آثار نانوذرات TiO2 و ZnO بر ساختار و رفتار گرفتگی غشاهای پلی‌اتیلنی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تبریز، دانشگاه صنعتی سهند، دانشکده مهندسی شیمی، صندوق پستی 1996-513335

چکیده

از روش‌های مؤثر برای افزایش آبدوستی غشاهای پلیمری و کاهش گرفتگی آنها، گنجاندن نانوذرات معدنی در ماتریس غشاهای پلیمری است. از میان نانوذرات معدنی متعددی که در ساخت غشاهای پلیمری ماتریس آمیخته استفاده می‌شوند، TiO2 و ZnO به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی خاص از اهمیت ویژه­ای برخوردارند. در پژوهش حاضر، اثر نانوذرات TiO2 و ZnO بر ساختار و رفتار گرفتگی غشاهای نانوکامپوزیتی پلی­‌اتیلنی بررسی شد. از پلی­‌اتیلن پرچگالی به‌عنوان پلیمر و از TiO2 و ZnO به‌عنوان نانوذرات معدنی استفاده شد. غشاها با استفاده از روش جدایی فاز با القای گرمایی ساخته شدند و از روش‌­های مختلف شامل FESEM، TEM، EDX، AFM، اندازه­‌گیری ­زاویه تماس، اندازه­‌گیری شار آب خالص و شعاع متوسط حفره‌ها برای تعیین مشخصات ساختاری و سطحی غشاها استفاده شد. افزون بر این، عملکرد غشاها در جداسازی محلول %1 وزنی کلاژن بررسی شد و هم‌زمان پدیده گرفتگی غشاها به کمک پروتئین کلاژن به‌طور کامل مطالعه شد. تصاویر FESEM نشان داد، تمام غشاهای ساخته شده دارای ساختار برگی‌شکل بوده و بنابراین سازوکار جدایی فاز در مرحله ساخت از نوع جامد-مایع است. وجود نانوذرات در ساختار غشاها با روش­‌های TEM و­ EDX تأیید شد. مطابق با مدل Wenzel، مقدار زاویه تماس غشاهای هیبریدی به دلیل افزایش زبری سطحی، کاهش چندانی نیافت، اما شار آب خالص عبوری از غشاها با افزایش مقدار نانوذرات افزایش یافت. در نهایت مشخص شد، به دلیل خواص ضدگرفتگی TiO2 و ZnO مقدار گرفتگی برگشت­‌پذیر، بازیابی شار و مقاومت در برابر گرفتگی به وسیله پروتئین کلاژن با افزایش مقدار نانوذرات افزایش می­‌یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effects of TiO2 and ZnO Nanoparticles on the Structure and Fouling Behavior of Polyethylene Membranes

نویسندگان [English]

  • Yoones Jafarzadeh
  • Reza Yegani
  • Marzieh Sedaghat
Faculty of Chemical Engineering Sahand University of Technology, P.O. Box: 51335-1996, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Incorporation of inorganic nanoparticles into polymer matrices is a method to increase the hydrophilicity and to reduce fouling in polymer membranes. Among different types of inorganic nanoparticles employed in mixed matrix membranes, TiO2 and ZnO play significant role in their unique physical and chemical properties. In the present work, the effect of TiO2 and ZnO nanoparticles on the structure and fouling behavior of polyethylene membranes was studied. High density polyethylene (HDPE) was used as polymer and TiO2 and ZnO were of nanoparticle size. Thermally induced phase separation method was used to prepare membranes and different characterization methods including (field emission scanning electron microscopy (FESEM), transmission electron microscopy (TEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), atomic force microcopy (AFM), contact angle, pure water flux and mean pore radius measurements were acquired to evaluate the structure and surface of the membranes. Moreover, the performance and fouling of the membranes were studied by separating 1 wt% collagen protein solution. The results of FESEM images showed that all the membranes had leafy structure, indicating solid-liquid phase separation during membrane preparation. The results of TEM and EDX confirmed the presence of nanoparticles in the membranes. Based on the Wenzel model, contact angle of the membranes was not reduced by increasing the content of hydrophilic nanoparticle due to increased surface roughness. However, pure water flux of the membranes increased as the content of nanoparticles increased. Finally, it was shown that the incorporation of nanoparticles increased reversible fouling, flux recovery and fouling resistance of the membranes in separation of collagen protein solution due to the antifouling properties of TiO2 and ZnO nanoparticles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polyethylene membrane
  • TiO2
  • ZnO
  • microfiltration
  • membrane fouling