عنوان پایان‌نامه
سنتز غشا نانو کامپوزیتی حاوی ذرات اکسید فلزی برای کاربرد در مدول بیوراکتور غشایی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی-انرژی و محیط زیست
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1716.
- تاریخ دفاع
- ۰۵ اردیبهشت ۱۳۹۵
- دانشجو
- عرفان حق دوست
- استاد راهنما
- محمدرضا مهرنیا, قدرت الله هاشمی مطلق
- چکیده
- محققان بسیاری به منظور بهبود عملکرد غشا از لحاظ فلاکس عبوری و گرفتگی در سیستم های بیوراکتور غشایی از نانوذرات در ماتریس غشاهای پلیمری استفاده کرده¬اند. در این میان محققان آزمایشگاه تحقیقاتی فرایندهای غشایی دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه تهران نیز، به ساخت و بهینه-سازی غشای¬های نانوکامپوزیتی با رویکرد کاهش گرفتگی غشا در بیوراکتور غشایی پرداخته¬اند. هدف از پژوهش کنونی، مقایسه¬ی عملکرد غشاهای حاوی نانوذرات مختلف با یکدیگر در سیستم بیوراکتور غشایی بوده است. برای این منظور با انجام مطالعات اولیه، غشاهایی که تا کنون در آزمایشگاه فرآیندهای غشایی سنتز شده‌اند مورد ارزیابی قرار گرفتند. پس از آن دو غشای حاوی نانوذرات اکسید روی و غشای حاوی نانوذرات اکسید آهن به عنوان بهترین غشاهای ساخته شده در این آزمایشگاه انتخاب گردیدند و با توجه به درصدهای بهینه در سنتز این غشاها که در کارهای قبلی استخراج شده بود، سنتز غشاهای نانو کامپوزیتی حاوی نانوذرات روی و آهن انجام گرفت. غشاهای نانوکامپوزیتی به روش ترکیبی توسط ترکیب نانوذرات با محلول پلیمری و به دام انداختن آن¬ها در بستر پلیمری تهیه شدند و از افزودنی پلی¬اتیلن¬گلایکول به عنوان حفره¬ساز استفاده شده است. ساختار و خواص سطحی غشاها توسط آزمون¬های میکروسکوپ الکترونی روبشی، طیف سنج مادون قرمز، میکروسکوپ نیروی اتمی، پراکنش نور دینامیکی، اندازه گیری پتانسیل زتا و زاویه تماس مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین عملکرد غشاها در شرایط یکسان عملیاتی در بیورکتور غشایی از لحاظ میزان گرفتگی و کیفیت محصول خروجی، مورد ارزیابی قرار گرفت. عملکرد غشاها در دو اختلاف فشار 3/0 و 5/0 بار بررسی شد. تفاوت در نوع نانوذرات و درصد آن‌ها موجب ایجاد تغییر در ویسکوزیته محلول پلیمری و بار سطحی غشا گردید. نتایج نشان داد غشای حاوی نانوذرات اکسید آهن دارای بار سطحی بیشتر و در نتیجه مقاومت کیک بیشتری می¬باشد، همچنین در این غشا بدلیل ویسکوزیته بیشتر محلول پلیمری آن (بدلیل درصد نانوذره بیشتر) تاخیر در فرایند جدایش فازی و در نتیجه کوچک¬تر شدن منافذ و کاهش فلاکس آن مشاهده شده¬است. نتایج همچنین بیانگر مقاومت بازگشت ناپذیری بیشتر در غشای حاوی نانوذرات اکسید روی بوده¬است. فلاکس غشای حاوی نانوذرات اکسید روی در لجن بیشتر از فلاکس غشای حاوی نانوذرات اکسید آهن بوده است و میزان حذف اکسیژن مورد نیاز واکنش شیمیایی پس از رسیدن به شرایط پایدار در خروجی از هر دو غشا یکسان و برابر با 89 درصد بوده است که این امر بیانگر بی¬تاثیر بودن غشا در حذف اکسیژن مورد نیاز واکنش شیمیایی می¬باشد. در حالت کلی با توجه به سرعت گرفتگی در حین فرآیند غشایی، غشای حاوی نانوذرات اکسید روی از عملکرد بهتری برخوردار است اما در مرحله بازیابی غشا و ارزیابی مقاومت بازگشت ناپذیری، غشای حاوی نانوذرات اکسید آهن عملکرد بهتری را نشان داده¬است. درصد بازیابی در اختلاف فشار 3/0 بار در غشای حاوی نانوذرات اکسید روی 87 درصد و در غشای حاوی نانوذرات اکسید آهن 94 درصد بدست آمد. با وجود فلاکس بیشتر در اختلاف فشار 5/0 بار در مقایسه با اختلاف فشار 3/0 بار، نتایج استخراجی بیان کننده¬ی مقاومت بازگشت ناپذیری کمتری در اختلاف فشار 3/0 بار می¬باشد. از این رو، این اختلاف فشار جهت عملکرد بهتر سیستم بیوراکتور غشایی پیشنهاد می¬گردد.
- Abstract
- Many researchers used different types of nanoparticles in matrix of polymeric membranes to improve flux permeation and fouling characteristic of membranes in membrane bioreactors. Researchers of Membrane Process Laboratory synthesized nanocomposite membranes and improved their fouling behavior of membranes in collage of engineering University of Tehran. This research aims to compare the performance of different types of nanoparticles in structure of polysulfone based membranes in membrane bioreactor systems. Primarily, synthesized membranes were investigated in the membrane processes laboratory. Nanocomposite membranes with Fe3O4 and ZnO nanoparticles were selected according to the studies of researchers reported. Nanocomposite membrane synthesized considering optimum percentage of nanoparticles reported by researchers in membrane process laboratory. In this research membranes were fabricated by blending nanoparticles in polymeric solution and trapping them in polymeric bed and polyethylene glycol was applied as the poregen. Afterwards morphology and surface properties were investigated by Atomic force microscopy, Scanning Electron Microscopy, FTIR, Dynamic light scattering, Contact angle test. Also membrane performance, fouling behavior and the quality of permeate were evaluated in the same operational condition in membrane bioreactor. Membrane performance was evaluated in two trance membrane pressure. Nanoparticles types and percentages could change the polymeric solution’s viscosity and membrane surface Zeta potential. It was demonstrated that Fe3O4 nanoparticle membrane has more surface Zeta potential consequently more cake resistance and due to the polymeric solution’s more viscosity, this membrane showed delay in phase inversion process which led to reduction of pores size and flux. Results also indicated more irreversible resistance in ZnO nanoparticle membrane. ZnO nanoparticle membrane’s flux in bioreactor was more than Fe3O4 nanoparticle membrane. Chemical oxygen demand (COD) removal rate was 89% and equal in both membranes after reaching stable condition which proves that the membrane didn’t affect COD removal rate. ZnO nanoparticle membrane’s fouling rate is lower than Fe3O4 nanoparticle membrane but Fe3O4 nanoparticle membrane performed better in flux recovery and Irreversible resistance. Flux recovery in trans membrane pressure of 0.3 bar was 87% for ZnO nanoparticle membrane and 94% in Fe3O4 nanoparticle membrane. Despite more flux in trans membrane pressure of 0.5 bar compared to trans membrane pressure of 0.3 bar, results indicated more Irreversible resistance in 0.3 bar trans membrane pressure.
