بررسی تاثیر ابعاد نانو مواد CuO در بهبود خواص آبدهی و گرفتگی غشا اولترافیلتراسیون نانوکامپوزیت PVDF در تصفیه فاضلاب شهری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری دانشکده عمران، آب و مهندسی محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

2 استادیار دانشکده عمران، آب و مهندسی محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

3 کارشناس پژوهشی و سرپرست گروه فرآیندهای تصفیه، مرکز تحقیقات آب و فاضلاب، موسسه تحقیقات آب، تهران، ایران.

چکیده

در سال‌های اخیر، استفاده از پلیمر PVDF در ساخت غشای اولترافیلتراسیون مورد توجه محققین صنعت آب و فاضلاب قرارگرفته است. با این‎حال خاصیت آب‌گریزی پلیمر PVDF چالش‌های اجرایی و بهره‎برداری به‎همراه داشته است. این مطالعه اثربخشی نانوذرات CuO در سه نوع شکل هندسی (نانو ذره، نانو صفحه، نانو توپی) به‌منظور اصلاح ساختار آب‌گریز پلیمر PVDF را مورد ارزیابی قرار می‌دهد. در این پژوهش، نانو ذرات به‎روش هیدروترمال در ابعاد و اندازه‌های مختلف سنتز شده و مورد شناسایی و مشخصه‎یابی قرارگرفتند. غشای اولترافیلتراسیون در حضور  PVDF(wt %16)، PVP (wt 1%) و نانو ذرات اکسید مس (wt %1) به‎روش وارونگی فاز ساخته شد. نتایج مشخصه‎یابی نشان‎داد که نانو مواد صفحه‌ای به‌خوبی در ساختار غشا پراکنده شده است. هم‎چنین میزان آب‎دهی و پس‎زنی پروتئین BSA در غشای حاوی نانو صفحات به‎ترتیب LMH 263 و %98 بوده و نسبت به سایر نانو کامپوزیت‌ها میزان کمتری BSA به سطح غشا رسوب کرده است. هم‎چنین، میزان رهاسازی یون مس در آب خروجی از غشا در حد استاندارد بوده است که نشان‎دهنده پایداری CuO در ساختار غشا است. براین اساس، نانو مواد صفحه‌ای به‌مراتب عملکرد بهتری در اصلاح نانو کامپوزیت‌های پلیمری دارند.

کلیدواژه‌ها


دولتشاه, م.، عطایی, م.، و اسدی، آ.، (1401)، "مروری بر عملکرد غشاهای اصلاح‌شده پلیمری اولترافیلتراسیون به‌منظور کاهش گرفتگی در تصفیه پساب"، علوم و مهندسی آب و فاضلاب, 7(4), 17–29.
هاشم زاده، ف.، و اکبرزاده، ع.، (1401)، "بررسی عملکرد بیورآکتور مستغرق غشایی (SMBR) در تصفیه فاضلاب‌های شهری و نساجی شاهین‌شهر اصفهان"، علوم و مهندسی آب و فاضلاب, 7(3), 72–84.
Alighardashi, A., Pakan, M., Jamshidi, S., and Shariati, F.P., (2017), “Performance evaluation of membrane bioreactor (MBR) coupled with activated carbon on tannery wastewater treatmenty”, Membrane Water Treatment, 8(6), 517-528, https://doi.org/10.12989/mwt.2017.8.6.517.
Alpatova, A., Meshref, M., McPhedran, K.N., and Gamal El-Din, M., (2015), “Composite polyvinylidene fluoride (PVDF) membrane impregnated with Fe2O3 nanoparticles and multiwalled carbon nanotubes for catalytic degradation of organic contaminants”, Journal of Membrane Science, 490, 227-235, https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.05.001.
Baghbanzadeh, M., Rana, D., Matsuura, T., and Lan, C.Q., (2015), “Effects of hydrophilic CuO nanoparticles on properties and performance of PVDF VMD membranes”, Desalination, 369, 75-84, https://doi.org/10.1016/j.desal.2015.04.032.
Beygmohammdi, F., Nourizadeh Kazerouni, H., Jafarzadeh, Y., Hazrati, H., and Yegani, R., (2020), “Preparation and characterization of PVDF/PVP-GO membranes to be used in MBR system”, Chemical Engineering Research and Design, 154, 232-240, https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.12.016.
Cao, X., Ma, J., Shi, X., and Ren, Z., (2006), “Effect of TiO2 nanoparticle size on the performance of PVDF membrane”, Applied Surface Science, 253(4), 2003-2010, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.03.090.
Goh, P.S., Ng, B.C., Lau, W.J., and Ismail, A.F., (2015), “Inorganic nanomaterials in polymeric ultrafiltration membranes for water treatment”, Separation and Purification Reviews, 44(3), 216-249, https://doi.org/10.1080/15422119.2014.926274.
Hu, M., Zhong, K., Liang, Y., Ehrman, S.H., and Mi, B., (2017), “Effects of particle morphology on the antibiofouling performance of silver embedded polysulfone membranes and rate of silver leaching”, Industrial and Engineering Chemistry Research, 56(8), 2240-2246, https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b04934.
Jia, H., Wu, Z., and Liu, N., (2017), “Effect of nano-ZnO with different particle size on the performance of PVDF composite membrane”, Plastics, Rubber and Composites, 46(1), 1-7, https://doi.org/10.1080/14658011.2016.1245032.
Korkmaz, Ş., Geçici, B., Korkmaz, S. D., Mohammadigharehbagh, R., Pat, S., Özen, S., Şenay, V., and Yudar, H.H., (2016), “Morphology, composition, structure and optical properties of CuO/Cu2O thin films prepared by RF sputtering method”, Vacuum, 131, 142-146, https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.06.010.
Liang, S., Xiao, K., Mo, Y., and Huang, X., (2012), “A novel ZnO nanoparticle blended polyvinylidene fluoride membrane for anti-irreversible fouling”, Journal of Membrane Science, 394-395, 184-192, https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.12.040.
Liu, F., Abed, M.R.M., and Li, K., (2011), “Preparation and characterization of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) based ultrafiltration membranes using nano γ-Al2O3”, Journal of Membrane Science, 366(1-2), 97-103, https://doi.org/10.1016/j.memsci.2010.09.044.
Liu, F., Hashim, N.A., Liu, Y., Abed, M.R.M., and Li, K., (2011), “Progress in the production and modification of PVDF membranes”, Journal of Membrane Science, 375(1-2), 1-27, https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.03.014.
Marbelia, L., Bilad, M.R., and Vankelecom, I.F.J., (2019), “Gradual PVP leaching from PVDF/PVP blend membranes and its effects on membrane fouling in membrane bioreactors”, Separation and Purification Technology, 213, 276-282, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.12.045.
Martins, P., Lopes, A.C., and Lanceros-Mendez, S., (2014), “Electroactive phases of poly(vinylidene fluoride): Determination, processing and applications”, Progress in Polymer Science, 39(4), 683-706, https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2013.07.006.
Mersian, H., and Alizadeh, M., (2020), “Effect of diverse Pechini sol-gel parameters on the size, morphology, structural and optical properties of the Tenorite (CuO) NPs: A facile approach for desired properties”, Ceramics International, 46(11), 17197-17208, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.03.275
Nie, C., Yang, Y., Peng, Z., Cheng, C., Ma, L., and Zhao, C., (2017), Aramid nanofiber as an emerging nanofibrous modifier to enhance ultrafiltration and biological performances of polymeric membranes”, Journal of Membrane Science, 528, 251-263, https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.12.070.
Ong, C.S., Lau, W.J., Goh, P.S., Ng, B.C., and Ismail, A.F., (2015), “Preparation and characterization of PVDF–PVP–TiO2 composite hollow fiber membranes for oily wastewater treatment using submerged membrane system”, Desalination and Water Treatment, 53(5), 1213-1223, https://doi.org/10.1080/19443994.2013.855679.
Rajendran, S., Mukherjee, A., Nguyen, T.A., and Shukla, R.K., (2020), Nanotoxicity: Prevention and antibacterial applications of nanomaterials, 1st Edition, Elsevier, https://doi.org/10.1016/C2018-0-05517-6. 
Slavin, Y.N., Asnis, J., Häfeli, U.O., and Bach, H., (2017), “Metal nanoparticles: understanding the mechanisms behind antibacterial activity”, Journal of Nanobiotechnology, 15(1), 65, https://doi.org/10.1186/s12951-017-0308-z.
Taha, T.A., and Mahmoud, M.H., (2021), “Synthesis and characterization of PVDF-Er2O3 polymer nanocomposites for energy storage applications”, Materials Chemistry and Physics, 270, 124827, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124827.
Valipour, A., Hamnabard, N., Meshkati, S.M.H., Pakan, M., and Ahn, Y.-H., (2019), “Effectiveness of phase-and morphology-controlled MnO2 nanomaterials derived from flower-like δ-MnO2 as alternative cathode catalyst in microbial fuel cells”, Dalton Transactions, 48(16), 5429-5443.
Wang, W., and Sun, H., (2020), “Effect of different forms of nano‐ZnO on the properties of PVDF/ZnO hybrid membranes”, Journal of Applied Polymer Science, 137(36), 49070.
Wang, W., Zhu, L., Shan, B., Xie, C., Liu, C., Cui, F., and Li, G., (2018), “Preparation and characterization of SLS-CNT/PES ultrafiltration membrane with antifouling and antibacterial properties”, Journal of Membrane Science, 548, 459-469.
Yang, C., Xiao, F., Wang, J., and Su, X., (2015), “3D flower- and 2D sheet-like CuO nanostructures: Microwave-assisted synthesis and application in gas sensors”, Sensors and Actuators, B: Chemical, 207(Part A), 177-185, https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.10.063.
Zhang, Q., Zhang, K., Xu, D., Yang, G., Huang, H., Nie, F., Liu, C., and Yang, S., (2014), “CuO nanostructures: Synthesis, characterization, growth mechanisms, fundamental properties, and applications”, Progress in Materials Science, 60(1), 208-337, https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.09.003.
Zhou, Q., Zhang, Y., Zeng, T., Wan, Q., and Yang, N., (2021), “Morphology-dependent sensing performance of CuO nanomaterials”, Analytica Chimica Acta, 1171, 338663, https://doi.org/10.1016/j.aca.2021.338663.