تهیه آزمایشگاهی غشای نانوفیلتراسیون ارتقا یافته متشکل از سلولز استات بوتیرات/ نانوذرات مکسین برای حذف رنگ و نمک از آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 استاد گروه مهندسی شیمی دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

در این پژوهش برای اولین بار نانوفیلترهای متشکل از پلیمر سلولزاستات بوتیرات و نانوذرات مکسین ساخته شده و برای حذف رنگ و نمک از آب مورد استفاده قرار گرفتند. به این منظور ابتدا نانوذرات مکسین از پیش ماده‌ی Ti3AlC2 سنتز شده و وجود ساختار لایه‌ای و نیز ایجاد گروه عاملی OH- در آنها‌ به اثبات رسید. سپس نانوفیلترهای سلولز استات بوتیرات در غلظت‌های 0 تا 4% وزنی از نانوذره ساخته شده و ارزیابی های مختلفی در خصوص آنها به انجام رسید. نتایج حاصله حاکی از افزایش تخلخل، کاهش زاویه تماس آب، افزایش شار آب و نیز ارتقای نسبت بازیابی شار غشاها با افزایش غلظت نانوذرات بود. همچنین با افزودن مکسین به پلیمر و افزایش غلظت آن تا 3% وزنی، ویژگی های مکانیکی، شامل استحکام کششی، مدول الاستیک و افزایش طول در نقطه ی شکست افزایش یافتند در حالی که افزایش بیش‌تر در غلظت نانوذره، افت این ویژگی‌ها را به دنبال داشت. در تمامی غشاها و تا سطح 3 درصد وزنی از نانوذرات، میزان دفع رنگ‌های متیلن آبی و متیل نارنجی و نیز نمک دو ظرفیتی، بالای 90% بود.

کلیدواژه‌ها


[1] T. Mohammadi, and E. Saljoughi (2009) “Effect of production conditions on morphology and permeability of asymmetric cellulose acetate membranes”. Desalination. 243. 1-7.
 
]2[ علی حسین زاده بهرمند (1395) "ساخت غشای پلی بوتیلن ساکسینات/سلولز استات/دکستران". پایان نامه کارشناسی ارشد، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد
 
[3] J.M.K. Timmer (2001) “Properties of nanofiltration membranes: model development and industrial application”. Technische Universiteit Eindhoven.
 
[4] Y.A.J. Al-Hamadani, B-M. Jun, M. Yoon, N. Taheri-Qazvini, S.A. Snyder, M. Jang, J. Heo, and Y. Yoon (2020) “Applications of MXene-based membranes in water purification: A review” Chemosphere. 254. 126821.
 
[5] B. Anasori, MR. Lukatskaya, and Y. Gogotsi (2017) “2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage”. Nature Reviews Materials. 2(2). 1-17.
 
[6] C.E. Ren, K.B. Hatzell, M. Alhabeb, Z. Ling, K.A. Mahmoud, and Y. Gogotsi (2015) “Charge-and size-selective ion sieving through Ti3C2T x MXene membranes”. The journal of physical chemistry letters. 6(20). 4026-4031.
 
[7] X. Wu, L. Hao, J. Zhang, X. Zhang, J. Wang, and  J. Liu (2016) “Polymer-Ti3C2Tx composite membranes to overcome the trade-off in solvent resistant nanofiltration for alcohol-based system”.  Journal of membrane science. 515. 175-188.
 
[8] R. Han, X. Ma, Y. Xie, D. Teng, and S. Zhang (2017) “Preparation of a new 2D MXene/PES composite membrane with excellent hydrophilicity and high flux”. Rsc Advances7(89). 56204-56210.
 
[9] A. Dashtbozorg, E. Saljoughi, S.M. Mousavi, S. Kiani (2022) “High-performance and robust polysulfone nanocomposite membrane containing 2D functionalized MXene nanosheets for the nanofiltration of salt and dye solutions” Desalination.527. 115600.
 
[10] W. Li, X. Tian, X. Li, J. Liu, C. Li, X. Feng, and Z.Z. Yu (2022) “An environmental energy-enhanced solar steam evaporator derived from MXene-decorated cellulose acetate cigarette filter with ultrahigh solar steam generation efficiency” Journal of Colloid and Interface Science. 606. 748-757.
 
[11] Q. Xue, and K. Zhang (2021) “MXene nanocomposite nanofiltration membrane for low carbon and long-lasting desalination”. Journal of Membrane Science. 640. 119808.
 
[12] L. Zhang, K. Wei, G. Zeng, Q. Lin, X. Liu, Y. Chen, and A. Sengupta (2021) “High-efficient oil/water separation membrane based on MXene nanosheets by co-incorporation of APTES and amine functionalized carbon nanotubes”. Journal of Environmental Chemical Engineering. 9(6). 106658.
 
[13] R.P. Pandey, P.A. Rasheed, T. Gomez, R.S. Azam, and K.A. Mahmoud (2020) “A fouling-resistant mixed-matrix nanofiltration membrane based on covalently cross-linked Ti3C2TX (MXene)/cellulose acetate ” Journal of Membrane Science. 607. 118139.
 
[14] R. Alfahel, R.S. Azzam, M. Hafiz, A.H. Hawari, R.P. Pandey, K.A. Mahmoud, and A.A. Elzatahry (2020) “Fabrication of fouling resistant Ti3C2Tx (MXene)/cellulose acetate nanocomposite membrane for forward osmosis application ”. Journal of Water Process Engineering. 38. 101551.
 
[15] M.H. Abbasi-Geravand, E. Saljoughi, S.M. Mousavi, and S.Kiani (2021) “Biodegradable polycaprolactone/MXene nanocomposite nanofiltration membranes for the treatment of dye solutions ”. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers.128.124-139.
 
[16] M. Naguib, O. Mashtalir, J. Carle, V. Presser, J. Lu, L. Hultman, and M.W.Barsoum (2012) “Two-dimensional transition metal carbides”. ACS nano. 6(2). 1322-1331.
 
]17[ احسان سلجوقی، وحیده غفاریان و احمد اخوت (1392) "فناوری ساخت، اصلاح و ارزیابی غشاهای پلیمری"، سازمان انتشارات جهاد دانشگاهی
 
[18] N.N. Li, A.G. Fane, W.W. Ho, and T. Matsuura (2011)  Advanced membrane technology and applications. John Wiley & Sons Publication.
 
[19] M. Han, X. Yin, H. Wu, Z. Hou, C. Song, X. Li, and L. Cheng  (2016) “Ti3C2 MXenes with modified surface for high-performance electromagnetic absorption and shielding in the X-band”. ACS applied materials & interfaces. 8(32). 21011-21019.
 
[20] Y. Gogotsi (2015) “Transition metal carbides go 2D”. Nature materials. 14(11). 1079-1080.
 
[21] R. Kefirov, E. Ivanova, K. Hadjiivanov, S. Dzwigaj, and M. Che (2008) “FTIR characterization of Fe 3+–OH groups in Fe–H–BEA zeolite: Interaction with CO and NO”. Catalysis letters. 125(3). 209-214.
 
[22] R. Rezaee, S. Nasseri, A.H. Mahvi, R. Nabizadeh, S.A. Mousavi, A. Rashidi, and S. Nazmara. (2015) “Fabrication and characterization of a polysulfone-graphene oxide nanocomposite membrane for arsenate rejection from water”. Journal of Environmental Health Science and Engineering. 13(1). 1-11.
 
[23] M.M. Pendergast, and E. M.Hoek (2011) “A review of water treatment membrane nanotechnologies”. Energy & Environmental Science. 4(6). 1946-1971.
 
[24] A. Rahimpour, and S.S.Madaeni (2007) “Polyethersulfone (PES)/cellulose acetate phthalate (CAP) blend ultrafiltration membranes: preparation, morphology, performance and antifouling properties”. Journal of Membrane Science. 305(1-2). 299-312.
 
[25] X.H. Zha, K. Luo, Q. Li, Q. Huang, J. He, X. Wen, and S. Du (2015) “Role of the surface effect on the structural, electronic and mechanical properties of the carbide MXenes”. EPL (Europhysics Letters). 111(2). 26007.
 
[26] E.M. Abdelrazek, I.S. Elashmawi, and S. Labeeb (2010) “Chitosan filler effects on the experimental characterization, spectroscopic investigation and thermal studies of PVA/PVP blend films”. Physica B: Condensed Matter. 405(8). 2021-2027.
 
[27] S. Cao, Y. Shi, and G. Chen (1998) “Blend of chitosan acetate salt with poly (N-vinyl-2-pyrrolidone): Interaction between chain-chain” Polymer Bulletin. 41(5). 553-559.
 
[28] D.A. Musale, and A. Kumar (2000) “Effects of surface crosslinking on sieving characteristics of chitosan/poly (acrylonitrile) composite nanofiltration membranes”. Separation and purification technology. 21(1-2). 27-37.
 
[29] A.R. Fajardo, L.C. Lopes, A.F. Rubira, and E.C.Muniz (2012) “Development and application of chitosan/poly (vinyl alcohol) films for removal and recovery of Pb (II)”. Chemical Engineering Journal. 183. 253-260.
 
[30] G.Z. Kyzas, and N.K. Lazaridis (2009) “Reactive and basic dyes removal by sorption onto chitosan derivatives”. Journal of Colloid and Interface Science. 331(1). 32-39..
 
[31] Y.Q. Wang, T. Wang, Y.L. Su, F.B. Peng, H. Wu, and Y.Z. Jiang (2005) “Remarkable reduction of irreversible fouling and improvement of the permeation properties of poly (ether sulfone) ultrafiltration membranes by blending with pluronic F127”. Langmuir. 21(25). 11856-11862.
 
[32] R.N. Maalige, K. Aruchamy, A. Mahto, V. Sharma, D. Deepika, D. Mondal, and S.K. Nataraj (2019) “Low operating pressure nanofiltration membrane with functionalized natural nanoclay as antifouling and flux promoting agent”. Chemical Engineering Journal. 358. 821–830.
 
[33] S. Kamari, and A. Shahbazi (2020) “Biocompatible Fe3O4@ SiO2-NH2 nanocomposite as a green nanofiller embedded in PES–nanofiltration membrane matrix for salts, heavy metal ion and dye removal: long–term operation and reusability tests”. Chemosphere. 243. 125282.
[34] S. Casanova, T.Y. Liu, Y.M.J. Chew, A. Livingston, and D. Mattia (2020) “High flux thin-film nanocomposites with embedded boron nitride nanotubes for nanofiltration”. Journal of Membrane Science. 597. 117749
 
[35] L. Chen, J.H. Moon, X. Ma, L. Zhang, Q. Chen, L. Chen, R. Peng, P. Si, J. Feng, Y. Li, J. Lou, and L. Ci (2018) “High performance graphene oxide nanofiltration membrane prepared by electrospraying for wastewater purification”. Carbon 130. 487–494.
 
[36] Y. He, Y.P. Tang, D. Ma, and T.S. Chung (2017) “UiO-66 incorporated thin-film nanocomposite membranes for efficient selenium and arsenic removal”. Journal of Membrane Science. 541, 262-270.
 
[37] F. Xiao, B. Wang, X. Hu, S. Nair, and Y. Chen (2018) “Thin film nanocomposite membrane containing zeolitic imidazolate framework-8 via interfacial polymerization for highly permeable nanofiltration”. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 83. 159-167.
 
[38] M. Peydayesh, T. Mohammadi, and O. Bakhtiari (2019) “Water desalination via novel positively charged hybrid nanofiltration membranes filled with hyperbranched polyethyleneimine modified MWCNT”. Journal of industrial and engineering chemistry. 69. 127-140.
 
[39] H. Li, W.Shi, Y.Su, H. Zhang, X. Qin (2017) “Preparation and characterization of carboxylated multiwalled carbon nanotube/polyamide composite nanofiltration membranes with improved performance”. Journal of Applied Polymer Science. 134(36). 45268.