مدل‌سازی و بهینه‌سازی حذف سفیکسیم از محلول‌های آبی با غشای کیتوسان-کربن نیترید گرافیتی-پلی‌(وینیلیدن فلوئورید) به روش سطح پاسخ

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، واحد اهر، دانشگاه آزاد اسلامی، اهر ، ایران

2 گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، واحد اهر، دانشگاه آزاد اسلامی، اهر ، ایران

چکیده

فرضیه‌: ترکیبات دارویی، مواد دارویی و متابولیت‌های آن‌ها از راه فاضلاب‌های خانگی، بیمارستانی و صنایع دارویی وارد محیط‌زیست می‌شوند. فناوری‌های متداول قابلیت تصفیه کامل چنین پساب‌هایی را ندارند. بنابراین چنین ترکیبات به‌وفور در آب یافت می‌شوند. تاکنون از روش‌های مختلف شیمیایی، فیزیکی و زیستی برای حذف ترکیبات دارویی از محلول‌های آبی استفاده‌ شده است. در این پژوهش، ابتدا غشای کیتوسان-کربن نیترید گرافیتی-پلی‌(وینیلیدن فلوئورید) (PVDF/g-C3N4) به‌عنوان غشای جدید و کارآمد تهیه ‌شده و کارایی آن در حذف سفیکسیم از محلول‌های آبی با روش سطح پاسخ بررسی شد.
روش‌ها: غشای کیتوسان-PVDF/g-C3N4 با غوطه‌وری غشای PVDF/g-C3N4 در محلول دارای غلظت‌های مختلفی از کیتوسان تهیه شد. برای بررسی کارایی غشای کیتوسان-PVDF/g-C3N4 در حذف سفیکسیم از محلول‌های آبی، از روش سطح پاسخ بر اساس طرح مرکب مرکزی استفاده شد. چهار متغیر درصد کیتوسان، مقدار g-C3N4، وpH محلول و غلظت سفیکسیم به‌عنوان متغیرهای وابسته انتخاب شدند. برای محاسبه چهار متغیر وابسته از الگوی درجه دوم استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، از بین متغیرهای بررسی‌شده، کیتوسان به‌دلیل تبدیل غشای پلی(وینیلیدن فلوئورید) به نوع آب‌دوست، اثر عمده‌ای بر خواص ساختاری غشای کیتوسان-PVDF/g-C3N4 تهیه‌شده دارد. طبق نتایج، حداکثر حذف سفیکسیم (حدود %81.34) در pH برابر 4.42، %3.19 از کیتوسان، 0.11g  از g-C3N4 و 42.51mg/L از سفیکسیم به‌دست آمد. نتایج بهینه‌‌سازی، اختلاف کمی بین مقدارهای پیش‌بینی‌شده (%81.34) و تجربی (%78.21) نشان داد. همچنین ضریب هم‌بستگی زیاد مدل درجه دوم (%99.41) نشان داد، روش سطح پاسخ قابلیت حذف سفیکسیم را با تعداد کمی از آزمایش‌ها، به‌خوبی پیش‌بینی و بهینه‌سازی کرده است. نتایج تجربی حاکی از کارآمدی غشای کیتوسان- PVDF/g-C3N4 در حذف سفیکسیم از محلول‌های آبی است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modeling and Optimization of Cefixime Removal from Aqueous Solutions by Poly(vinylidene fluoride)/Graphitic Carbon Nitride/Chitosan Membrane Using Response Surface Methodology

نویسندگان [English]

  • Parya Hasanzade 1
  • Parvin Gharbani 2
  • Fahime Derakhshan fard 1
  • Behnaz Memar Maher 1
1 Department of Chemical Engineering, Ahar Branch, Islamic Azad University, P.O. Box 5451116714, Ahar, Iran
2 Department of Chemistry, Ahar Branch, Islamic Azad University, P.O. Box: 5451116714, Ahar, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Medicinal compounds, pharmaceutical substances and their metabolites enter the environment through hospital, domestic and pharmaceutical industries. Conventional technologies are not able to treat such wastewaters fully and therefore they are abundantly found in water. So far, various chemical, physical and biological methods have been used to remove medicinal compounds from aqueous solutions. In this research, PVDF/g-C3N4/Chitosan as a new and powerful membrane was prepared and removal of cefixime from aqueous solutions was investigated using response surface methodology (RSM).
Methods: PVDF/g-C3N4/Chitosan membrane was prepared by immersing the PVDF/g-C3N4 membrane in a solution containing different percentages of chitosan. To evaluate the efficiency of the PVDF/g-C3N4/chitosan membrane in removing cefixime, the response surface methodology was used based on the central composition design and four parameters, i.e., chitosan percentage, g-C3N4 value, pH of solution and cefixime concentration were selected as dependent variables. The quadratic model was used to calculate the four dependent variables.
Findings: The results showed that among the studied parameters, chitosan had a major effect on the structural properties of the PVDF/g-C3N4/chitosan membrane due to the conversion of polyvinylidene fluoride membrane to hydrophilic ones. According to the results, the maximum cefixime removal by the PVDF/g-C3N4/chitosan membrane was about 81.34% at a solution pH of 4.42, 3.19% chitosan, 0.11 g g-C3N4 and cefixime concentration of 42.51 mg/L. The numerical optimization results showed a slight difference between the predicted number (81.34%) and the experimentally obtained number (78.21%). Also, the high correlation coefficient (99.41%) showed that the response surface methodology has a high potential for predicting and optimizing the cefixime removal process by PVDF/g-C3N4/chitosan membrane with a small number of experiments.

کلیدواژه‌ها [English]

  • response surface
  • cefixime removal
  • modified PVDF
  • PVDF/g-C3N4/chitosan membrane
  • optimization

مراجع

  1. Abidi N., Errais E., Duplay J., Berez A., Jrad A., Schäfer G., Ghazi M., Semhi K., and Trabelsi-Ayadi M., Treatment of Dye-Containing Effluent by Natural Clay, J. Clean Prod., 86, 432-440, 2015.
  2. Arabzade H., Farzadkiya M., Esrafily A., Kermani M., and Dadban Shahamat Y., Efficiency of Catalytic Ozonation by MgO Nanoparticles to Remove Ceftriaxone from Aqueous Solution, J. Water Wastewater; Ab va Fazilab (Persian), 29, 60-69, 2018.
  3. Belghadr I., Shams Khorramabadi G., Godini H., and Almasian M., The Removal of the Cefixime Antibiotic from Aqueous Solution Using an Advanced Oxidation Process (UV/H2O2), Desalin Water Treat., 55, 1068-1075, 2015.
  4. Naghipoura D., Amoueib A,. Ghasemid K.T., and Taghavie K., Removal of Cefixime from Aqueous Solutions by the Biosorbent Prepared from Pine Cones: Kinetic and Isotherm Studies, Desalination Water Treat., 201, 219-227, 2020.
  5. Mirzamohammadi M., Koudzari Farahani S., Parvizian F., and Hosseini S.M., Surface Modification of Nanofiltration Membrane Using Poly(vinyl alcohol) and Chitosan- Functionalized Activated Carbon Nanoparticles, Iran. J.  Polym. Sci. Technol. (Persian), 34, 349-358, 2021.
  6. Salem M.S., El-Shazly A.H., Nady N., Elmarghany M.R., and Sabry M.N., PES/PVDF Blend Membrane and Its Composite with Graphene Nanoplates: Preparation, Characterization, and Water Desalination via Membrane Distillation, Desalin. Water Treat., 166, 9-23, 2019.
  7. Cui A., Liu Z., Xiao C., and Zhang Y., Effect of Micro-sized SiO2-Particle on the Performance of PVDF Blend Membranes via TIPS, J. Membr. Sci., 360, 259-264 2010.
  8. Rahimpour A,. Madaeni S.S., Taheri A.H., and Mansourpanah Y., Coupling TiO2 Nanoparticles with UV Irradiation for Modification of Polyether Sulfone Ultrafiltration Membranes, J. Membr. Sci., 313, 158-169, 2008.
  9. Fersi C. and Dhahbi M., Treatment of Textile Plant Effluent by Ultrafiltration and/or Nanofiltration for Water Reuse, Desalination, 222, 263-271, 2008.
  10. Wang M., Cui S., Yang X., and Bi W., Synthesis of g-C3N4/Fe3O4 Nanocomposites and Application as a New Sorbent for Solid Phase Extraction of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Water Samples, Talanta, 132, 922-928, 2015.
  11. Kolesnyk I., Kujawa J., Bubela H., Konovalova V., Burban A., Cyganiuk A., and Kujawski W., Photocatalytic Properties of PVDF Membranes Modified with g-C3N4 in the Process of Rhodamines Decomposition, Sep. Purf. Technol., 250, 117231, 2020.
  12. Xue J., Gao J., Xu M., Zong Y., Wang M., and Ma S., Super-Wetting Porous g-C3N4 Nanosheets Coated PVDF Membrane for Emulsified Oil/Water Separation and Aqueous Organic Pollutant Elimination, Adv. Mater. Interfac., 8, 2100962, 2021.
  13. Eghbali H., Hydrogel Composite Montmorillonite-Vanillin-Chitosan Properties Mechanical and Preparation, Iran. J.  Polym. Sci. Technol. (Persian), 34, 547-556, 2022.
  14. Wang J., Zhang W., Li W., and Xing W., Preparation and Characterization of Chitosan-Poly(vinyl alcohol)/Polyvinylidene Fluoride Hollow Fiber Composite Membranes for Pervaporation Dehydration of Isopropanol, Korean J. Chem. Eng., 32, 1369-1376, 2015.
  15. Daraei P., Madaeni S.S., Salehi E., Ghaemi N,. Ghari H.S., Khadivi M.A., and Rostami E., Novel Thin Film Composite Membrane Fabricated by Mixed Matrix Nanoclay/Chitosan on PVDF Microfiltration Support: Preparation, Characterization and Performance in Dye Removal, J. Membr. Sci., 436, 97-108, 2013.
  16. Maurya S., Parashuram K., Singh P.S., Ray P., and Reddy A.V.R., Preparation of Polysulfone–Polyamide Thin Film Composite Hollow Fiber Nanofiltration Membranes and Their Performance in the Treatment of Aqueous Dye Solutions, Desalination, 304, 11-19, 2012.
  17. Biswas M.U.D., Oh W.C., Ud R., and Biswas D., Synthesis of BiVO4-GO-PVDF Nanocomposite: An Excellent, Newly Designed Material for High Photocatalytic Activity Towards Organic Dye Degradation by Tuning Band Gap Energies, Solid State Sci., 80, 22-30, 2018.
  18. Zhang H., Xu M., Chen M., Cui Y., Chen L., Dai X., and Dai J., Fabrication of High Flux Porphrincored with Siloxane-Poly- (amido amine) Dendrimer/PVDF Composite Membrane for Oil/Water Separation and Dye Degradation, J. Environ. Chem. Eng., 10, 107634, 2022.
  19. Koyuncu I., Gul B.Y., Esmaeili M.S., Pekgenc E., Teber O.O., Tuncay G., Karimi H., Parvaz S., Maleki A., and Vatanpour V., Modification of PVDF Membranes by Incorporation Fe3O4@ Xanthan Gum to Improve Anti-Fouling, Anti-Bacterial, and Separation Performance, J. Environ. Chem. Eng., 10, 107784, 2022.
  20. Sahu U.K., Mahapatra S.S., and Patel R.K., Application of Box–Behnken Design in Response Surface Methodology for Adsorptive Removal of Arsenic from Aqueous Solution Using CeO2/Fe2O3/Graphene Nanocomposite, Mater. Chem. Phys., 207, 233-242, 2018.
  21. Bezerra M.A., Santelli R.E., Oliveira E.P., Villar L.S., and Escaleira L.A., Response Surface Methodology (RSM) as a Tool for Optimization in Analytical Chemistry, Talanta, 5, 965-977, 2008.
  22. Hasanzade P., Gharbani P., Derakhshan F., and Maher B.M., Preparation and Characterization of PVDF/g-C3N4/Chitosan Nanocomposite Membrane for the Removal of Direct Blue 14 Dye, J. Polym. Environ., 29, 3693-3702, 2021.
  23. Fathi E. and Gharbani P., Modeling and Optimization Removal of Reactive Orange 16 Dye Using MgO/g-C3N4/Zeolite Nanocomposite in Coupling with LED and Ultrasound by Response Surface Methodology, Diam Relat Mater., 115, 108346, 2021.
  24. Kolesnyk I., Kujawa J., Bubela H., Konovalova V., Burban A., Cyganiuk A., and Kujawski W., Photocatalytic Properties of PVDF Membranes Modified with g-C3N4 in the Process of Rhodamines Decomposition, Sep. Purif. Technol., 250, 117231, 2020.
  25. Dabir J., Mathew E.M., and Moorkoth S., Analytical Method Development and Validation of RP-HPLC Method for Simultaneous Estimation of N-Acetyl Cysteine and Cefexime from Its Fixed Dose Combination, Res. J. Pharm. Technol., 9, 835-842, 2016.
  26. Hasanzadeh V., Rahmanian O., and Heidari M., Cefixime Adsorption onto Activated Carbon Prepared by Dry Thermochemical Activation of Date Fruit Residues, Microchem. J., 152, 104261, 2020.
  27. Alshahrani A.A., Algamdi M.S., Alsohaimi I.H., Nghiem L.D., Tu K.L., Al-Rawajfeh A.E., and in het Panhuis M., The Rejection of Mono-and Di-Valent Ions from Aquatic Environment by MWNT/Chitosan Buckypaper Composite Membranes: Influences of Chitosan Concentrations, Sep. Purif. Technol., 234, 116088, 2020.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 35، شماره 2 - شماره پیاپی 178
خرداد و تیر 1401
صفحه 139-149

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار