اصلاح ساختاری غشای پلیمری پلی‌اتر سولفون با نانوذرات SiO2/ZIF-8 برای فرایند اسمز مستقیم

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

بابل، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، دانشکده مهندسی شیمی، کدپستی 4714871167

چکیده

فرضیه: با وجود کاربرد گسترده غشاهای نانوفیلتری در فرایند اسمز مستقیم (FO)، پدیده قطبش غلظت درونی همچنان از مهم‌ترین چالش‌های این فرایند است. روش‌های مختلفی به‌منظور کاهش اثر این پدیده نامطلوب پیشنهاد شده است که یکی از آن‌ها بارگذاری نانوذرات آب‌دوست در ساختار غشاست. در این پژوهش، از نانوذرات SiO2/ZIF-8 برای بهبود ساختار و عملکرد غشاهای پلی‌اترسولفونی (PES) در فرایند اسمز مستقیم استفاده شده است.
روش‌ها: ابتدا، غشای پلی‌اتر‌سولفون با روش وارونگی فاز تهیه شد. در مرحله بعد، نانوذرات ZIF-8 و SiO2/ZIF-8 به‌عنوان پرکننده در دمای محیط سنتز شدند. غشاهای کامپوزیتی لایه‌نازک به‌عنوان لایه رویی برای فرایند اسمز مستقیم با روش پلیمرشدن بین‌‌سطحی و از واکنش میان دو مونومر واکنش‌پذیر آلی (TMC) و آبی (MPD) به‌دست آمدند. در نهایت، برای ارزیابی نانوذرات و غشاهای ساخته‌شده، آزمون‌های اندازه‌گیری زاویه تماس، طیف‌نمایی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR)، میکروسکوبی الکترونی پویشی نشر میدانی (FE-SEM)، پراش‌سنجی پرتو X و اندازه‌گیری مقدار تخلخل غشا به‌کار گرفته شدند. همچنین، عملکرد غشاهای ساخته‌شده پایه و کامپوزیتی (غشایی که حداقل از دو ماده مختلف تشکیل شده است) و نانوکامپوزیتی لایه‌نازک با فرایندهای اسمز مستقیم و معکوس بررسی شد.  
یافته‌ها: نتایج حاکی از وجود مقدار کمی SiO2/ZIF-8 در غشاست که سبب افزایش آب‌دوستی و تخلخل آن شده و شار و پس‌زنی فرایند FO را نیز بهبود داده است. شار آب غشای اسمز مستقیم لایه‌نازک نانوکامپوزیتی به‌طور چشمگیری از 15.23L/m2.hبه 25.13L/m2.h افزایش یافت، زمانی که از محلول 10 میلی‌مولار و 2 مولار NaCl، به‌ترتیب به‌عنوان محلول خوراک (FS) و محلول اسمزی (DS) استفاده شد. بهبود شار آب اسمز مستقیم را می‌توان به کمترشدن مؤلفه ساختاری غشا (S) در زیرلایه اصلاح‌شده PES و کاهش قطبش غلظت درونی نسبت داد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Structural Modification of Polymeric PES Membrane by SiO2/ZIF-8 Nanoparticle for Forward Osmosis Process

نویسندگان [English]

  • saina akbari
  • Majid Peyravi
Department of Chemical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Postal Code 47148-71167, Babol, Iran,
چکیده [English]

Hypothesis: Despite the wide application of nanofiltration (NF) membranes in forward osmosis (FO) process, one of the most important challenges of this process is the internal concentration polarization (ICP) phenomenon. Different methods have been investigated to reduce the effect of this undesirable phenomenon and it is suggested that one of these methods is loading of hydrophilic nanoparticles in the membrane structure. In this study, SiO2/ZIF-8 nanoparticles were used to improve the structure and performance of polyethersulfone membranes (PES) in FO process.
Methods: At first, polyethersulfone membrane was synthesized by phase inversion method. In the next step, ZIF-8 and SiO2/ZIF-8 nanoparticles as filler were synthesized at room temperature. Thin film composite membranes were prepared by the interfacial polymerization (IP) of two reactive organic (TMC) and aqueous (MPD) monomers. Finally, the produced membranes and nanocomposite were characterized by contact angle, FTIR spectroscopy, X-ray diffractometry (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM), and porosity measurements. Also, the performance of all membranes composed of at least two different components was investigated using reverse and forward osmosisi processes.
Finding: The outcomes demonstrated that the presence of a small amount of SiO2/ZIF-8 nanoparticle in the membrane led to an increase in the membrane hydrophilicity and porosity, and also improved the water flux and rejection of the FO. The water flux of TFN FO membrane was reported to increase remarkably from 15.23 to 25.13 L/m2.h when 10 mM NaCl and 2 M NaCl salt were utilized as feed solution (FS) and draw solution (DS), respectively. The improvement in FO water flux was ascribed to the lower S parameter of modified PES sublayer and the reduction of internal concentration polarization (ICP).

کلیدواژه‌ها [English]

  • forward osmosis
  • polyethersulfone polymeric membrane
  • hydrophilicity
  • porosity
  • SiO2/ZIF-8 nanoparticle

مراجع

  1. Wafa S., Pathak N., Shon H., and Hilal N., Forward Osmosis Membranes and Processes: A Comprehensive Review of Research Trends and Future Outlook, Desalination, 485, 114455, 2020.
  2. Zirehpour A., Rahimpour A., Khoshhal S., Firouzjaei M.D., and Ghoreyshi A.A., The Impact of MOF Feasibility to Improve the Desalination Performance and Antifouling Properties of FO Membranes, RSC Adv., 6, 70174-70185, 2016.
  3. Youngpil C., Mulcahy D., Zou L., and Kim S., A Short Review of Membrane Fouling in Forward Osmosis Processes, Membranes, 7, 30, 2017.
  4. Zirehpour A., Rahimpour A. and Ulbricht M., Nano-sized Metal Organic Framework to Improve the Structural Properties and Desalination Performance of Thin Film Composite Forward Osmosis Membrane, J. Membr. Sci., 531, 59-67, 2017.
  5. Khorshidi B., Bhinder A., Thundat T., Pernitsky D., and Sadrzadeh M., Developing High throughput Thin Film Composite Polyamide Membranes for Forward Osmosis Treatment of SAGD Produced Water, J. Membr. Sci., 511, 29-39, 2016.
  6. Hawari A., Kamal N., and Altaee A., Combined Influence of Temperature and Flow Rate of Feeds on the Performance of Forward Osmosis, Desalination, 398, 98-105, 2016.
  7. Hartanto Y., Zargar M., Cui X., and Shen Y., Thermoresponsive Cationic Copolymer Microgels as High Performance Draw Agents in Forward Osmosis Desalination, J. Membr. Sci., 518, 273-281, 2016.
  8. Qasim M., Mohamed B., Darwish N.N., Darwish N.A., and Hilal N., Reverse Osmosis Desalination: A State-of-the-Art Review, Desalination, 459, 59-104, 2019.
  9. Zi Y., Zhou Y., Feng Z., Rui X., Zhang T., and Zhang Z., A Review on Reverse Osmosis and Nanofiltration Membranes for Water Purification, Polymers, 11, 1252, 2019.
  10. Khorshidi B., Thundat T., Fleck B., and Sadrzadeh M., Thin Film Composite Polyamide Membranes: Parametric Study on the Influence of Synthesis Conditions, RSC Adv., 5, 54985-54997, 2015.
  11. Fan X., Liu Y., Quan X., and Chen S., Highly Permeable Thin-Film Composite Forward Osmosis Membrane Based on Carbon Nanotube Hollow Fiber Scaffold with Electrically Enhanced Fouling Resistance, Environ. Sci. Technol., 52, 1444-1452, 2018.
  12. Rastogi Navin K., Forward Osmosis: Principles, Applications, and Recent Developments, Current Trends and Future Developments on (Bio-) Membranes, Elsevier, 3-35, 2020.
  13. Emadzadeh D., Lau W., Matsuura T, Rahbari-Sisakht M., and Ismail A.F, A Novel Thin Film Composite Forward Osmosis Membrane Prepared from PSf–TiO2 Nanocomposite Substrate for Water Desalination, Chem. Eng. J., 237, 70-80, 2014.
  14. Emadzadeh D., Lau W., Matsuura T., and Ismail A.F., Synthesis and Characterization of Thin Film Nanocomposite Forward Osmosis Membrane with Hydrophilic Nanocomposite Support to Reduce Internal Concentration Polarization, J. Membr. Sci., 449, 74-85, 2014.
  15. Safarpour M., Khataee A.R., and Vatanpour V., Thin Film Nanocomposite Reverse Osmosis Membrane Modified by Reduced Graphene Oxide/TiO2 with Improved Desalination Performance, J. Membr. Sci., 489, 43-54, 2015.
  16. Ghanbari M., Emadzadeh D., Lau W., Riazi H., Almasi D., and Ismail A.F., Minimizing Structural Parameter of Thin Film Composite Forward Osmosis Membranes Using Polysulfone/Halloysite Nanotubes as Membrane Substrates, Desalination, 377, 152-161, 2016.
  17. Darabi R.R., Peyravi M., Jahanshahi M., and QhoreyshiAmiri A.A., Decreasing ICP of Forward Osmosis (TFN-FO) Membrane through Modifying PES-Fe3O4 Nanocomposite Substrate, Korean J. Chem. Eng., 34, 2311-2324, 2017.
  18. Arjmandi M., Peyravi M., Chenar M.P., and Jahanshahi M., Channelization of Water Pathway and Encapsulation of DS in the SL of the TFC FO Membrane as a Novel Approach for Controlling Dilutive Internal Concentration Polarization, Environ. Sci., Water Res. Technol., 5, 1436-1452, 2019.
  19. Xu Y., Li X., Lin Y., Malde C., and Wang R., Synthesis of ZIF-8
    Based Composite Hollow Fiber Membrane with a Dense Skin Layer for Facilitated Biogas Upgrading in Gas-Liquid Membrane Contactor, J. Membr. Sci., 585, 238-252, 2019.
  20. Ma N., Wei J., Qi S., Zhao Y., and Gao Y., Nanocomposite Substrates for Controlling Internal Concentration Polarization in Forward Osmosis Membranes, J. Membr. Sci., 441, 54-62, 2013.
  21. Wei J., Qiu C., and Tang. C., Synthesis and Characterization of Flat-Sheet Thin Film Composite Forward Osmosis Membranes, J. Membr. Sci., 372, 292-302, 2011.
  22. Zhang S., Wang K.Y., Chung T.S., Chen H., Jean Y.C., and Amy G., Well-constructed Cellulose Acetate Membranes for Forward Osmosis: Minimized Internal Concentration Polarization with an Ultra-Thin Selective Layer, J. Membr. Sci., 360, 522-535, 2010.
  23. Zhou Z., Lee J.Y., and Chung T.S., Thin Film Composite Forward-Osmosis Membranes with Enhanced Internal Osmotic Pressure for Internal Concentration Polarization Reduction, Chem. Eng. J.,249, 236-245, 2014.
  24. Wu C., Liu Q., Chen R., Liu J., Zhang H., Li R., Takahashi K., Liu P., and Wang J., Fabrication of ZIF-8@SiO2 Micro/Nano Hierarchical Superhydrophobic Surface on AZ31 Magnesium Alloy with Impressive Corrosion Resistance and Abrasion Resistance, ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 11106-11115, 2017.
  25. Zha S., Guoyin Zhang P., Liu N., Robert L., and Yu J., Experimental Study of PES/SiO2 Based TFC Hollow Fiber Membrane Modules for Oilfield Produced Water Desalination with Low-Pressure Nanofiltration Process, J. Ind. Eng. Chem., 44, 118-125, 2016.
  26. Fu Y.Y, Yang C.X., and Yan X.P., Fabrication of ZIF-8@SiO2 Core–Shell Microspheres as the Stationary Phase for High-Performance Liquid Chromatography, Chem. A Eur. J., 19, 13484-13491, 2013.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 34، شماره 1 - شماره پیاپی 171
فروردین و اردیبهشت 1400
صفحه 29-41

فایل ها

ارجاعات به این مقاله

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار