مطالعه رفتار گرفتگی غشاهای ماتریس ترکیبی پلی اتیلنی حاوی نانوذرات سیلیکای سنتز شده طی فیلترکردن محلول هیومیک اسید

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 تبریز، دانشگاه صنعتی سهند، دانشکده مهندسی شیمی، صندوق پستی 1996-51335

2 تبریز، دانشگاه صنعتی سهند، دانشکده مهندسی پلیمر، صندوق پستی 1996-51335

3 تهران، شرکت ملی پالایش و پخش فرآورده های نفتی ایران، صندوق پستی 3499-15815

چکیده

با توجه به اینکه اکثر آلاینده­ های موجود در آب، برهم­ کنش قوی با سطوح آبگریز دارند، بنابراین برای غشاهای پلی­ اتیلنی کاهش شار عبوری به واسطه جذب برگشت­ ناپذیر آلاینده ­ها روی سطح این غشاها و گرفتگی حفره ­ها مشاهده می ­شود. در همین راستا، در پژوهش حاضر، بهبود خواص غشای پلی­ اتیلنی از نظر شار عبوری و مقاومت در برابر گرفتگی با پخش نانوذرات سیلیکا مطالعه شده است. در مرحله اول، نانوذرات سیلیکا با استفاده از روش سل-ژل در دو غلظت 0.5 و 1 مولار از آمونیاک سنتز و سپس از نانوذرات سنتز شده با اندازه کوچک ­تر (با چهار ترکیب درصد 0، 0.5، 1 و %2 وزنی)، برای ساخت غشاهای ماتریس ترکیبی استفاده شد. از آزمون­ های FE-SEM و EDX به ترتیب برای بررسی شکل­ شناسی و حصول اطمینان از وجود نانوذرات در ساختار غشا استفاده شد. نتایج حاصل از بررسی شار عبوری آب خالص نشان داد، غشای ماتریس ترکیبی حاوی 1% نانوذرات سیلیکا دارای حداکثر شار عبوری ، 30L/m2.h در میان سایر غشاهاست. افزون ­بر ­این، عملکرد غشاها طی فیلترکردن محلول هیومیک اسید، به ­عنوان مهم­ ترین آلاینده ­های منابع آبی، با استفاده از مدل­ های گرفتگی کلاسیک مطالعه شد. نتایج مربوط به سازوکارهای گرفتگی حاکی از آن است که برای غشاهای خالص و ماتریس ترکیبی حاوی 0.5 و %2 نانوذرات، افزون بر سازوکار تشکیل لایه کیک، سازوکار گرفتگی متوسط حفره­ ها نیز مشاهده می ­شود. درحالی که سازوکار غالب برای غشای دارای %1 نانوذرات، فقط سازوکار تشکیل لایه کیک گزارش شد. بررسی مقاومت غشاها در برابر گرفتگی نشان داد، غشای حاوی %1 نانوذرات سیلیکا دارای بیشترین مقدار بازیابی شار %58 و نیز بیشترین نسبت گرفتگی برگشت­ پذیر به گرفتگی کل %52 است.  

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study on the Fouling Behavior of Polyethylene and Silica Nanoparticles Mixed Matrix Membranes in Filtration of Humic Acid Solution

نویسندگان [English]

  • Ali Akbari 1
  • Reza Yegani 1
  • Behzad Pourabbas 2
  • Hasan Hamedi Sangari 3
1 Faculty of Chemical Engineering,Sahand University of Technology, P.O. Box: 51335-1996, Tabriz, Iran
2 Faculty of Polymer Engineering; Sahand University of Technology, P.O. Box: 51335-1996,Tabriz, Iran
3 National Iranian Oil Refining and Distribution Company, P.O. Box: 15815-3499, Tehran, Iran
چکیده [English]

Because most contaminants in water create strong interactions with hydrophobic surfaces, there are usually problems such as flux decline and pore blocking in polyethylene (PE) membranes due to irreversible adsorption of foulants on their intrinsic hydrophobic surface. Therefore, in this work, attempts were made to improve the properties of PE membranes in terms of water flux and membrane fouling resistance by dispersion of silica nanoparticles (NPs). First, NPs were synthesized by sol-gel method at two concentrations of ammonia (0.5 and 1 mol/L). The synthesized NPs with smaller size were used to fabricate the mixed matrix PE membranes containing 0, 0.5, 1 and 2 wt% NPs. FE-SEM and EDX analyses were employed to evaluate the morphology and structure of the fabricated membranes and confirmed the presence of NPs in the membranes matrix. The results of pure water flux test revealed that the membrane containing 1 wt% NPs displayed the maximum flux of 30 L/m2.h. Furthermore, the performance and fouling behaviors of membranes during filtration of humic acid solution, one of the most important contaminants of water resources, were studied using a classical fouling model. Fouling mechanism analysis showed that for neat and NPs-embedded membranes containing 0.5 and 2 wt% NPs, the best fit of the data was obtained by cake layer formation as well as the intermediate blocking mechanisms. However, the best fit of the experimental data of NPs-embedded membrane containing 1 wt% occurred with only cake layer formation mechanism. The investigation on membrane fouling resistance showed that 1 wt% NPs-embedded membrane displayed 58% maximum flux recovery and 52% reversibility to total fouling ratio, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polyethylene mixed matrix membrane
  • silica nanoparticles
  • filtration
  • humic acid solution
  • fouling