اصلاح و افزایش کارایی غشای فرافیلتری پلی‌وینیل کلرید با پیوندزنی پلی‌استیرن سولفون‌دارشده

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 بابل، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، دانشکده مهندسیشیمی ، صندوق پستی 484

2 بابل، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر ، صندوق پستی 484

10.22063/jipst.2020.1744

چکیده

فرضیه: در این پژوهش، اصلاح غشای فرافیلتری پلی‌وینیل کلرید (PVC) انجام و از غشای اصلاح‌شده در فرایند فرافیلترکردن جداسازی آب و روغن استفاده شد.
روش‌ها: ابتدا، PVC با سدیم هیدروکسید هیدروکلرزدایی شد. سپس، PVC هیدروکلرزدایی‌شده (DHPVC) با مونومر استیرن پیوندزده شد و در مرحله آخر با سولفوریک اسید، استیرن پیوندی سولفون‌دار شد. افزون بر ساخت غشای بر پایه PVC و DHPVC، غشاهای فرافیلتری از پلی‌وینیل کلرید پیوندخورده با استیرن و نیز سولفون‌دارشده، با روش جدایی فاز ساخته شدند و ارزیابی غشاهای ساخته‌شده با آزمون‌های طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR)، میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM) و شار عبور آب خالص، تعیین میانگین اندازه منفذ‌ها، مقدار تخلخل و زاویه تماس آب انجام شد.
یافته‌ها: وجود گروه‌های عاملی پیوندخورده با طیف‌های FTIR تأیید شد. عکس‌های SEM نشان داد، تمام غشاها دارای منفذهای انگشتی‌شکل بودند و تفاوت در شکل منفذها به‌دلیل ناپایداری ترمودینامیکی و گرانروی محلول پلیمری بود. غشای سولفون‌دارشده به‌دلیل آب‌دوستی بیشتر پلیمر، افزایش چشمگیری در اندازه منفذ‌های غشا و شار آب خالص نسبت به سایر غشاهای نشان داد. غشای DHPVC به‌دلیل جداشدن کلر به‌عنوان عاملی آب‌گریز دارای کمترین زاویه تماس آب با سطح غشا بود. اما، برای سایر غشاها، تفاوت چندانی در زاویه تماس دیده نشد که می‌توان آن را به زبری سطح غشاها مرتبط دانست. در ادامه، آزمون‌های جداسازی آب و روغن به‌وسیله غشاها انجام شد. غشاهای اصلاح‌شده در جداسازی آب و روغن عملکرد خوبی را  نشان دادند. همچنین گرفتگی کمتری نسبت به غشای پایه PVC داشتند. مقدار پس‌زنی ذرات نفت برای تمام غشاها به‌جز غشای سولفون‌دارشده %100 بود. در غشا سولفون‌دارشده به‌دلیل بزرگ‌تربودن اندازه منفذ و افزایش بسیار زیاد شار، مقدار پس‌زنی ذرات نفت کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Modification and Performance Enhancement of PVC Ultrafiltration Membrane by Grafting of Sulfonated Polystyrene

نویسندگان [English]

  • Golshan Mousavi 1
  • Gholamreza Bakeri 1
  • Seyyed Mehdi Mirimani 2
1 Faculty of Chemical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, P.O. Box 484, Babol, Iran
2 Faculty of Electrical and Computer Engineering; Babol Noshirvani University of Technology, P.O. Box 484, Babol, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: In this study, modification of polyvinyl chloride ultrafiltration membrane was done and the modified membrane was used in the ultrafiltration process for oil-in-water separation.
Methods: at first, PVC was dehydrochlorinated by sodium hydroxide. Then, the resulting dehydrochlorinated polyvinyl chloride (DHPVC) was grafted by styrene monomer and in the final step the grafted styrene was sulfonated by sulfuric acid. Ultrafiltration membranes were fabricated from PVC, DHPVC, styrene-grafted dehydrochlorinated polyvinyl chloride and sulfonated polymer by phase separation method and were evaluated, using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) and pure water permeation flux, determination of mean pore size, porosity and water contact angle tests.
Findings: The presence of grafted functional groups was confirmed by FTIR spectra. SEM images showed that all the membranes had fingerlike pores and the difference in shape of the pores was due to the thermodynamic instability and viscosity of the polymer solutions. Due to the higher hydrophilicity of the polymer, the sulfonated membrane showed significant increase in pore size and pure water flux, compared to other membranes. The DHPVC membrane showed the lowest contact angle because of the detachment of chlorine as a hydrophobic agent, but for the other membranes there was little difference in their contact angles which could be related to the surface roughness. Subsequently, the oil/water separation experiments were performed by the membranes. The modified membranes showed good performance in the separation of oil and water and had less fouling than the PVC membrane. The rejection of oil particles was 100% for all membranes except the sulfonated membrane. The rejection of oil particles by the sulfonated membrane decreased, because of the higher pore size and significant increase in the flux.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polyvinyl chloride membrane
  • hydrophilicity enhancement
  • ultrafiltration
  • oily emulsion separation
  • polymer modification
  1. Satulu V., Mitu B., Altynov V.A., Lizunov N.E., Kravets L., and Dinescu G., Synthesis and Characterization of Porous Composite Membranes with Hydrophilic/Hydrophobic Sides, Thin Solid Films, 630, 92-99, 2017.
  2. Madaeni S.S. and Rahimpour A., Industrial Membrane Process, Razi University, Kermanshah, 1, 10-14, 2006.
  3. Xu Z., Liao J., Tang H., and Li N., Antifouling Polysulfone Ultrafiltration Membranes with Pendent Sulfonamide Groups, J. Membr. Sci., 548, 481-489, 2018.
  4. Chamberland J., Beaulieu-Carbonneau G., Lessard M.H., Labrie S., Bazinet L., Doyen A., and Pouliot Y., Effect of Membrane Material Chemistry and Properties on Biofouling Susceptibility During Milk and Cheese Whey Ultrafiltration, J. Membr. Sci., 542, 208-216, 2017.
  5. Rajabzadeh S., Sano R., Ishigami T., Kakihana Y., Ohmukai Y., and Matsuyama H., Preparation of Hydrophilic Vinyl Chloride Copolymer Hollow Fiber Membranes with Antifouling Properties, Appl. Surf. Sci., 324, 718-724, 2015.
  6. Xu J. and Xu Z.L., Poly(vinyl chloride)(PVC) Hollow Fiber Ultrafiltration Membranes Prepared from PVC/Additives/Solvent, J. Membr. Sci., 208, 203-212, 2002.
  7. Rabiee, H., Farahani M.H.D.A., and Vatanpour V., Preparation and Characterization of Emulsion Poly(vinyl chloride)(EPVC)/TiO2 Nanocomposite Ultrafiltration Membrane, J. Membr. Sci., 472, 185-193, 2014.
  8. Ao L., Liu  W., Zhao L., and Wang X., Membrane Fouling in Ultrafiltration of Natural Water After Pretreatment to Different Extents, Int. J. Environ. Sci., 43, 234-243, 2016.
  9. Behboudi A., Jafarzadeh Y., and Yegani R., Preparation and Characterization of TiO2 Embedded PVC Ultrafiltration Membranes, Chem. Eng. Res. Des., 114, 96-107, 2016.
  10. Vigo F. and Uliana, C., Ultrafiltration Membranes Obtained by Grafting Hydrophilic Monomers onto Poly(vinyl chloride), J. Appl. Polym. Sci., 38, 1197-1209, 1989.
  11. Babu P.R. and Gaikar V.G., Preparation, Structure and Transport Properties of Ultrafiltration Membranes of Poly(vinyl chloride) and Poly(vinyl pyrrolidone) Blends, J. Appl. Polym. Sci., 77, 2606-2620, 2002.
  12. Rabiee H., Vatanpour V., Farahani M.H.D.A., and Zarrabi H., Improvement in Flux and Antifouling Properties of PVC Ultrafiltration Membranes by Incorporation of Zinc Oxide (ZnO) Nanoparticles, Sep. Purif. Technol., 156, 299-310, 2015.
  13. Tooma M.A., Najim T.S., Alsalhy Q.F., Marino T., Criscuoli A., Giorno L. and Figoli A., Modification of Polyvinyl Chloride (PVC) Membrane for Vacuum Membrane Distillation (VMD) Application, Desalination, 373, 58-70, 2015.
  14. Ghaemy M. and Gharaebi I., Study of Dehydrochlorination of Poly(vinyl chloride) in Solution and the Effect of Synthesis Conditions on Graft Copolymerization with Styrene, Eur. Polym. J., 36, 1967-1979, 2000.
  15. Taghizadeh M.T. and Ghaffari S., Kinetics and Mechanism Studying of Graft Copolymerization of Acrylic Monomers on PVC, J. Sci. I.R.I., 4, 23-36, 2003.
  16. Liu F., Zhu B.K. and Xu Y.Y., Preparation and Characterization of Poly(vinyl chloride)-Graft-Acrylic Acid Membrane by Electron Beam, J. Appl. Polym. Sci., 105, 291-296, 2007.
  17. Fu R.Q., Woo J.J., Seo S.J., Lee J.S., and Moon S.H., Sulfonated Polystyrene/Polyvinyl Chloride Composite Membranes for PEMFC Applications, J. Membr. Sci., 309, 156-164, 2008.
  18. Kameda T., Imai K., Grause G., Mizoguchi T., and Yoshioka T., Kinetics of the Dehydrochlorination of Poly(vinyl chloride) in the Presence of NaOH and Various Diols as Solvents, Polym. Degrad. Stab., 94, 1595-1597. 2009.
  19. Holboke A.E.   and Pinnell, R.P., Sulfonation of Polystyrene: Preparation and Characterization of an Ion Exchange Resin in the Organic Laboratory, J. Chem. Educ., 66, 613. 1989.
  20. Shin S.M., Yoshioka T., and Okuwaki A., Dehydrochlorination Behavior of Rigid PVC Pellet in NaOH Solutions at Elevated Temperature, Polym. Degrad. Stab., 61, 349-353, 1998.
  21. Parnian M.J., Gashoul F., and Rowshanzamir S., Studies on the SPEEK Membrane with Low Degree of Sulfonation as a Stable Proton Exchange Membrane for Fuel Cell Applications, Iran J. Hydrogen Fuel Cell., 3, 221-232, 2017.
  22. Chen F., Shi X., Chen X., and Chen W., Preparation and Characterization of Amphiphilic Copolymer PVDF-g-PMABS and its Application in Improving Hydrophilicity and Protein Fouling Resistance of PVDF Membrane, Appl. Surf. Sci., 427, 787-797, 2018.
  23. Sun C. and Feng X., Enhancing the Performance of PVDF Membranes by Hydrophilic Surface Modification via Amine Treatment, Sep. Purif. Technol., 185, 94-102, 2017.
  24. Ramesh S. and Chai M.F, Conductivity Dielectric Behavior and FTIR Studies of High Molecular Weight Poly(vinylchloride)–Lithium Triflate Polymer Electrolytes, Mater. Sci. Eng. C., 139, 240-245, 2007.
  25. Yoshioka T., Kameda T., Imai S., and Okuwaki A, Dechlorination of Poly(vinyl chloride) Using NaOH in Ethylene Glycol Under Atmospheric Pressure, Polym. Degrad. Stab., 93, 1138-1141, 2008.
  26. Guo L., Shi G., and Liang Y., Poly(ethylene glycol)s Catalyzed Homogeneous Dehydrochlorination of Poly(vinyl chloride) with Potassium Hydroxide, Polym. J., 42, 5581-5587, 2001.
  27. Grafia A.L., Martini R.E., and Barbosa S.E, Spray Process to Styrene Grafting onto Polyethylene Film Surface for Paintability Enhancement, Prog. Org. Coat., 117, 91-101, 2018.
  28. de Oliveira, A.J.B., de Aguiar A.P., de Aguiar M.R.M.P., and de Santa Maria L.C., How to Maintain the Morphology of Styrene-Divinylbenzene Copolymer Beads During the Sulfonation Reaction, Mater. Lett., 59, 1089-1094, 2005.
  29. Kordoghli B., Khiari R., Mhenni M.F., Sakli F., and Belgacem M.N, Sulfonation of Polyester Fabrics by Gaseous Sulfur Oxide Activated by UV Irradiation, Appl. Surf. Sci., 258, 9737-9741, 2012.
  30. Fan X., Su Y., Zhao X., Li Y., Zhang R., Zhao J., and Liu Y, Fabrication of Polyvinyl Chloride Ultrafiltration Membranes With Stable Antifouling Property by Exploring the Pore Formation and Surface Modification Capabilities of Polyvinyl Formal, J. Membr. Sci., 464, 100-109, 2014.