عنوان

ساخت، ارزیابی و بهبود خواص و عملکرد غشاهای زمینه مختلط جذبی پلی‌وینیل‌کلراید با استفاده از نانورس در حذف آلاینده‎‌های کاتیونی از آب

۴۹۵۷پ

فارسی

ساخت، ارزیابی و بهبود خواص و عملکرد غشاهای زمینه مختلط جذبی پلی‌وینیل‌کلراید با استفاده از نانورس در حذف آلاینده‎‌های کاتیونی از آب

[پایان نامه]

مهسا طاهرنیا

صنعتی سهند

۱۳۹۸

۱۵۰ص.

مصور، جدول، نمودار

CD

کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی- فرایندهای جداسازی

۱۳۹۸/۰۳/۰۱

آلودگي محيط‌هاي آبي با فلزات سنگين، يكي از ره‌آوردهای صنعتي‌شدن اجتماعات بشري است که می‌تواند اثرات سوئی بر سلامتی انسان برجای‌گذارد. از بین روش‌های متعدد، فناوری فیلتراسیون غشایی و جذب سطحی را می‌توان به عنوان روش‌های مؤثر و کارآمد در راستای حذف فلزات سنگین از آب قلمداد کرد. با این وجود هر یک از این روش‌ها معایبی نظیر فشار عملیاتی بالا، مصرف بالای انرژی و یا نیاز به مرحله تصفیه ثانویه دارند. برای این منظور می‌بایست به دنبال روش‌های نوینی بود که در عین کارایی بالا، هزینه کمتری نیز داشته باشد. از این‌رو، با استفاده از غشاهای زمینه مختلط جذبی که تلفیقی از هر دو روش مذکور می‌باشد، می‌توان بر معایب و مشکلات این روش‌ها فائق آمد. در این روش، حضور افزودنیهایی در زمینه پلیمری غشا که قابلیت جذب آلاینده‌های کاتیونی را داشته باشند، قادر به حذف آلاینده‌ها در فشارهای عملیاتی پایین و در محدوده میکرو/ اولترافیلتراسیون (MF/UF) خواهند بود. استفاده از جاذب‌های مقرون به‌صرفه با ظرفیت جذب بالا و قابلیت توزیع مناسب در زمینه پلیمری از چالش‌های پیش‌رو در زمینه ساخت غشاهای زمینه مختلط جذبی می‌باشد. بدین جهت در تحقیق حاضر از نانوذرات رس معدنی مونت‌موریلونیت (Mt) به‌عنوان جاذب آلاینده‌های کاتیونی در زمینه پلیمری پلی‌وینیل ‌کلراید (PVC) استفاده شد. ازطرفی، اصلاح مونت‌موریلونیت با اسیدآمینه آسپارتیک‌اسید (Asp) به‌منظور بهبود خواص جذبی و پخش‌پذیری بهتر نانوذرات در زمینه پلیمری و همچنین به‌کارگیری خاصیت زویترویون اسیدهای ‌آمینه برای ایجاد قابلیت جذب و دفع هم‌زمان، راهکاری می‌باشد که در این تحقیق دنبال شده است. در پژوهش حاضر، ابتدا خواص جذبی نانورس خالص و اصلاح‌شده با آسپارتیک‌اسید (Mt-Asp) مقایسه شده و مشخصه‌یابی اصلاح آن توسط پراش پرتو ایکس (XRD) و طیف‌سنجی مادون قرمز (FTIR) مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس غشاهای حاوی 0/2-5/0 درصد وزنی نانوذرات ساخته شده و مشخصه‌یابی ساختاری و عملکردی غشاها با استفاده از میکروسکوپ گسیل میدانی (FESEM)، طیف‌سنجی توزیع انرژی پرتو ایکس (EDS) و آزمون‌های عبوردهی آب خالص، استحکام کششی، زاویه تماس و تخلخل‌سنجی صورت گرفت. در نهایت آزمایش‌های مربوط به جذب استاتیکی و دینامیکی غشاها با محلول کروم (III) و آنالیز طیف‌سنجی جذب اتمی (AAS) انجام شد. بر اساس نتایج، فاصله بین لایههای رس از Å 76/11 به Å 13/13 افزایش یافت. با بررسی تأثیر pH بر میزان جذب، 5=pH به عنوان شرایط بهینه انتخاب شد. همچنین نتایج به‌دست آمده حاکی از بهبود شار آب خالص و آب‌دوستی غشاهای زمینه مختلط جذبی بود. ازطرفی مشاهده شد که میزان پخش‌پذیری Mt-Asp در زمینه پلیمری تا 5/1 درصدوزنی بهتر از نانورس خالص بود. برازش داده‌های جذب تعادلی و سینتیکی غشاهای ساخته شده با مدل‌های جذب لانگمویر و سینتیکی شبه مرتبه دوم مطابقت بهتری داشت. برای ارزیابی عملکردی دینامیکی در فیلتراسیون انتها بسته، غشاهای حاوی 0/1 و 5/1 درصدوزنی نانوذرات انتخاب شدند. بر اساس نتایج حاصل‌شده، غشای حاوی 5/1 درصدوزنی Mt-Asp با قابلیت حذف کروم بالای 90% و شار تراوه L/m2 630 به ازای 50 دقیقه، بهترین عملکرد را از خود نشان داد. در نهایت غشای حاوی 5/1 درصدوزنی Mt-Asp به‌عنوان غشای بهینه جهت انجام آزمایش‌های احیا در دو مرحله و فیلتراسیون حذف کروم از پساب صنعتی انتخاب شد. در این حالت شار تراوه L/m2 160 به ازای یک ساعت حاصل شد.

Contamination of drinking water with heavy metals is a result of industrial societies and one of the industrialization strategies of human societies is that it can have an adverse effect on human health. Among different methods, membrane filtration and absorption technology can be considered as efficient and effective ways to remove heavy metals from water. However, each method has disadvantages such as high operating pressure, high energy consumption, or the need for a second purification step. Therefore, we should look for new ways that cost less at the same high efficiency. Hence, using adsorptive mixed matrix membranes, which is a combination of both methods, can be overcome on the disadvantages and problems of these methods. In this method, the presence of additives in the matrix of the polymeric membrane which can absorb cationic contaminants will be able to remove contaminants at low operating pressures and within the range of micro/ ultrafiltration (MF/UF). The use of low-cost adsorbents with high absorption capacity and good distribution capabilities in the polymeric matrix is one of the challenges in the fabrication of adsorptive mixed matrix membrane. Therefore, in the present study, mineral montmorillonite (Mt) nanoparticles were used as cationic contamination adsorbent in the polymeric matrix of polyvinyl chloride (PVC). On the other hand, the modification of montmorillonite with aspartic acid (Asp) as an amino acid has been done in order to improve the absorption properties and better distribution of nanoparticles in the polymeric matrix, furthermore, the use of the zwitterion properties of amino acids for simultaneous absorption and desorption. In the current study, at the first part, absorbance properties of neat and modified nanoclay with Aspartic acid compared and modified nanoclay was characterized by X-ray diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Then, membranes were fabricated with 0.5 to 2.0 wt.% nanoparticles and structural and functional analysis of membranes were investigated by field emission electron microscopy (FESEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), pure water flux, tensile strength, contact angle and porosity measurement. Moreover, the static and dynamic absorption of membranes with chromium (III) and atomic absorption spectroscopy (AAS) analysis were carried out. Based on the results, the spacing between the layers of clay was increased from 11.76 Å to 13.13 Å. By analyzing the effect of pH on adsorption, pH = 5 was selected as optimum conditions. The results showed that the pure water flux and hydrophilic properties of adsorptive mixed matrix membrane were improved. Furthermore, it was observed that the Mt-Asp distribution in the polymeric matrix up to 1.5wt.% was better than pure nanoclay. The fitting of the equilibrium and kinetic absorption data of the membranes constructed with Langmuir and kinematic adsorption models of the pseudo-second-order was better. Membranes containing 1.0 and 1.5 wt.% nanoparticles were selected for evaluation of dynamic performance in dead-end filtration. Based on obtained results, the membrane containing 1.5 wt.% Mt-Asp with the ability to remove chromium above 90% and the 630 L/m2 permeate flux in 50 min has the best performance. Finally, the membrane containing 1.5 wt.% Mt-Asp was selected as the optimal membrane for two-step regeneration tests and filtration of chromium removal from industrial effluent. In this case, the permeate flux was obtained about 160 L/m2 per hour.

Preparation, Characterization and Improvement of Properties and Performance of Nanoclay Embedded Polyvinyl Chloride Adsorptive Mixed Matrix Membranes for the Removal of Cationic Contaminants from Water

غشاهای زمینه مختلط جذبی

فلزات سنگین

پلی‌وینیل ‌کلراید

مونت‌موریلونیت

غشاهای زمینه مختلط جذبی، فلزات سنگین، کروم (III)، پلی‌وینیل ‌کلراید، مونت‌موریلونیت، آسپارتیک‌اسید

Adsorptive mixed matrix membrane, Heavy metals, Chromium (III), Polyvinyl chloride, Montmorillonite, Aspartic acid

طاهرنیا، مهسا

یگانی

اکبری

سالم

، رضا

، علی

، امین

استاد راهنما

استاد راهنما

استاد مشاور

صنعتی سهند

ایران

دانشگاه صنعتی سهند

شیمی، ۲۱۱۲۱، ۱۳۹۸

p

TF

92029

a

Y