اثر استخراج‌کننده، سرعت ریسیدن و سرعت جریان سیال سوراخ‌کننده بر ساختار و عملکرد غشای الیاف توخالی پلی‌اتیلنی کم‌چگالی خطی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 بناب، دانشگاه بناب، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شیمی، کد پستی 5551761167

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

3 بناب، دانشگاه بناب، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی پلیمر، کد پستی 5551761167

چکیده

فرضیه: غشاهای الیاف توخالی پلیمری با داشتن نسبت سطح به حجم زیاد، ساختارهای مناسبی در فناوری غشایی هستند. پلی‌اتیلن کم‌چگالی خطی به‌دلیل خواص ویژه‌ای که دارد، می‌تواند پلیمر مناسبی برای ساخت غشای الیاف توخالی با روش جدایی فاز گرماالقایی باشد. هدف این کار بررسی اثر استخراج‌کننده، سرعت ریسیدن و سیال سوراخ‌کننده بر ساختار و عملکرد غشای پلی‌اتیلن کم‌چگالی خطی است.
روش‌ها: پلی‌اتیلن کم‌چگالی خطی و روغن معدنی به‌عنوان رقیق‌کننده گرمادهی شدند تا محلول همگنی حاصل شود، سپس به داخل قالب شکل‌دهنده تزریق شدند. الیاف توخالی پس از خروج از قالب ‌شکل‌دهنده وارد حمام انعقاد شده سپس با استخراج‌کننده‌های مختلف استخراج شدند. اثر اتانول، هگزان و استون با پارامترهای حل‌پذیری متفاوت بر ساختار غشاها مطالعه شد. در ادامه، اثر سرعت ریسیدن و سرعت جریان سیال سوراخ‌کننده بر ساختار و عملکرد غشای استخراج‌شده با استون بررسی شد.
یافته‌ها: غشاهای استخراج‌شده با اتانول تخلخل و تراوایی آب خالص کمی نشان دادند، بدین معنی که اتانول قابلیت استخراج رقیق‌کننده از ساختار غشا را ندارد. هگزان نیز به‌دلیل داشتن پارامتر حل‌پذیری مشابه با پلی‌اتیلن کم‌چگالی خطی موجب تورم بخش بی‌شکل پلیمر و بسته‌شدن حفره‌های غشا شد. در حالی که استون به‌طور مؤثر رقیق‌کننده را از ساختار غشا خارج کرده است. تصاویر SEM نیز ساختار متخلخل غشا را تأیید کردند. سایر نتایج نشان داد، با ازدیاد سرعت ریسیدن، تراوایی آب خالص، زبری سطح و استحکام کششی غشاهای الیاف توخالی افزایش می‌یابد. افزایش سرعت تزریق سیال سوراخ‌کننده نیز به بهبود استحکام مکانیکی و کاهش تراوایی آب غشاها منجر شد. در نهایت مشخص شد، مقدار پس‌زنی پروتئین کلاژن به‌وسیله غشاهای ساخته‌شده با افزایش سرعت جریان سیال سوراخ‌کننده افزایش یافته و با افزایش سرعت ریسیدن کاهش ناچیزی بافت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of Extractant, Take-up Speed and Bore Fluid Flow Rate on the Structure and Performance of LLDPE Hollow Fiber Membrane

نویسندگان [English]

  • Elham Shokri 1
  • Zahra Shoeyb 2
  • Reza Yegani 2
  • Habib Etemadi 3
1 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Bonab, Postal Code 5551761167, Bonab, Iran
2 Faculty of Chemical Engineering, Sahand University of Technology, P.O. Box 51335-1996, Tabriz, Iran
3 Department of Polymer Science and Engineering, Faculty of Engineering, University of Bonab, Postal Code 5551761167, Bonab, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Polymeric hollow fiber membranes with high area per unit volume are proper configurations in membrane technology. Linear low density polyethylene (LLDPE) with specific properties is a suitable polymer for fabrication of hollow fiber membrane through thermally-induced phase separation method. The aim of this study was to evaluate the effect of different extractants, take-up speed and bore fluid flow rate on the structure and performance of LLDPE hollow fiber membranes.
Methods: The LLDPE and mineral oil were heated in order to obtain a homogeneous solution and fed to spinneret. The hollow fiber extruded from the spinneret entered into a coagulation bath and then extracted by different extractants. The effects of ethanol, hexane and acetone with different solubility parameters were studied on the structure of membranes. In the following, the effect of take-up speed and bore fluid flow rate was studied with respect to the structure as well as performance of membranes extracted with acetone.
Findings: Membranes extracted with ethanol showed low porosity and water permeability which implied that ethanol cannot extract diluent. Due to similar solubility parameter of hexane and LLDPE, hexane swells the amorphous region of the polymer and it blocks the pores. Acetone extracted the diluent successfully and the SEM images confirmed porous structure of the membranes. The other results showed that pure water permeability, surface roughness and tensile strength of the hollow fiber membranes increased when the take-up speed was increased. In addition, raising the bore fluid flow rate improved the strength of the membrane while it reduced the water permeability. Finally, it was revealed that the rejection of membranes in the separation of collagen protein solution was increased by increasing bore fluid flow rate and also decreased slowly by increasing the take-up speed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • linear low density polyethylene
  • hollow fiber membrane
  • extractant
  • take-up speed
  • bore fluid flow rate

مراجع

  1. Warsinger D.M., Chakraborty S., Tow E.W., Plumlee M.H., Bellona C.H., Loutatidou S., Karimi L., Mikelonis A.M., Achilli A., Ghassemi A., Padhye L.P., Snyder S.A., Curcio S., Vecitis Ch.D., Hassan Arafat H.A., and Lienhard J.H., A Review of Polymeric Membranes and Processes for Potable Water Reuse, Prog. Polym. Sci., 81, 209-237, 2018.
  2. Yan T., Ye Y., Ma H., Zhang Y., Guo W., Qin B., Dong W., Huu W., and Ngo H.H., A Critical Review on Membrane Hybrid System for Nutrient Recovery from Wastewater, Chem. Eng. J., 348, 43-156, 2018.
  3. Goh P.S. and IsmailA.F., A Review on Inorganic Membranes for Desalination and Wastewater Treatment, Desalination, 434, 60-80, 2018.
  4. Li N., Liu F., Lu Q., Shi Y., Xiao C., and Cheng B., The Preparation and Study of Poly(vinylidene fluoride)/Ultrahigh-Molecular-Weight Polyethylene/SiO2 Hollow Fiber Membrane with Network Enhanced Structure, React. Funct. Polym., 109, 64-69, 2018.
  5. Ahmad A.L., Otitoju T.A., and Ooi B.S., Hollow Fiber (HF) Membrane Fabrication: A Review on The Effects of Solution Spinning Conditions on Morphology and Performance, J. Ind. Eng. Chem., 70, 35-70, 2019.
  6. Qiu Y.R. and Matsuyama H., Preparation and Characterization of Poly(vinyl butyral) Hollow Fiber Membrane via Thermally Induced Phase Separation with Diluent Polyethylene Glycol 200, Desalination, 257, 117-123, 2010.
  7. Bildyukevich A.V., Plisko T.V., Liubimova A.S., Volkov V.V., and Usosky V.V., Hydrophilization of Polysulfone Hollow Fiber membranes via Addition of Polyvinylpyrrolidone to the Bore Fluid, J. Member. Sci., 524, 537-549, 2017.
  8. Mahmoudi N., Reed L., Moix A., Alshammari N., Hestekin J., and Servoss SL., PEG-mimetic Peptoid Reduces Protein Fouling of Polysulfone Hollow Fibers, Colloids Surf. B, 149, 23-29, 2017.
  9. Attari N., Yegani R., and Jafarzadeh Y., The Effects of Bore Fluid Composition and Coagulation Bath Temperature on the Structure and Performance of Polysulfone Hollow Fiber Membranes in Collagen Separation, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 29, 561-572, 2017.
  10. Xu Zh.L. and Qusay F.A., Polyethersulfone (PES) Hollow Fiber Ultrafiltration Membranes Prepared by PES/Non-solvent/NMP Solution, J. Member. Sci., 233, 101-111,2004.
  11. Alsalhy Q.F., Salih H.A., Simone S., Zablouk M., Drioli E., and Figoli A., Poly(ether sulfone) (PES) Hollow-fiber Membranes Prepared from Various Spinning Parameters, Desalination, 345, 21-35, 2014.
  12. Razmjou A., Resosudarmo A., and Holmes R.L., and Mansouri J., The Effect of Modified TiO2 Nanoparticles on the Polyethersulfone Ultrafiltration Hollow Fiber Membranes, Desalination, 287, 271-280, 2012.
  13. Shibutani T., Shibutani T., Kitaura T., Ohmukai Y., Maruyama T., Nakatsuka S., Watabe T., and Matsuyama H., Membrane Fouling Properties of Hollow Fiber Membranes Prepared from Cellulose Acetate Derivatives, J. Member. Sci., 376, 102-109, 2011.
  14. Jeon Y.W. and Shin M.S., Separation of Biogas Using Newly Prepared Cellulose Acetate Hollow Fiber Membranes, Energy Procedia, 136, 219-224, 2017.
  15. Chou W.L. and Yang M.C., Effect of Take-up Speed on Physical Properties and Permeation Performance of Cellulose Acetate Hollow Fibers, J. Member. Sci., 250, 259-267, 2005.
  16. Li N., Xiao C., An S., and Hu X., Preparation and Properties of PVDF/PVA Hollow Fiber Membranes, Desalination, 250, 530-537, 2010.
  17. Hassankiadeh N.T., Cui Z., Kim K.., Shin D.W., Sanguineti A., Arcella V., Lee Y.M., and Drioli E., PVDF Hollow Fiber Membranes Prepared from Green Diluent via Thermally Induced Phase Separation: Effect of PVDF Molecular Weight, J. Member. Sci., 471, 237-246, 2014.
  18. Nago S. and Mizutani Y., Microporous Polypropylene Hollow Fibers with Double Layers, J. Member. Sci., 116, 1-7, 1996.
  19. Gu B., Du Q., and Yang Y., Microporous Hollow Fiber Membranes Formed From Blends of Isotactic and Atactic Polypropylene, J. Member. Sci., 164, 59-65, 2000.
  20. Yang Y., Chen J., and Shi Y.P., Recent Developments in Modifying Polypropylene Hollow Fibers for Sample Preparation, Trends Analyt. Chem., 64, 109-117, 2015.
  21. Sun H., Rhee K.B., Kitano T., and Mah S.I., High-density Polyethylene (HDPE) Hollow Fiber Membrane via Thermally Induced Phase Separation. I. Phase Separation Behaviors of HDPE-Liquid Paraffin (LP) Blends and Its Influence on the Morphology of the Membrane, J. Appl. Polym. Sci., 73, 2135-2142, 1999.
  22. Li J.M., Xu Z.K., Liu Z.M., Yuan W.F., Hui X., Wang S.Y., and Xu Y.Y.,  Microporous Polypropylene and Polyethylene Hollow Fiber Membranes. Part 3. Experimental Studies on Membrane Distillation for Desalination, Desalination, 155, 153-156, 2003.
  23. Fu S.S., Mastuyama H., and Teramoto M., Ce(III) Recovery by Supported Liquid Membrane Using Polyethylene Hollow Fiber Prepared via Thermally Induced Phase Separation, Sep. Purif. Technol., 36, 17-22, 2004.
  24. Matsuyama H., Okafuji H., Maki T., Teramoto M., and Kubota N., Preparation of Polyethylene Hollow Fiber Membrane via Thermally Induced Phase Separation, J. Member. Sci., 223, 119-126, 2003..
  25. Lloyd D.R., Kim S.S. and Kinzer K.E., Microporous Membrane Formation via Thermally-Induced Phase Separation. II. Liquid-liquid Phase Separation, J. Member. Sci., 64, 1-11,1991.
  26. Lloyd D.R., Microporous Membrane Formation via Thermally Induced Phase Separation. I. Solid-liquid Phase Separation, J. Member. Sci., 52, 239-261,1990.
  27. Kim S.S. and Lloyd D.R., Microporous Membrane Formation via Thermally Induced Phase Separation. III. Effect of Thermodynamic Interactions on the Structure of Isotactic Polypropylene Membranes, J. Member. Sci., 64, 13-29, 1991.
  28. Hanks P.L. and Lloyd D.R., Deterministic Model for Matrix Solidification in Liquid-liquid Thermally Induced Phase Separation, J. Member. Sci., 306, 125-133, 2007.
  29. Matsuyama H., Berghmans S., and Lloyd D.R., Formation of Anisotropic Membranes via Thermally Induced Phase Separation, Polymer, 40, 2289-2301, 1999.
  30. Matsuyama H., Okafuji H., and Maki T., Preparation of Polyethylene Hollow Fiber Membrane via Thermally Induced Phase Separation, J. Member. Sci., 223, 119-126,2003.
  31. Wang J.,  Wang L.,  Ruan W.,  Zhang C., and Ji J., Rheology Behavior of High-Density Polyethylene/Diluent Blends and Fabrication of Hollow-Fiber Membranes via Thermally Induced Phase Separation, J. Appl. Polym. Sci., 118, 2186-2194, 2010.
  32. Villaluenga J.P.G. and Seoane B., Experimental Estimation of Gas-transport Properties of Linear Low-Density Polyethylene Membranes by an Integral Permeation Method, J. Appl. Polym. Sci., 82, 3013-3021, 2001.
  33. Villaluenga J.P.G., Khayet M., Godino P., Seoane B., and Mengual J.I., Pervaporation of Toluene/Alcohol Mixtures through a Coextruded Linear Low-Density Polyethylene Membrane, Ind. Eng. Chem. Res., 42, 368-391, 2003.
  34. Shokri E. and Yegani R., Central Composite Experimental Design Applied to Fabrication of LLDPE Microporous Membrane via Thermally Induced Phase Separation (TIPS) Method, J. Text. Polym., 1, 85-91, 2013.
  35. Matsuyama H., Kim M., and Lloyd D.R., Effect of Extraction and Drying on the Structure of Microporous Polyethylene Membranes Prepared via Thermally Induced Phase Separation, J. Member. Sci., 204, 413-419, 2002.
  36. Attari N., Yegani R., and Jafarzadeh Y., The Effectsof Bore Fluid Composition and Coagulation Bath Temperature on the Structure and Performance of Polysulfone Hollow Fiber Membranes in Collagen Separation, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 29, 559-570, 2017.
  37. Shokri E., Yegani R., Shoeyb Z., and Heidari S., Effect of PE-g-MA Compatibilizer on the Structure and Performance of HDPE/EVA Blend Membranes Fabricated via TIPS Method, Chem. Eng. Res. Des., 100, 237-247, 2015.
  38. Jin-hua T., Guo-qin L., Huang C., Lin-jian S., Mechanical Properties and Thermal Behaviour of LLDPE/MWNTs Nanocomposites, Mater. Res., 15, 1050-1056, 2012.
  39. Shoeyb Z., Yegani R., and Shokri E., Preparation and Characterization of HDPE/EVA Flat Sheet Membranes by Thermally Induced PhaseSeparation Method, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 28, 149-159, 2015.
  40. Jafarzadeh Y. and Yegani R.,  Analysis of Fouling Mechanisms in TiO2 Embedded High Density Polyethylene Membranes for Collagen Separation, Chem. Eng. Res. Des., 93, 684-695, 2015.

 

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 32، شماره 2 - شماره پیاپی 160
خرداد و تیر 1398
صفحه 157-169

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار