVP، نشان داد که نانوذرات سنتزشده فعالیت باکتری‌های E. coli و S. aureus را به ترتیب به ۱۰ و ۸ کاهش داده است .از نانوذراتSiO- Ag۲- PVPبرای تهیه غشاهای نانوکامپوزیتیSiO- PVDF/Ag۲- PVPاستفاده شده و عملکرد آن‌ها با غشاهای نانوکامپوزیتیSiO- PVDF/Ag۲ مقایسه شد .اندازه‌گیری عبوردهی آب خالص، زاویه تماس، مقاومت مکانیکی و همچنین آزمونSEM - FEبرای ارزیابی غشاهای ساخته شده انجام شد .نتایج بدست‌آمده نشان داد که با افزودن نانوذراتSiO- Ag۲- PVPبه ماتریس غشای PVDF عبوردهی آب خالص ازl/m ۲ h۶۷ برای غشای خالص بهl/m ۲ h۸۵ برای غشای نانوکامپوزیتی( ۰/۳ درصد وزنیSiO-( PVDF/Ag۲- PVPافزایش یافت .همچنین، زاویه تماس و مقاومت مکانیکی برای غشای نانوکامپوزیتی( ۰/۳ درصد وزنیSiO-( PVDF/Ag۲- PVPنسبت به غشای PVDF خالص، به ترتیب حدود ░ ۲۲ کاهش و MPa ۰/۵ افزایش یافته است .مقایسه نتایج بدست‌آمده نشان داد که غشاهایSiO- PVDF/Ag۲- PVPبه‌دلیل حضور پلیمر PVP پیوند زده‌شده بر سطح نانوذراتSiO- Ag۲- PVPدارای عبوردهی آب خالص بالاتر، زاویه تماس پایین‌تر و مقاومت مکانیکی بالاتری نسبت به غشاهایSiO- PVDF/Ag۲ می‌باشند .فرآیند فیلتراسیون طولانی‌مدت در سیستم بیوراکتور غشایی توسط غشاهای خالص و نانوکامپوزیتی جهت ارزیابی عملکرد ضدگرفتگی غشاهای تهیه‌شده، انجام شد .در مقایسه با غشاهای خالص و نانوکامپوزیتیSiO- PVDF/Ag۲ غشای نانوکامپوزیتیSiO- PVDF/Ag۲- PVPخاصیت ضدگرفتگی بهتری را در قالب شار بحرانی بالاتر، عبوردهی بالاتر در طول فیلتراسیون لجن فعال، EPS تجمع‌یافته کمتر بر سطح غشا و نسبت بازیابی شار بالاتر نشان داد

and increased about 0.5 MPa, respectively. Comparing the obtained results revealed that PVDF/Ag-SiO2-PVP membranes due to the presence of the grafted PVP polymer onto the Ag-SiO2-PVP nanoparticles exhibit higher pure water permeability, lower contact angle and higher mechanical strength compared with PVDF/Ag-SiO2 membrane. A long-term sludge filtration prosses was carried out by the pure and nanocomposite membranes to evaluate the antifouling performance of the prepared membranes. In comparison with the neat and PVDF/Ag-SiO2 membranes PVDF/Ag-SiO2-PVP membranes showed improved antifouling properties in terms of higher critical flux, higher flux during MBR filtration, lower accumulated EPSs on the surface of the membrane and higher flux recovery ratio ░ . The obtained results showed that the nanocomposite PVDF/Ag-SiO2 membrane exhibits considerable antibiofouling properties such that the accumulated dried biofilm as well as the extra cellular polymeric substances (EPSs) on the surface of the nanocomposite PVDF/Ag-SiO2 (0.6 wt. ) membrane decreased considerably compared with the neat membrane. Moreover, the flux recovery ratio increased from 58 for the neat PVDF membrane to 76 for the nanocomposite PVDF/Ag-SiO2 (0.6 wt. ) membrane. The excitation and emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy analysis revealed that, not only the composition of the accumulated EPS on the surface of the PVDF/Ag-SiO2 (0.6 wt. ) membrane is different from the EPS accumulated on the surface of the neat membrane, but also the accumulated protein on the surface of the nanocomposite membrane decreased considerably compared with the neat membrane, indicating the improvement in the antibiofouling property of the nanocomposite membrane. In the second phase, Ag-SiO2-PVP nanoparticles were successfully synthesized in four steps. In the first step, hydroxyl groups were synthesized on the surface of the silica nanoparticles using sodium hydroxide solution. In the second step, silanization of the silica nanoparticles was performed by using different weight ratios of the vinyltrimethoxysilane (VTS) to nanoparticles to generate vinyl groups onto the surface of the nanoparticles. Thermal gravimetric analysis (TGA) results showed that by increasing the weight ratio of VTS to nanoparticles from 0.5:1 to 2:1, the amount of the vinyl groups on the surface of the silica nanoparticles increased from 5.3 to 11.4 weight percent, while according to dynamic light scattering (DLS) analysis results nanoparticles agglomeration did not occur. In the third step, poly(vinylpyrrolidone) PVP brushes were grafted onto the silanized silica nanoparticles (SiO2-VTS) via grafting-through polymerization method to obtain PVP-grafted silica nanoparticles (SiO2-PVP). Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, TGA and DLS analysis confirmed the successful synthesis of the PVP brushes onto the silica nanoparticles. According to the TGA results, increasing the amount of the vinly groups onto the surface of the silica nanoparticles didnt result in considerable increment in the amount of the grafted polymer onto the surface of the nanoparticles, so that the amount of the grafted polymer onto the surface of the SiO2-PVP (0.5:1), SiO2-PVP (1:1) and SiO2-PVP (2:1) nanoparticles is 5.5, 4.8 and 5.1, respectively. In the fourth step, by synthesizing silver nanoparticles onto the surface of the SiO2-PVP nanoparticles, Ag-SiO2-PVP nanoparticles with hydrophilic and antibacterial properties were prepared. Energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy showed that highest amount of the silver nanoparticles grafting onto the SiO2-PVP nanoparticles was about 4.64 weight percentage which obtained for the SiO2-PVP (2:1) nanoparticles with highest content of the vinyl groups. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to identify the elements and their chemical structure in the synthesized nanoparticles which confirms successful synthesis of the nanoparticles in each step and chemical bonding of the silver nanoparticles with silica nanoparticles. Plate colony counting test was applied for assessing the antibacterial effects of the Ag-SiO2-PVP nanoparticles revealed that the synthesized nanoparticles have reduced the activity of the E. coli and S. aureus bacteria to 10 and 8 , respectively. Ag-SiO2-PVP nanoparticles were used to prepare PVDF/Ag-SiO2-PVP nanocomposite membranes and their performance were compared with PVDF/Ag-SiO2 nanocomposite membranes. Pure water flux, contact angle and mechanical strength measurement as well as FE-SEM analysis were conducted to characterize prepared membranes. Obtained results showed that, by the addition of the Ag-SiO2-PVP nanoparticles into the PVDF membrane matrix pure water flux has increased from 67 l/m2h for neat PVDF membrane to 85 l/m2h for PVDF/Ag-SiO2-PVP (0.3 wt. ) membrane. Moreover, contact angle and mechanical strength for nanocomposite PVDF/Ag-SiO2-PVP (0.3 wt. ) membrane compared with neat PVDF membrane has decreased about 22░ to 89 ░ In this study, In the first phase, Ag-SiO2 nanoparticles were successfully synthesized and their antibacterial property was confirmed using the plate colony counting method. Ag-SiO2 nanoparticles were then used to prepare PVDF/Ag-SiO2 nanocomposite membranes. Pure water flux, contact angle and mechanical strength measurement analyses were conducted to characterize and compare the performance of the neat and nanocomposite membranes. To investigate the surface and internal structure of the prepared membranes, surface and cross-section images of the membranes was obtained using scanning electron microscope (SEM). A long-term filtration test was carried out in a bench scale submerged membrane bioreactor (MBR) system, fed by real pharmaceutical wastewater, to evaluate the antibiofouling performance of the prepared membranes. In comparison to the neat PVDF, the pure water flux of the PVDF/Ag-SiO2 (0.6 wt. ) increased about 60 and the water contact angle decreased from about 99

ba

Preparation, Characterization and Performance Evaluation of Nanocomposite Anti-fouling Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) Membranes to be Used in the Membrane Bioreactor (MBR) System

غشای پلی‌وینیلیدن‌فلورایدPVDF))

غشای نانوکامپوزیتی

نانوذرات ضدباکتری

نانوذرات سیلیکا

نانوذرات نقره

پلی‌وینیل‌پیرولیدنPVP))

بیوراکتور غشایی

خاصیت ضدگرفتگی

Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membrane, Nanocomposite membrane, Anti-bacterial nanoparticles, Silica nanoparticles, Silver nanoparticles, Poly(vinylpyrrolidone) (PVP), Membrane bioreactor, Anti-fouling property :

غشای پلی‌وینیلیدن‌فلوراید(PVDF)، غشای نانوکامپوزیتی، نانوذرات ضدباکتری، نانوذرات سیلیکا، نانوذرات نقره، پلی‌وینیل‌پیرولیدن(PVP)، بیوراکتور غشایی، خاصیت ضدگرفتگی

احسنی، مینا

یگانی، رضا، استاد راهنما

حضرتی، حسین، استاد راهنما

جعفری‌راد، عباس، استاد مشاور

ایران

20230912

شیمی ،۲۰۹۶۲ ،۱۳۹۹

ت‌خاس‍، دیارولفن‌دیلینیوی‌لپ‍ ی‌تیزوپماکونان‍ ی‌اهاشغ‍ درکلمع‍ ی‌سررب‍ و ی‌بایزرا (PVDF) ی‌یاشغ‍ روتکارویب‍ ی‌اهم‌تسیس‍ رد ه‌دافتسا ت‌هج‍ ی‌گتفرگدض‍ ت‌یصاخ‍ اب‍.pdf

عادی

عادی

4197.pdf

pch20962.pdf

0

ایمانی

متن

0

پ۴۱۹۷

فارسی

نمایه‌سازی قبلی

pe

TF

92029

1

a

Y