ساخت غشای نانوکامپوزیتی بر پایه پلی‌سولفون و نانوذرات اکسید تیتانیم اصلاح شده و بررسی عملکرد آن در تصفیه فاضلاب‌های صنعتی با استفاده از فرآیند بیورکتورغشایی اسمزی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ،گروه مهندسی شیمی،مرکز تحقیقات علوم و فناوری غشا ،دانشگاه ازاد اسلامی ،گچساران،ایران

2 استادیار،گروه مهندسی شیمی،مرکز تحقیقات علوم و فناوری غشا ،دانشگاه ازاد اسلامی ،گچساران،ایران

3 دانشیار،گروه شیمی کاربردی ،مرکز تحقیقات علوم و فناوری غشا ،دانشگاه ازاد اسلامی ،گچساران،ایران

چکیده
موضوع: بیورکتورغشایی اسمزی یکی از بهترین روش‌های تصفیه فاضلاب‌های صنعتی می‌باشد مزیت اصلی استفاده از فرآیند اسمزی عمل کردن آن در فشار‌های پایین هیدرولیکی است که دارای عملکرد بهتری در حذف آلاینده‌ها و مصرف انرژی پایین نسبت به روش‌های دیگر می‌باشد.

روش تحقیق: در این تحقیق نانو ذرات حفره‌دار دی‌اکسید تیتانیوم با سطح ویژه و دیواره آناتاز از طریق فرآیند گرمایی با استفاده از ستیل‌تری‌متیل‌آمونیوم بروماید (CTAB) به‌عنوان عامل هدایت کننده سطح فعال و عامل ایجاد کننده منافذ، سنتز شد. غشا‌های نا‌نوکامپوزیت اولترافیلتراسیون با استفاده از دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2) اصلاح شده (MT) و پلی‌سولفون (PSf) به روش وارونگی فازی ساخته شدند. ریخت‌شناسی و ساختار غشا‌های بدست آمده و نانو ذره توسط میکروسکوپ الکترون روبشی (FESEM)، پراش اشعه ایکس (XRD)و میکروسکوپ الکترون عبوری (TEM) مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق از محلول خوراک آلبومین سرم گاوی (BSA) به‌عنوان فاضلاب شبیه‌سازی شده استفاده گردید. غشا‌های اولترافیلتراسیون ساخته شده به ترتیب در سامانه یورکتورغشایی اسمزی (OMBR) به دلیل انرژی و رسوب کمتر مورد آزمایش قرار گرفتند. محلول % ٦/٠ پلی (سدیم ٤- استایرن سولفونات) به‌عنوان محلول اسمزی مورد استفاده قرار گرفت. عملکرد جداسازی مقایسه‌ای و خواص ضد رسوب هر دو جهت نا‌نوکامپوزیت‌های ساخته شده در تجزیه‌و‌تحلیل‌های متعددی مانند اندازه‌گیری زاویه تماس با آب، شار آب خالص و تصفیه غلظت‌های متفاوتی از محلول آلبومین سرم گاوی (BSA) و مقاومت در برابر رسوب مورد بررسی قرار‌گرفته است.

نتایج اصلی: نتایج نشان می‌دهد که به دلیل افزودن نانو ذرات MT به بستر پلیمری، آب‌دوستی و انرژی سطح غشا افزایش یافت که منجر به بهبود عملکرد غشا شد. غشای حاوی ١% نا‌نوذره‌ی اکسید تیتانیوم بهترین نتیجه را نشان داد. به‌عنوان مثال برای خوراک با غلظت ppm٢٠٠ فلاکس آب از L/ m2.h) 20 تا 5/38 (افزایش یافت و همچنین درصد محلول کشنده بازگشتی نیز از (30 تا g/m2.h 6/19) کاهش یافت. بازیابی فلاکس در این غشا ٩٦ درصد بود که نشان‌دهنده‌ی خاصیت ضدرسوبی غشای نا‌نوکامپوزیت اصلاح شده می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Fabrication of nanocomposite membrane based on polysulfone and modified Titanium oxide nanoparticles and its performance in industrial wastewater treatment using osmotic membrane bioreactor process

نویسندگان English

Ahmadreza Zahedipoor 1
Daryoush Emadzadeh 2
Mehdi Faramarzi 2
Amir Mansourizadeh 2
Abdol Mohammad Ghaedi 3
1 PhD Student, Dept of Chemical Engineering, Membrane Science and Technology Research Center, Islamic Azad University, Gachsaran, Iran
2 Assist Prof , Dept of Chemical Engineering, Membrane Science and Technology Research Center, Islamic Azad University, Gachsaran,
3 Assist. Prof. Depet .Of Chemistry . Membrane Science and Technology Research Center., Islamic Azad University, Gachsaran, Iran
چکیده English

Research subject: Osmosis membrane bioreactor is one of the best industrial wastewater treatment methods. The main advantage of using osmosis process is its operation at low hydraulic pressures which has a better performance in removing pollutants and low energy consumption than other methods

Research approach: In this research, Nano porous Titanium dioxide powder with a specific surface area and anatase wall was synthesized through a thermal process using cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) as a surfactant directing agent and a pore-creating agent.Ultrafiltration nanocomposite membranes were made using modified titanium dioxide (TiO2) (MT) and polysulfone (PSf) by phase the inversion method. The morphology and structure of the prepared membranes and nanoparticles were investigated using by atomic fourier transforms infrared spectroscopy(FESEM), X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). In this research, bovine serum albumin (BSA) was used as simulated wastewater for the feed solution. The fabricated ultrafiltration membranes were tested in osmosis membrane bioreactor (OMBR) system due to lower energy and fouling. 0.6 % solution of poly (sodium 4-styrene sulfonate) was used as an osmotic solution. Comparative separation performance and antifouling properties of both nanocomposites in several analyzes such as water contact angle measurement, pure water flux and filtration of different concentrations of bovine serum albumin solution. BSA and fouling resistance have been investigated





Main results: TThe results that Due to the addition of MT nanoparticles to the polymer matrix, the hydrophilicity and surface energy of the membrane increased, which led to the improvement of the membrane performance. The membrane containing 1% titanium oxide nanoparticles showed the best result. For example, for feeding with a concentration of 200 ppm, the water flux increased from 20 to 38.5 L/ m2 h, and the percentage of returning lethal solution decreased from 19.6 to 30 g/ m2 h. The flux recovery in this membrane was 96%, which indicates the antifouling property of the modified nanocomposite membrane.

کلیدواژه‌ها English

Nanocomposite
ultrafiltration
Osmosis Membrane Bioreactor
Modified Titanium Oxide
Wastewater treatment
[1] Sarkar S.,Chakraborty S.,Nanocomposite polymeric membrane a new trend of water and wastewater treatment: A short review, Groundwater for Sustainable Development 12,100533 , 2021
[2] Bapu S., Yogesh D., Yadav J.,Lakshaman N., Industrial wastewater treatment using oxidative integrated approach, South African Journal of Chemical Engineering,40, 100-106, 2022
[3] Gricic I., Vujevic D., Sepcic J and Koprivanac N.,.Minimization of Organic Content in Simulated Iindustrial Wastewater by Fenton type Processes: a case study. J Hazard Mater 170: 954-961, 2009.
[4]Abdullah N., Tajuddin M.H. and Yusof., Nanotechnology in Water and
Wastewater Treatment. Ahsan, A. and Ismail, A.F. (eds), pp. 177-204, 2019
[5]Kim S, Chu .K.H, Y.A.J. Al-Hamadani , Park. C.M, Jang M, Kim .D.H., M. Yu, Heo.
J, Yoon Y, Removal of contaminants of emerging concern by membranes in
water and wastewater: a review, Chem. Eng. J. 335 , 896–914, 2018

[6]Korenak J., Hélix-Nielsen C., Bukšek H., and Petrinić, I. Efficiency and economic
feasibility of forward osmosis in textile wastewater treatment. Journal of Cleaner
Production 210, 1483-1495, 2019
[7]. Pal P., Sardar M., Pal M., Chakrabortty S., Nayak J., Modelling forward osmosis-nanofiltration integrated process for treatment and recirculation of leather industry wastewater. Comput. Chem. Eng, 127, 99–110,2019
[8] Sreedhar I., Khaitan S., Gupta R., Reddy B.M., and Venugopal A., An odyssey of Process and Engineering Trends in Forward Osmosis. Environ. Sci. Water Res. Technol. 4, 129–168, 2018
[9] Zhang, Y. Mu, T. Huang, M. Chen, G.; Cai, T.; Chen, H.; Meng, L. and Luo, X.Nanofiber Composite Forward Osmosis (NCFO) Membranes for Enhanced Antibiotics Rrejection: Fabrication, performance, mechanism, and simulation. J. Membr. Sci., 595, 117425, 2020
[10] Lay W. C., Zhang Q., Zhang J., McDougald D., Tang, C., Wang, R., Liu, Y., and Fane, A. G. Study of Integration of Forward Osmosis and Biological process: Membrane performance under elevated salt environment. Desalination, 283, 123–130, 2011
[11] Alturki A., McDonald J., Khan S. J., Hai, F. I., Price, W. E., and Nghiem, L. D. Performance of a Novel Osmotic Membrane Bioreactor (OMBR) system: Flux stability and removal of trace organics. Bioresource Technology, 113, 201–206, 2012
[12]Syed Ibrahim, G.P., Isloor, A.M. and Yuliwati, E. Current Trends and Future
Developments on (Bio-) Membranes. Basile, A., Curcio, E. and Inamuddin (eds), pp.
199-214, 2019
Altaee, A., Millar, G.J. and Zaragoza, G. Integration and optimization of pressure [13]
retarded osmosis with reverse osmosis for power generation and high efficiency
desalination. Energy 103, 110-118, 2019
[14]Ang, W.L., Wahab Mohammad, A., Johnson, D. and Hilal, N. Forward osmosis
research trends in desalination and wastewater treatment: A review of research trends
over the past decade. Journal of Water Process Engineering 31, 100886, 2019
[15]Saja H. Salim, 2Riyad H. Al-Anbari*, 3Adawiya J. Haider, Polysulfone/TiO2 Thin Film Nanocomposite for Commercial Ultrafiltration Membranes: Journal of Applied Sciences and Nanotechnology, Vol 2, 80-89, 2022
[16] T.Y. Cath, A.E. Childress and M. Elimelech, Forward osmosis: Principles, applications, and recent developments, J. Membr. Sci., 281 70–87, 2006
[17]Sirinupong, T., Youravong H., W., Tirawat, D., Lau, W.J., Lai, G.S. and Ismail, A.F, Synthesis and Characterization of thin film Composite Membranes made of PSF-TiO2/GO Nanocomposite Substrate for Forward Osmosis Applications, Arabian Journal of Chemistry, 32 (6), 1-10, 2017
[18]Cao .X.H, J. Ma, X.H. and Shi, Z.J. Ren. Effect of TiO2 Nanoparticle size on the Performance of PVDF Membrane, Appl. Surf. Sci. 253, 2003–2010,2006
[19]Rahimpour .A, Jahanshahi .M, Rajaeian .B, and Rahimnejad .M..TiO2 Entrapped Nano-Composite PVDF/SPES Membranes: Preparation, Characterization, Antifouling and Antibacterial Properties, Journal of Membrane Science, 278, 343–353, 2011
[20] Rafique M. S., Rafique M., Tahir M. B., Hajra S., Nawaz T., & Shafiq F., Synthesis methods of nanostructures. In Nanotechnology and Photocatalysis for Environmental Applications , 45-56,2020.
[21] D Emadzadeh, WJ Lau, T Matsuura, M Rahbari-Sisakht, AF Ismail, A novel thin film composite forward osmosis membrane prepared from PSf–TiO2 nanocomposite substrate for water desalination, Chemical Engineering Journal 237, 70-80,2014
[22]Ghalamchia.L,Abera.S,Vatanpour.V,Mohsen.b.Kianca Environment Protection Research Laboratory, Department of Applied Chemistry, Faculty of Chemistry, University ofTabriz, Tabriz 5166616471, Iran Chemical Engineering Research and Design 1 4 7, 443–457,2019
[23]Li .J.-F, Xu. Z.-L, Yang .H, Yu. L.-Y and Liu. M. Effect of TiO2 nanoparticles on the surface morphology and performance of microporous PES membrane, Applied Surface Science 255 , 4725–4732, 2009
[24]Koo C.H., Mohammad .,Suja A.W., Zainal F,M and Talib M, Review of the Effect of Selected Physicochemical Factors on Membrane Fouling propensity Based on Fouling indices,Desalination 287 ,167–177, 2012
[25]Ng L., Mohammad Y,. Leo A.W., and Hilal .N. Polymeric Membranes Incorporated with metal/metal oxide Nanoparticles: a Comprehensive review, Desalination 308 , 15–33, 2013
[26]Vatanpour V., Madeni S., Novel antifouling nanofiltration polyethersulfone membrane fabricated from embedding TiO2 coated multiwalled carbon nanotubes, Separation and Purification Technology 90, 69–82, 2012
[27]Zinadini. S, Zinatizadeh A.A., Rahimi M., Vatanpour V., and Zangeneh H.Preparation of a NovelAntifouling Mixed Matrix Pes Membrane by Embedding Graphene Oxide Nanoplates, Journal of Membrane Science, 453. 292-301, 2014
[28]Sun M., Su Y., Mu C .,and Jaing .Z. Improved Antifouling Property of PES Ultrafiltration Membranes Using Additive of silica-PVP Nanocomposite, Ind. Eng. Chem. Res. 49 ,790–796, 2009
[29]Daraei .P, Madaeni .S.S, Ghaemi. N, Khadivi. M.A, B, Astinchap and Moradian. R.. Fouling Resistant Mixed Matrix Polyethersulfone Membranes Blended with Magnetic Nanoparticles: Study of Magnetic Field Induced Casting, Sep. Purif. Technol. 109,111–121, 2013
[30]Tian J., Ernst M., Cui F and Jekel ,M. Correlations of Relevant Membrane Foulants with UF Membrane Fouling in Different Waters, Water Res. 47 , 1218–1228,2013
[31] Peldszus S., Hallé C., Peiris R.H., Hamouda .M., Jin X., Legge R.L., Budman. H, Moresoli .C and Huck .P.M.Reversible and Irreversible low-Pressure Membrane Foulants in Drinking Water Treatment: Identification by Principal Component Analysis of Fluorescence EEM and Mitigation by Biofiltration Pretreatment, Water Res. 45 , 5161–5170, 2011