اصلاح سطح غشای الکتروریسی‌شده پلی(وینیلیدن فلوئورید) با پلیمرشدن پلاسمای کم‌فشار برای بهبود عملکرد بلندمدت غشا در فرایند شیرین‌سازی آب بر پایه روش تقطیر غشایی فاصله هوایی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکده مهندسی نساجی، کدپستی 83111-84156

چکیده

فرضیه: امروزه دسترسی‌نداشتن به آب شیرین به مشکل جدی برای مردم دنیا تبدیل شده است. یافتن روش مناسبی برای حل این مشکل، توجه پژوهشگران بسیاری را جلب کرده است. در سال‌های اخیر، الکتروریسی به‌عنوان روش متداول برای تهیه غشاهای نانولیفی به‌کار گرفته شده است. 
روش‌ها: غشای نانولیفی آب‌گریز و روغن‌گریز ساخته‌شده از پلی‌(وینیلیدن فلوئورید) (PVDF) با روش الکتروریسی تهیه شد. سطح غشای نانولیفی با پلیمرشدن پلاسمای کم‌فشار اصلاح شد ابتدا، سطح غشا با استفاده از پلاسمای گاز آرگون به‌منظور ایجاد رادیکال‌های آزاد روی زنجیرهای پلیمری فعال شد. سپس، مونومر پرفلوئورودسیل آکریلات روی سطح نانوالیاف در محیط پلاسمای کم‌فشار پلیمر شد. عملکرد بلندمدت غشای نانولیفی آب‌گریز-روغن‌گریز تهیه‌شده، در ماژول تقطیر غشایی دارای فاصله هوا (AGMD) ارزیابی شد. بدین منظور، از محلول آب نمک (%wt 3.5) دارای 0.2mM سدیم دودسیل سولفات به‌عنوان محلول خوراک استفاده شد.
یافته‌ها: با اندازه‌گیری زاویه تماس قطره‌های ایزوپروپانول، روغن موتور، نفت سفید و آب به‌ترتیب 120، 126، 127 و °140، ویژگی آب‌گریزی-روغن‌گریزی غشا تأیید شد. در ماژول تقطیر غشایی دارای شکاف هوا، غشای اصلاح‌نشده پس از گذشت 25min  تر و غیرقابل استفاده شد. در حالی که در غشای اصلاح‌شده پس از گذشت 300min پس‌زنی نمک %98 حفظ شد. به بیان دقیق‌تر، در مقایسه با غشای اصلاح‌نشده، عملکرد بلندمدت غشای اصلاح‌شده و مقاومت آن در برابر ترشدن 12 برابر بهبود یافت. در این پژوهش، روشی کارآمد و نسبتاً ساده برای اصلاح سطح الیاف الکتروریسی‌شده PVDF با استفاده از پلیمرشدن مونومر پرفلوئورودسیل آکریلات تحت پلاسمای کم‌فشار ارائه شد. غشای اصلاح‌شده می‌تواند به‌منظور شیرین‌سازی آب با استفاده از روش تقطیر غشایی دارای فاصله هوا مورد توجه قرار گیرد. 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Surface Modification of Electrospun Poly(vinylidene fluoride) Membrane by Low-Pressure Plasma Polymerization to Improve Long-Term Membrane Performance in Water Desalination Process Based on Air Gap Membrane Distillation Method

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Asadolahi
  • Hossein Fashandi
Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, 84156-83111, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Today, the lack of access to fresh water has become a serious problem for people around the world. Finding an appropriate method to solve this problem has attracted the attention of many researchers. In recent years, the well-known electrospinning technique has been used as a conventional method to prepare nanofibrous membranes.
Methods: A hydrophobic and oleophobic (omniphobic) nanofibrous membrane made of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) was prepared by electrospinning. The surface of the nanofibrous membrane was modified using low-pressure plasma polymerization. First, the membrane surface was activated using argon gas plasma to generate free radicals on the polymer chain. Then, perfluorodecyl acrylate monomer was polymerized on the surface of nanofibers in a low-pressure plasma medium. The long-term performance of the prepared omniphobic nanofibrous membrane was evaluated in an air gap membrane distillation (AGMD) module. For this purpose, a saline solution (3.5% by wt) containing 0.2 mM of sodium dodecyl sulfate was used as the feed solution.
Findings: To prove the membrane omniphobic characteristic, the contact angle for isopropanol, engine oil, kerosene and water droplets was measured as 120°, 126°, 127°, 140°, respectively. In the AGMD module, the unmodified membrane became wet and unusable after 25 min, whereas the modified membrane maintained a flux of 4.2 L/ (m2.h) and salt rejection of 98% for a time period as long as 300 min. To be more precise, in comparison to the unmodified membrane, the long-term performance and wetting resistance of the modified membrane enhanced more than 12 times. In this research, an efficient and relatively simple technique was provided to modify the surface of electrospun PVDF fibers by low-pressure plasma polymerization of perfluorodecyl acrylate monomer. The modified membrane can be considered for water desalination using AGMD technique.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nanofibrous membrane
  • electrospinning
  • omniphobic
  • perfluorodecyl acrylate
  • low-pressure plasma polymerization

مراجع

  1. Mekonnen M.M. and Hoekstra A.Y., Four Billion People Facing Severe Water Scarcity, Adv., 2,1-6, 2016.
  2. Lalia B.S., Kochkodan V., Hashaikeh R., and Hilal N., A Review on Membrane Fabrication: Structure, Properties and Performance Relationship, Desalination, 326, 77-95, 2013.
  3. Dow N. and Duke M., Demonstration of Membrane Distillation on Textile Waste Water: Assessment of Long Term Performance, Membrane Cleaning and Waste Heat Integration, Sci. Water Res. Technol., 3, 1-32, 2017.
  4. Su C.I., Shih J.H., Huang M.S., Wang C.M., Shih W.C., and Liu-sheng Y., A Study of Hydrophobic Electrospun Membrane Applied in Seawater Desalination by Membrane Distillation, Fibers Polym., 13, 698-702, 2012.
  5. Subramani A. and Jacangelo J.G., Emerging Desalination Technologies for Water Treatment: A Critical Review, Water Res., 75,164-187, 2015.
  6. El-Bourawi M.S., Ding Z., Ma R., and Khayet M., A Framework for Better Understanding Membrane Distillation Separation Process, Member. Sci., 285, 4-29, 2006.
  7. Tijing L.D., Choi J.S., Lee S., Kim S.H., and Shon H.K., Recent Progress of Membrane Distillation Using Electrospun Nanofibrous Membrane, Member. Sci., 453, 435-462, 2014.
  8. Deka B.J., Guo J., and An A.K., Robust Dual-Layered Omniphobic Electrospun Membrane with Anti-wetting and Anti-scaling Functionalised for Membrane Distillation Application, Membr Sci., 624, 2021.
  9. Cui W., Li X., Zhou S., and Weng J., Investigation on Process Parameters of Electrospinning System Through Orthogonal Experimental Design, Appl. Polym. Sci., 103, 3105-3112, 2007.
  10. Sarkar K., Gomez C., and Zambrano S., Electrospinning to ForcespinningTM, Mater Today, 13, 12-14, 2010.
  11. Fashandi H., Karimi M., Pore Formation in Polystyrene Fiber by Superimposing Temperature and Relative Humidity of Electrospinning Atmosphere, Polymer, 53, 5832-5849, 2012.
  12. Liao Y., Wang R., Tian M., Qiu C., and Fane A.G., Fabrication of Polyvinylidene Fluoride (PVDF) Nanofiber Membranes by Electrospinning for Direct Contact Membrane Distillation, Membr. Sci., 425-426, 30-39, 2013.
  13. Feng C., Khulbe K.C., and Matsuura T., Production of Drinking Water from Saline Water by Air-Gap Membrane Distillation Using Polyvinylidene Fluoride Nanofiber Membrane, Membr. Sci., 311, 1-6, 2008.
  14. Lin S., Nejati S., Boo C., Hu Y., and Osuji C.O., and Elimelech M., Omniphobic Membrane for Robust Membrane Distillation, Sci. Technol. Lett., 1, 443-447, 2014. 
  15. Amini G., Karimi M., and Ashtiani F.Z., The Influence of Fibers Diameter on Water Vapor Permeability, Waterproof and Windproof Properties of Electrospun Poly(vinylidene fluoride) Membrane, J. Polym. Sci. Technol. (Persain), 32, 485-495, 2020.
  16. Yan K.K., Jiao L., Lin S., Ji X., Lu Y., and Zhang L., Superhydrophobic Electrospun Nanofiber Membrane Coated by Carbon Nanotubes Network for Membrane Distillation, Desalination, 437, 26-33, 2018.
  17. Hou D., Ding C., Li K., Lin D., Wang D., and Wang J., A Novel Dual-Layer Composite Membrane with Underwater-Superoleophobic/Hydrophobic Asymmetric Wettability for Robust Oil-Fouling Resistance in Membrane Distillation Desalination, Desalination, 428, 240-249, 2018.
  18. An X., Liu Z., and Hu Y., Amphiphobic Surface Modification of Electrospun Nanofibrous Membranes for Anti-wetting Performance in Membrane Distillation, Desalination, 432, 23-31, 2018.
  19. Zhang W., Wang Z., and Li B., Omniphobic Membrane with Nest-Like Re-entrant Structure via Electrospraying Strategy for Robust Membrane Distillation, Membr. Sci., 640, 119824, 2021.
  20. Haji A., Khajeh Mehrizi M., Ali Tavanai M., and Gohari M., Water Repellent Breathable PET/Wool Fabric via Plasma Polymerisation Technology, TEXTEH Proceedings, 10, 78-80, 2021.
  21. Yang C., Li X.M., and Gilron J., CF4 Plasma-Modified Superhydrophobic PVDF Membranes for Direct Contact Membrane Distillation, Membr. Sci., 456, 155-161, 2014.
  22. Liu L., Charlton L., and Song Y., Scaling Resistance by Fluoro-Treatments: The Importance of Wetting States, Mater. Chem. A, 10, 3058-3068, 2022.
  23. Yan Y.H., Chan-Park M.B., and Yue C.Y., CF4 Plasma Treatment of Poly(dimethylsiloxane): Effect of Fillers and Its Application to High-Aspect-Ratio UV Embossing, Langmuir, 21, 8905-8912, 2005.
  24. Wei X., Zhao B., and Li X.M., CF4 Plasma Surface Modification of Asymmetric Hydrophilic Polyethersulfone Membranes for Direct Contact Membrane Distillation, Membr. Sci., 407-408, 164-175, 2012.
  25. Tian M., Yin Y., and Yang C., CF4 Plasma Modified Highly Interconnective Porous Polysulfone Membranes for Direct Contact Membrane Distillation (DCMD), Desalination, 369, 105-114, 2015.
  26. Woo Y.C., Chen Y., and Tijing L.D., CF4 Plasma-Modified Omniphobic Electrospun Nanofiber Membrane for Produced Water Brine Treatment by Membrane Distillation, Membr. Sci., 529, 234-242, 2017.
  27. Carneiro de Oliveira J., de Meireles Brioude M., Airoudj A., Bally-Le Gall F., and Roucoules V., Plasma Polymerization in the Design of New Materials: Looking Through the Lens of Maleic Anhydride Plasma Polymers, Mater Today Chem., 23, 100646, 2022.
  28. Ramamoorthy A., El-Shafei A., and Hauser P., Plasma Induced Graft Polymerization of C6 Fluorocarbons on Cotton Fabrics for Sustainable Finishing Applications, Plasma Process Polym, 10, 430-443, 2013.
  29. Mozaffari A., Gashti M.P., Mirjalili M., and Parsania M., Argon and Argon–Oxygen Plasma Surface Modification of Gelatin Nanofibers for Tissue Engineering Applications, Membranes, 11, 31, 2021.
  30. Nageswaran G., Jothi L., and Jagannathan S., Plasma Assisted Polymer Modifications, Non-Thermal Plasma Technol. Polym., 95, 127, 2019.
  31. Bhatt S., Pulpytel J., and Aref-Khonsari F., Low and Atmospheric Plasma Polymerisation of Nanocoatings for Bio-Applications, Innov., 3, 63-83, 2015.
  32. Kumar V., Pulpytel J., Rauscher H., Mannelli I., Rossi F., and Arefi-Khonsari F., Fluorocarbon Coatings via Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition of 1H,1H, 2H,2H-Perfluorodecyl Acrylate-2,Morphology, Wettability and Antifouling Characterization, Plasma Process Polym., 7, 926-938, 2010.
  33. Eyckens D.J., Jarvis K., and Barlow A.J., Improving the Effects of Plasma Polymerization on Carbon Fiber Using a Surface Modification Pretreatment, Part A: Appl. Sci. Manuf., 143, 106319, 2021.
  34. Wang Z., Sahadevan R., Crandall C., Menkhaus T.J., and Fong H., Hot-Pressed PAN/PVDF Hybrid Electrospun Nanofiber Membranes for Ultrafiltration, Membr. Sci., 611, 118327, 2020.
  35. Mrsic I., Bäuerle T., and Ulitzsch S., Oxygen Plasma Surface Treatment of Polymer Films-Pellethane 55DE and EPR-g-VTMS, Surf. Sci., 536, 147782, 2021.
  36. Kumar V., Pulpytel J., and Arefi-Khonsari F., Fluorocarbon Coatings via Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition of 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyl Acrylate-1, Spectroscopic Characterization by FT-IR and XPS, Plasma Process Polym., 7, 939-950, 2010.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 35، شماره 2 - شماره پیاپی 178
خرداد و تیر 1401
صفحه 151-162

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار