بهبود عملکرد غشاهای نانوفیلتراسیون نانوکامپوزیتی اصلاح شده با گروه‌های آمینی مختلف: افزایش شار و بهبود خواص جداسازی آلاینده‌ها از پساب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری آلودگی‌های محیط زیست، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران،

2 عضو هیات علمی دانشگاه شهید بهشتی

چکیده

در مطالعه حاضر، نانوکامپوزیت‌­های زیست‌­سازگار Fe3O4@SiO2-NH2 و Fe3O4@SiO2-CS با استفاده از نانوذرات Fe3O4، سیلیس‌­های بی­‌شکل استخراج شده از پسماندهای کشاورزی پوسته برنج و کلش گندم و گروه­های عاملی APTMS و CS سنتز شدند و به عنوان یک نانوفیلر کارآمد جهت اصلاح ساختار غشاهای PES NF بکار برده شدند. آنالیزهای ساختاری، ساختار خوب نانوکامپوزیت­‌های سنتز شده و غشاهای ساخته شده را تایید کردند. غشای NFM-WS اصلاح شده با نانوکامپوزیت Fe3O4@SiO2-CS با L m–2 h–1 6/70 شار آب خالص بالاتری نسبت به غشای NFM-RH اصلاح شده با نانوکامپوزیت Fe3O4@SiO2-NH2 با L m–2 h–1 4/65 داشت. غشاهای ساخته ‌شده برای تصفیه پساب‌های ساختگی و شبیه‌سازی شده مورد استفاده قرار گرفت. هر دو غشا بالاترین حذف نمک را با بالای 80% برای Na2SO4 و کمترین حذف نمک را با حدود 10% برای MgCl2 نشان دادند. کارایی غشاهای NFM-RH و NFM-WS برای حذف یون‌­های فلز سنگین Cd2+ تقریباً مشابه و به ترتیب 97 و 98% بود. غشاهای NFM-RH و NFM-WS کارایی بالایی با بالای 98% برای حذف رنگ MR نشان دادند. غشاهای NFM-RH و NFM-WS به ترتیب با FRR بالای 88 و 93% نسبت بازیابی شار عالی از خود نشان دادند. همچنین، Rt و Rir غشای NFM-RH به ترتیب حدود 69 و 12% و Rt و Rir غشای NFM-WS به ترتیب حدود 50 و 7% بودند که همگی نشان از خواص ضدگرفتگی عالی غشاهای NF ساخته شده داشتند. در مجموع، غشاهای NF ساخته شده جهت تصفیه آب بسیارکارآمد بوده و از نظر زیست‌محیطی نیز ارزان قیمت بوده و با توجه به منبع اولیه تولید آن­ها زیست‌­سازگار می­‌باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Performance Enhancement of Nanocomposite Nano-filtration Membranes Modified by Various Amine Groups: Increase in Flux and Improvement of Separation Properties of Pollutants from Wastewater

نویسندگان [English]

  • soran kamari 1
  • Afsaneh Shahbazi 2
1 Shahid Behesti university
2 SBU
چکیده [English]

In the present study, Fe3O4@SiO2-NH2 and Fe3O4@SiO2-CS biocompatible nanocomposites were synthesized using Fe3O4 MNPs, amorphous silica extracted from rice husk and wheat straw agricultural wastes, and APTMS and CS functional groups and applied as an efficient nanofiller to modify PES NF membranes structure. Structural analyses confirmed the fine structure of synthesized nanocomposites and fabricated membranes. NFM-WS membrane modified by Fe3O4@SiO2-CS nanocomposite with 70.6 L m–2 h–1 had higher pure water flux compared with NFM-RH membrane modified by Fe3O4@SiO2-NH2 nanocomposite with 65.4 L m–2 h–1. Both membranes showed the highest salt rejection with more than 80% for Na2SO4 and the lowest salt rejection with about 10% for MgCl2. Performance of NFM-RH and NFM-WS membranes for removal of Cd2+ heavy metal ions were almost the same as 97 and 98%, respectively. NFM-RH and NFM-WS membranes indicated high performance with more than 98% for removal of MR dye. NFM-RH and NFM-WS membranes by FRR of more than 88 and 93%, respectively, demonstrated an excellent flux recovery ratio. Also, Rt and Rir of NFM-RH membrane were about 69 and 12%, respectively, and Rt and Rir of NFM-WS membrane were about 50 and 7%, respectively, which displayed excellent antifouling properties of fabricated NF membranes. In conclusion, fabricated NF membranes are so efficient for water treatment and in terms of environmental are low cost and due to their primary production source are biocompatible.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rice husk
  • wheat straw
  • biocompatible nanocomposites
  • NF membranes
  • wastewater Treatment
1.Jayasantha Kumari, P. Krishnamoorthy, T.K. Arumugam, S. Radhakrishnan, D. Vasudevan, An efficient removal of crystal violet dye from waste water by adsorption onto TLAC/Chitosan composite: A novel low cost adsorbent, International Journal of Biological Macromolecules, 96 (2017) 324-333.
2.Ahmad, T. Belwal, L. Li, S. Ramola, R.M. Aadil, Abdullah, Y. Xu, L. Zisheng, Utilization of wastewater from edible oil industry, turning waste into valuable products: A review, Trends in Food Science & Technology, 99 (2020) 21-33.
3.Kamari, A. Shahbazi, Biocompatible Fe3O4@SiO2-NH2 nanocomposite as a green nanofiller embedded in PES–nanofiltration membrane matrix for salts, heavy metal ion and dye removal: Long–term operation and reusability tests, Chemosphere, 243 (2020) 125282.
4.Wang, Y. Zhang, J. Zhu, J. Hou, J. Liu, B. Van der Bruggen, Zwitterionic functionalized layered double hydroxides nanosheets for a novel charged mosaic membrane with high salt permeability, Journal of Membrane Science, 51 (2016) 27-37.
5.Moradi, S. Zinadini, L. Rajabi, A. Ashraf Derakhshan, Removal of heavy metal ions using a new high performance nanofiltration membrane modified with curcumin boehmite nanoparticles, Chemical Engineering Journal, 390 (2020) 124546.
6.Wang, J. Zhu, M.T. Tsehaye, J. Li, G. Dong, S. Yuan, X. Li, Y. Zhang, J. Liu, B. Van der Bruggen, High flux electroneutral loose nanofiltration membranes based on rapid deposition of polydopamine/polyethyleneimine, Journal of Materials Chemistry A, 5(28) (2017) 14847-14857.
7.He, D.L. Zhao, T.-S. Chung, Na+ functionalized carbon quantum dot incorporated thin-film nanocomposite membranes for selenium and arsenic removal, Journal of Membrane Science, 564 (2018) 483-491.
8.Wang, R. He, X. Han, D. Jiao, J. Zhu, F. Lai, X. Liu, J. Liu, Y. Zhang, B. Van der Bruggen, High performance loose nanofiltration membranes obtained by a catechol-based route for efficient dye/salt separation, Chemical Engineering Journal, 375 (2019) 121982.
9.Liu, Y. Sui, X. Wang, Metal–organic framework-based ultrafiltration membrane separation with capacitive-type for enhanced phosphate removal, Chemical Engineering Journal, 371 (2019) 903-913.
10.Gao, G. Zhang, Q. Zhang, X. Zhan, F. Chen, Improved Antifouling Properties of Poly(Ether Sulfone) Membrane by Incorporating the Amphiphilic Comb Copolymer with Mixed Poly(Ethylene Glycol) and Poly(Dimethylsiloxane) Brushes, Industrial & Engineering Chemistry Research, 54(35) (2015) 8789-8800.
11.Rowley, N.H. Abu-Zahra, Synthesis and characterization of polyethersulfone membranes impregnated with (3-aminopropyltriethoxysilane) APTES-Fe3O4 nanoparticles for As(V) removal from water, Journal of Environmental Chemical Engineering, 7(1) (2019) 102875.
12.M. Sanati, S. Kamari, F. Ghorbani, Application of response surface methodology for optimization of cadmium adsorption from aqueous solutions by Fe3O4@SiO2@APTMS core–shell magnetic nanohybrid, Surfaces and Interfaces, 17 (2019) 100374.
13.Fan, C. Luo, X. Li, F. Lu, H. Qiu, M. Sun, Fabrication of novel magnetic chitosan grafted with graphene oxide to enhance adsorption properties for methyl blue, Journal of Hazardous Materials, 215-216 (2012) 272-279.
14.Kamari, F. Ghorbani, Extraction of highly pure silica from rice husk as an agricultural by-product and its application in the production of magnetic mesoporous silica MCM–41, Biomass Conversion and Biorefinery, (2020).
15.Zhu, M. Tian, Y. Zhang, H. Zhang, J. Liu, Fabrication of a novel “loose” nanofiltration membrane by facile blending with Chitosan–Montmorillonite nanosheets for dyes purification, Chemical Engineering Journal, 265 (2015) 184-193.
16.Zhang, M. He, D. Gao, Y. Liu, M. Wu, Z. Jiao, Y. Su, Z. Jiang, Polyphenol-assisted in-situ assembly for antifouling thin-film composite nanofiltration membranes, Journal of Membrane Science, 566 (2018) 258-267.
17.Zhang, H. Guan, N. Zhang, B. Jiang, Y. Sun, N. Yang, A loose NF membrane by grafting TiO2-HMDI nanoparticles on PES/β-CD substrate for dye/salt separation, Separation and Purification Technology, 218 (2019) 8-19.
18.Bi, Q. Zhang, R. Zhang, Y. Su, Z. Jiang, Thin film nanocomposite membranes incorporated with graphene quantum dots for high flux and antifouling property, Journal of Membrane Science, 553 (2018) 17-24.
19.Balta, A. Sotto, P. Luis, L. Benea, B. Van der Bruggen, J. Kim, A new outlook on membrane enhancement with nanoparticles: The alternative of ZnO, Journal of Membrane Science, 389 (2012) 155-161.
20.V. Chai, E. Mahmoudi, Y.H. Teow, A.W. Mohammad, Preparation of novel polysulfone-Fe3O4/GO mixed-matrix membrane for humic acid rejection, Journal of Water Process Engineering, 15 (2017) 83-88.
21.A. Al Malek, M.N. Abu Seman, D. Johnson, N. Hilal, Formation and characterization of polyethersulfone membranes using different concentrations of polyvinylpyrrolidone, Desalination, 288 (2012) 31-39.
22.Zhu, M. Tian, J. Hou, J. Wang, J. Lin, Y. Zhang, J. Liu, B. Van der Bruggen, Surface zwitterionic functionalized graphene oxide for a novel loose nanofiltration membrane, Journal of Materials Chemistry A, 4(5) (2016) 1980-1990.