علوم و مهندسی آب و فاضلاب

علوم و مهندسی آب و فاضلاب

سنتز، مشخصه‌یابی و ارزیابی عملکرد غشا‌های میکروفیلتراسیون کاتیونی پوشش داده‎شده با نانوکامپوزیت اکسید روی/کیتوسان/اکسید نقره در حذف باکتری‌ استافیلوکوس اورئوس از آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 پژوهشگر پسادکترا، کرسی یونسکو در بازیافت آب، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 استاد، کرسی یونسکو در بازیافت آب، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
در این پروژه اصلاح سطحی غشا‌های میکروفیلتراسیون برای توسعه سیستم‌های گندزدایی آب ارزان برای مناطقی که از عدم دسترسی مناسب به آب آشامیدنی رنج می‌برند، انجام شد. از دو استراتژی برای حذف باکتری‌ها استفاده شده است. گیرانداختن آن‎ها از طریق برهمکنش الکترواستاتیکی باکتری‌ها با سطح کاتیونی غشا و اثرات ضد‌باکتریایی نانوکامپوزیت اکسید روی/کیتوسان/اکسید نقره که در مقایسه با نانوذرات نقره، به‎کار رفته در تحقیقات پیشین، بسیار ارزان‌تر است. پوشش کاتیونی حاوی نانوذرات بر روی سطح میکروفیلتراسیون پُلی‌تترافلوئورو‎اتیلن (PTFE)، از طریق پلیمریزاسیون پلی‌دوپامین و پلی‌اتیلن‎ایمین در حضور نانوذرات انجام شد. نانوذرات و غشاء‌های تولیدی از طریق روش‌های مشخصه‌یابی هم‎چون XRD، FTIR، FE-SEM، EDAX، آنالیز زاویه ‎تماس و آزمون‌های آنتی‌‌باکتریال مطالعه شدند. نتایج مطالعات نشان‎داد که اصلاح سطحی غشا‌ها منجر به بهبود آب‎دوستی آن‎ها (از زاویه تماس ۱۳۶ به ۷۶ درجه) و کاهش نه چندان شدید شار آب خروجی (۳۷ درصد کاهش شار) شده است. پتانسیل حذف عوامل بیماری‌زا از طریق حذف باکتری استافیلوکوس اورئوس بررسی شد. نتایج نشان‎داد که اصلاح سطحی غشا‌ها منجر به حذف نزدیک به 98/99% از باکتری فوق شده است و این غشا‌ها می‌توانند به‎عنوان روشی برای توسعه سیستم‌های غشایی برای گندزدایی آب بدون نیاز به انرژی درنظر گرفته شوند.
کلیدواژه‌ها

 
Abebe, B., Zereffa, E.A., Tadesse, A., and Murthy, H.C., (2020), “A review on enhancing the antibacterial activity of ZnO: Mechanisms and microscopic investigation”, Nanoscale Research Letters, 15(1), 1-19, https://doi.org/10.1186/s11671-020-03418-6.
Barzin, J., Safarpour, M., Kordkatooli, Z., and Vahedi, M., (2018), “Improved microfiltration and bacteria removal performance of polyethersulfone membranes prepared by modified vapor‐induced phase separation”, Polymers for Advanced Technologies, 29(9), 2420-2439, https://doi.org/10.1002/pat.4352.
Chien, H.W., Tsai, M.Y., Kuo, C.J., and Lin, C.L., (2021), “Well-dispersed silver nanoparticles on cellulose filter paper for bacterial removal”, Nanomaterials, 11(3), 595, https://doi.org/10.3390/nano11030595.
Farhadkhani, M., Nikaeen, M. and Yadegarfar, G., (2021), “Application of secondary treated municipal wastewater for irrigation of agricultural lands: Quantitative microbial risk assessment of Legionella”, Journal of Water and Wastewater Science and Engineering, 6(2), 58-65, https://doi.org/https://doi.org/10.22112/jwwse.2021.261018.1231.
Gaveau, A., Coetsier, C., Roques, C., Bacchin, P., Dague, E., and Causserand, C., (2017), “Bacteria transfer by deformation through microfiltration membrane”, Journal of Membrane Science, 523, 446-455, https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.10.023.
Ghaffari, S.B., Sarrafzadeh, M.H., Fakhroueian, Z., and Khorramizadeh, M.R., (2019), “Flower-like curcumin-loaded folic acid-conjugated ZnO-MPA-βcyclodextrin nanostructures enhanced anticancer activity and cellular uptake of curcumin in breast cancer cells”, Materials Science and Engineering: C, 103, 109827, https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.109827.
Ghaffari, S.B. and Moghaddam, J., (2012), “Precipitation of various shapes of nanosized zinc oxide from zinc chloride solutions by neutralization with MgO and Ca(OH)2 as non-transparent basic agents”, Journal of the Iranian Chemical Society, 9, 687-692, https://doi.org/10.1007/s13738-012-0095-2.
Ghaffari, S.B., Sarrafzadeh, M.H., Salami, M., and Alvandi, A., (2024), “A comparative study of the action mechanisms and development strategies of different ZnO-based nanostructures in antibacterial and anticancer applications”, Journal of Drug Delivery Science and Technology, 91, 105221, https://doi.org/10.1016/j.jddst.2023.105221.
Ghaffari, S.B., Sarrafzadeh, M.H., Salami, M. and Khorramizadeh, M.R., (2020), “A pH-sensitive delivery system based on N-succinyl chitosan-ZnO nanoparticles for improving antibacterial and anticancer activities of curcumin”, International Journal of Biological Macromolecules, 151, 428-440, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.02.141.
Goswami, K.P., and Pugazhenthi, G., (2020), “Credibility of polymeric and ceramic membrane filtration in the removal of bacteria and virus from water: A review”, Journal of Environmental Management, 268, 110583, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110583.
Hidayat, M.I., Adlim, M., Suhartono, S., Hayati, Z., and Bakar, N.H.H.A., (2023), “Comparison of antibacterial properties between chitosan stabilized silver and zinc oxide nanoparticles immobilized on white silica beads”, South African Journal of Chemical Engineering, 45, 111-119, https://doi.org/10.1016/j.sajce.2023.05.001.
Hosseini, S.S., Khodadadi, H., and Bakhshi, B., (2021), “Fabrication, tuning and performance analysis of polyacrylonitrile (PAN)-derived microfiltration membranes for bacteria removal from drinking water”, Korean Journal of Chemical Engineering, 38, 32-45, https://doi.org/10.1007/s11814-020-0666-3.
Ibrahim, N.A., Ameen, H.A., and Eid, B.M., (2023), “Green synthesized chitosan and ZnO nanoparticles for sustainable use in multifunctionalization of cellulosic fabrics”, Polymer Bulletin, 1-20. https://doi.org/10.1007/s00289-023-04887-2.
Imani, S.M., Ladouceur, L., Marshall, T., Maclachlan, R., Soleymani, L., and Didar, T.F., (2020), “Antimicrobial nanomaterials and coatings: Current mechanisms and future perspectives to control the spread of viruses including SARS-CoV-2”, ACS Nano, 14(10), 12341-12369, https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05937.
Jahed, Z., Lin, P., Seo, B.B., Verma, M.S., Gu, F.X., Tsui, T.Y., and Mofrad, M.R., (2014), “Responses of Staphylococcus aureus bacterial cells to nanocrystalline nickel nanostructures”, Biomaterials, 35(14), 4249-4254, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2014.01.080.
Jain, S., Bhanjana, G., Heydarifard, S., Dilbaghi, N., Nazhad, M.M., Kumar, V., Kim, K.H., and Kumar, S., (2018), “Enhanced antibacterial profile of nanoparticle impregnated cellulose foam filter paper for drinking water filtration”, Carbohydrate Polymers, 202, 219-226, https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.08.130.
Kukushkina, E.A., Hossain, S.I., Sportelli, M.C., Ditaranto, N., Picca, R.A., and Cioffi, N., (2021), “Ag-based synergistic antimicrobial composites. A critical review”. Nanomaterials, 11(7), 1687, https://doi.org/10.3390/nano11071687.
Linden, K.G., Hull, N., and Speight, V., (2019), “Thinking outside the treatment plant: UV for water distribution system disinfection”, Accounts of Chemical Research, 52(5), 1226-1233,  https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00060.
Mendes, C.R., Dilarri, G., Forsan, C.F., Sapata, V.D.M.R., Lopes, P.R.M., de Moraes, P.B., Montagnolli, R.N., Ferreira, H., and Bidoia, E.D., (2022), “Antibacterial action and target mechanisms of zinc oxide nanoparticles against bacterial pathogens”, Scientific Reports, 12(1), 2658, https://doi.org/10.1038/s41598-022-06657-y.
Menichetti, A., Mavridi-Printezi, A., Mordini, D., and Montalti, M., (2023), “Effect of size, shape and surface functionalization on the antibacterial activity of silver Nanoparticles”, Journal of Functional Biomaterials, 14(5), 244, https://doi.org/10.3390/jfb14050244.
Moghaddam, J., Ghaffari, S.B., Sarraf-Mamoory, R., and Mollaesmail, S., (2014), “The study on the crystallization conditions of Zn5(OH)6(CO3)2 and its effect on precipitation of ZnO nanoparticles from purified zinc ammoniacal solution”, Synthesis and Reactivity in Inorganic, Metal-Organic, and Nano-Metal Chemistry, 44(6), 895-901, https://doi.org/10.1080/15533174.2012.740738.
Nasir, A.M., Adam, M.R., Kamal, S.N.E.A.M., Jaafar, J., Othman, M.H.D., Ismail, A.F., Aziz, F., Yusof, N., Bilad, M.R., Mohamud, R., and Rahman, M.A., (2022), “A review of the potential of conventional and advanced membrane technology in the removal of pathogens from wastewater”, Separation and Purification Technology, 286, 120454, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120454.
Ottenhall, A., Henschen, J., Illergård, J. and Ek, M., (2018), “Cellulose-based water purification using paper filters modified with polyelectrolyte multilayers to remove bacteria from water through electrostatic interactions”, Environmental Science: Water Research & Technology, 4(12), 2070-2079, https://doi.org/10.1039/C8EW00514A.
Peter, M., (2015), Gravity-driven membrane disinfection for household water treatment, Eawag: Dübendorf, Switzerland.
Sheikh, M., Pazirofteh, M., Dehghani, M., Asghari, M., Rezakazemi, M., Valderrama, C., and Cortina, J. L. (2020), “Application of ZnO nanostructures in ceramic and polymeric membranes for water and wastewater technologies: A review”, Chemical Engineering Journal, 391, 123475, https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123475.
Shen, L., Huang, Z., Liu, Y., Li, R., Xu, Y., Jakaj, G., and Lin, H., (2020), “Polymeric membranes incorporated with ZnO nanoparticles for membrane fouling mitigation: A brief review”, Frontiers in Chemistry, 8, 224, https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00224.
Sinclair, T.R., Robles, D., Raza, B., Van den Hengel, S., Rutjes, S.A., de Roda Husman, A.M., de Grooth, J., de Vos, W.M., and Roesink, H.D.W. (2018), “Virus reduction through microfiltration membranes modified with a cationic polymer for drinking water applications”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 551, 33-41, https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.04.056.
Sinclair, T.R., Patil, A., Raza, B.G., Reurink, D., van den Hengel, S.K., Rutjes, de Roda Husman, A.M., de Grooth, J., and de Vos, W.M. (2019), “Cationically modified membranes using covalent layer-by-layer assembly for antiviral applications in drinking water”, Journal of Membrane Science, 570, 494-503, https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.10.081.
Wafy, K.R., El-Aswar, E.I., Mohamed, W.S.E.D., and El-Sabbagh, S.M., (2023), “Water disinfection using durable ceramic filter coated with silver nanoparticles synthesized using actinomycetes”, Applied Water Science, 13(6), 140, https://doi.org/10.1007/s13201-023-01937-y.
Yang, F.K., and Zhao, B., (2011), “Adhesion properties of self-polymerized dopamine thin film”, The Open Surface Science Journal, 3(1), 115-122, https://doi/org/10.2174/1876531901103010115.
دوره 9، شماره 2
تابستان 1403
صفحه 43-56

  • تاریخ دریافت 29 خرداد 1402
  • تاریخ بازنگری 30 مهر 1402
  • تاریخ پذیرش 22 آبان 1402