ساخت غشای تبادل کاتیونی ناهمگن لایه‌نازک با استفاده از لایه نانوکامپوزیتی کیتوسان دارای نانوذرات مس اکسید

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 اراک، دانشگاه اراک، دانشکده فنی مهندسی، گروه مهندسی شیمی، کد پستی 8349-8-38156

2 اراک، دانشگاه علوم پزشکی اراک، دانشکده پزشکی، کد پستی 3819693345

چکیده

فرضیه: در این پژوهش، سطح غشای تبادل کاتیونی ناهمگن، با استفاده از لایه نانوکامپوزیتی کیتوسان دارای نانوذرات مس اکسید به‌منظور استفاده در فرایند الکترودیالیز اصلاح شد. اثر لایه سطحی ایجادشده بر ساختار، خواص انتقالی، جداسازی و ضدباکتریایی غشاها بررسی شد.
روش‌ها: غشاهای دولایه با روش پوشش‌دهی غرقه‌ای تهیه شدند. آزمون‌های میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM)، پراش‌سنجی پرتو‌ Xو (XRD)، طیف‌نمایی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR) به‌همراه آزمون‌های مقاومت الکتریکی، شار یون، حذف فلزات سنگین، محتوای آب، زاویه تماس و عملکرد ضدباکتریایی برای ارزیابی غشاها به‌کار گرفته شدند.
یافته‌ها: نتایج آزمون پراش پرتو‌ X و طیف زیرقرمز تبدیل فوریه تشکیل لایه نانوکامپوزیتی کیتوسان-نانوذرات مس اکسید را روی سطح غشای پایه تأیید کرد. تصاویر میکروسکوپی الکترونی پویشی تشکیل لایه نسبتاَ یکنواختی را روی سطح غشاهای اصلاح‌شده نشان داد. مقدار محتوای آب غشاهای دولایه نسبت به غشای پایه روندی افزایشی داشت. در حالی که نتایج افزایشی زاویه تماس، حاکی از افزایش مقدار زبری سطح غشاها بود. مقاومت الکتریکی غشاهای دولایه ابتدا با به‌کاگیری نانوذرات مس اکسید در لایه سطحی تا %46 کاهش یافت و این در حالی است که شار یون تک‌ظرفیتی حدود %50 و نیز شار دوظرفیتی برای فلزات سنگین تا بیش از %300 افزایش یافت. اما در غلظت‌های بیشتر نانوذرات مس اکسید در لایه سطحی، مقاومت الکتریکی غشاها دوباره افزایش یافت و شار غشاها روندی کاهشی نشان داد. غشاهای دولایه نانوکامپوزیتی قابلیت زیادی در حذف یون‌های فلز سنگین مس و نیز عملکرد ضدباکتریایی مناسبی در برابر Escherichia coli نشان دادند. از بین نمونه‌های تهیه‌شده غشای دولایه دارای %0.001 وزنی نانوذرات مس اکسید عملکرد بهتری نسبت به غشای پایه و سایر غشاهای اصلاح‌شده نشان داد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Fabrication of Thin Film Heterogeneous Cation Exchange Membrane in Chitosan Nanocomposite Layer with Copper Oxide Nanoparticles

نویسندگان [English]

  • SayedMohsen Hosseini 1
  • Narjes Rabiei karahroudi 1
  • Monireh Rafiei 1
  • Ashraf Ahmadi 1
  • Sadra Solhi 2
1 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, P.O. Box: 38156-8-8349, Arak, Iran
2 School of Medicine, Arak University of Medical Sciences, Postal Code 3819693345, Arak, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: The surface modification of a heterogeneous cation exchange membrane was carried out through a chitosan nanocomposite layer containing copper oxide nanoparticles in an electrodialysis process. The effect of the formed surface layer on the structure and transfer, separation and antibacterial properties of the membranes was investigated.   
Methods: Double layer membranes were produced by dip-coating method. Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffractometry (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR-ATR), electrical resistance, ionic flux, ability to remove heavy metal ions, water content, water contact angle and antibacterial experiments were employed to examine the membranes.
Findings: The EDX and FTIR results confirmed the formation of chitosan-copper oxide nanocomposite layer on the surface of pristine membrane. The SEM images also showed the formation of a uniform layer on the modified membranes. The amount of water content for double-layer membranes showed an increasing trend compared to pristine membranes, although the contact angle results proved an increase in surface roughness for double-layer membranes. The results of ionic properties also showed that the electrical resistances of double-layer membranes decreased to 46% initially by utilizing CuO nanoparticles in the surface layer, whereas the monovalent ionic flux and bivalent flux for heavy metals were enhanced by 50% and >300%, respectively. At high ratios of CuO nanoparticles in the surface layer, the electrical resistance of membranes increased again and the flux showed a decreasing trend. Double-layer nanocomposite membranes showed a high ability to remove copper heavy metal ions and their antibacterial performance was suitable against Escherichia coli. Among the prepared membranes, the double-layer membrane containing 0.001% (by weight) copper oxide nanoparticles showed better performance compared to a pristine and other modified membranes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Double layer ion exchange membrane
  • Electrodialysis
  • Surface modification
  • Chitosan/Copper oxide nanoparticles
  • Separation/Transfer/Antibacterial properties

مراجع

  1. Bagheripour E., Moghadassi A.R., Parvizian F., and Hosseini S.M., Tailoring the Separation Performance and Fouling Reduction of PES Based Nanofiltration Membrane by Using a PVA/Fe3O4 Coating Layer, Eng. Res. Des., 144, 418-428, 2019.
  2. Bandehali S., Moghadassi A.R., Parvizian F., Zhang Y., Hosseini S.M., and Shen J.N., New Mixed Matrix PEI Nanofiltration Membrane Decorated by Glycidyl-Poss Functionalized Graphene Oxide Nanoplates with Enhanced Separation and Antifouling Behavior: Heavy Metal Ions Removal, Purif. Technol., 242, 116745, 2020.
  3. Hosseini S.M., Chehreh M., Jashni E., and Shen J.N., Electrochemical Characterization of Electrodialysis Cation Exchange Membrane Incorporated with Graphite Nanoparticle for Deionization, Ionics, 26 ,1525-1535, 2020.
  4. Hosseini S.M., Behvand Usefi M.M., Habibi M., Parvizian F., Van der Bruggen B., Ahmadi A., and Nemati M., Fabrication of Mixed Matrix Anion Exchange Membrane Decorated with Polyaniline Nanoparticles to Chloride and Sulfate Ions Removal from Water, Ionics, 25, 6135-6145, 2019.
  5. Hosseini S.M., Moradi F., Koudzari Farahani S., Bandehali S., Parvizian F., Ebrahimi M., and Shen J.N., Carbon Nanofibers/Chitosan Nanocomposite Thin Film for Surface Modification of Poly(ether sulphone) Nanofiltration Membrane,  Chem. Phys., 269, 124720, 2021.
  6. Jashni E. and Hosseini S.M., High Selective Heterogeneous Cation Exchange Membrane Modified by L-Cysteine with Enhanced Electrochemical Performance, Ionics, 26, 875-893, 2020.
  7. Salehi E., Hosseini S.M., Ansari S., and Hamidi A.R., Surface Modification of Sulfonated Polyvinylchloride Cation-Exchange Membranes by Using Chitosan Polymer Containing Fe3O4Nanoparticles, Solid State Electrochem., 20, 371-377, 2016.
  8. Hosseini S.M., Nemati M., and Rafiei N., Surface Modification of Cation Exchange Membranes Using Chitosan-co-PANI/Graphene Oxide Nanocomposite Layer, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 435-446, 2018.
  9. Zareei F., Bnadehali S., Ebrahimi M., and Hosseini S.M., Fabrication and Investigation of Separation Performance and Antifouling Properties of Mixed Matrix PES-Base Nanofiltration Membrane Containing Cobalt-Ferrite Nanoparticles, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 33, 385-400, 2021.
  10. Li Q., Dunn E.T., Grandmaison E.W., and Goosen M.F.A., Applications and Properties of Chitosan, CRC, Boca Raton,
    1st, 27, 1997.
  11. Hu Y., Wang M., Wang D., Gao X., and Gao C., Feasibility Study on Surface Modification of Cation Exchange Membranes by Quaternized Chitosan for Improving Its Selectivity, Membr. Sci., 319, 5-9, 2008.
  12. Huang P., Cao M., and Liu Q., Adsorption of Chitosan on Chalcopyrite and Galena from Aqueous Suspensions, Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp., 409, 167-175, 2012.
  13. Hossain F.,  Perales-Perez O.J., Hwang S., and Roman F., Antimicrobial Nanomaterials as Water Disinfectant: Applications, Limitations and Future Perspectives, Total Environ., 466, 1047-1059, 2014.
  14. Song M.K., Park S., Alamgir F.M., Cho J., and liu M., Nanostructured Electrodes for Lithium-Ion and Lithium-Air Batteries: The Latest Developments, Challenges, and Perspectives,  Sci. Eng., 72, 203-252, 2011. 
  15. Kislyuk V.V. and Dimitriev O.P., Nanorods and Nanotubes for Solar Cells, Nanosci. Nanotechnol., 8, 131-148, 2008.
  16. Singh J., Kaur G.,  and Rawat M., A Brief Review on Synthesis and Characterization of Copper Oxidenanoparticles and Its Applications, Bioelec. Nanotechnol. A, 1, 12-22, 2016.
  17. Hosseini S.M., Madaeni S.S., and Khodabakhshi A.R., Preparation and Surface Modification of PVC/SBR Heterogeneous Cation Exchange Membrane with Silver Nanoparticles by Plasma Treatment, Membr. Sci., 365, 438-446, 2010.
  18. Hosseini S.M., Madaeni S.S., and Khodabakhshi A.R., Preparation and Characterization of ABS/HIPS Heterogeneous Cation Exchange Membranes with Various Blend Ratios of Polymer Binder, Membr. Sci., 351, 178-188, 2010.
  19. Hosseini M., Madaeni S.S., Moghadassi A.R., Joudaki E., and Bakhshi A., Improving the Electrochemical Properties of Electrodialysis Heterogeneous Cation Exchange Membrane by Surface Modification, Sep. Sci. Technol., 48, 250-263, 2013.
  20. Mengelizadeh N., Haghighifard N.J., Takdastan A., and Hormozinejad M., Physicochemical Characterization of Biopolymer Chitosan Extracted from Shrimp Shell, Iran J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 27, 371380, 2015.
  21. Mirzamohammadi M., Koudzari Farahani S., Parvizian F., and Hosseini S.M., Surface Modification of Nanofiltration Membrane Using Polyvinyl Alcohol and Chitosan-Functionalized Activated Carbon Nanoparticles, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 34, 349-358, 2021.
  22. Sedaghati F., Samari F., and Kamal M., Rapid and Cost-Effective Biosynthesis of Copper Oxide Nanoparticles and Its Application as an Efficient Catalyst for Dye Removal in Aqueous Media, Mater. Technol., 9, 23-34, 2021.
  23. Hosseini S.M., Golshanikia P., Habibi M., Jahsni E., Shen J.N., and Ebrahimi M., Intensifying Antibacterial and Electrochemical Behaviors of CuO Induced-Ion Exchange Membrane for Water Treatment, Polym. Res., 29, 2022. DOI: org/10.1007/s10965-022-03023-4

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 35، شماره 3 - شماره پیاپی 179
مرداد و شهریور 1401
صفحه 281-291

فایل ها

ارجاعات به این مقاله

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار