عنوان پایان‌نامه
سنتز غشای نانوکامپوزیتی پوسته هسته اکسید اهن /زیرکنیوم اکسید به منظور کاهش گرفتگی در حضور ماکرومولکول های طبیعی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندها
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1820.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79145;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1820.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79145
- تاریخ دفاع
- ۰۹ بهمن ۱۳۹۵
- دانشجو
- امین نورمحمدی
- استاد راهنما
- محمدرضا مهرنیا
- چکیده
- هدف از این پژوهش سنتز غشاهای نانو کامپوزیتی پلی اکریلیونیتریل حاوی نانوذرات پوسته هسته‌ی Fe3O4@ZrO2 به‌منظور کاهش گرفتگی غشا در حضور ماکروملکول های طبیعی است. در این راستا ابتدا اثر حضور هریک از نانوذرات اکسید آهن و اکسید زیرکونیوم در ساختار غشا PAN مورد ارزیابی قرار گرفت و بر اساس نتایج آزمون های اولیه، محدوده غلظت های مناسب برای افزودن نانوذرات پوسته هسته به ساختار غشا PAN تعیین شد. سپس نانوذرات هسته پوسته Fe3O4@ZrO2 به روش ترکیبی به ساختار غشای پلیمری PAN افزوده شد و پس از بررسی مشخصات شیمیایی، سطحی و ساختاری، عملکرد آن در کاهش گرفتگی غشا بررسی شد. غشای نانوکامپوزیتی حاوی ترکیب درصدهای 0/1، 0/5، 1، 2 و 3 نانوذره Fe3O4@ZrO2 ساخته شد و ضمن بررسی خواص ساختاری آن ها، عملکرد این غشاها با غشاهای نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات Fe3O4 و ZrO2 مقایسه شد. آنالیزهای مختلفی بر روی نانوذرات Fe3O4@ZrO2، Fe3O4 و ZrO2 و غشاهای نانو کامپوزیتی انجام شد. آنالیزهای FTIR، SEM، XRD، TEM و VSM انجام‌شده بر روی نانوذرات، به ترتیب وجود گروه‌های عاملی (O-H،Fe-O و Zr-O)، توزیع اندازه ذرات، ساختار کریستالی، شکل نانوذرات و خاصیت مغناطیسی نانوذرات را نشان داد. در ادامه عملکرد فیلتراسیون و بررسی انواع مقاومت‌های کل، مقاومت برگشت‌پذیر، مقاومت برگشت‌ناپذیر، بازیابی شار و احتباس رنگ و ماکروملکول های سدیم آلژینات، بووین سرم آلبومین و هیومیک اسید به ترتیب به‌عنوان نماینده پلی ساکارید ها، پروتئین‌ها و ترکیبات آلی طبیعی پرداخته شد و درنهایت عملکرد غشاهای نانوکامپوزیتی در سیستم بیوراکتور غشایی مغناطیسی موردبررسی قرار گرفت. با افزایش غلظت نانوذرات Fe3O4@ZrO2 تا یک درصد وزنی، تخلخل و اندازه حفرات غشا افزایش یافت و برای غلظت های بیشتر نانوذرات کاهش در تخلخل و اندازه حفرات غشا مشاهده شد. نتایج فیلتراسیون نشان داد برای غشا نانوکامپوزیتی حاوی 1 درصد نانوذرات ZrO2 شار آب خالص نسبت به شار غشای خام حدود 80% افزایش یافت. برای غشا نانوکامپوزیتی حاوی نانوذرات Fe3O4 با افزاش غلظت نانوذرات تا 1 درصد وزنی شار آب افزایش و سپس کاهش یافت. همچنین نتایج نشان داد شار آب غشاهای نانو کامپوزیتی حاوی نانوذرات Fe3O4@ZrO2 با افزایش غلظت نانوذرات تا یک درصد وزنی افزایش‌یافته و سپس کاهش می‌یابد. بیشترین جداسازی رنگ‌ها برای غشا حاوی نانوذرات پوسته هسته Fe3O4@ZrO2 در غلظت نانو ذره 0/5 درصد وزنی و برابر با %87 مشاهده شد. در فیلتراسیون ماکروملکول هیومیک اسید غشای دارای 2 درصد نانوذرات ZrO2 84% مقاومت کل را کاهش داد و بازیابی شار حدود 98% را دارا بود. در فیلتراسیون ماکروملکول سدیم آلژینات غشای حاوی 3% نانوذرات پوسته هسته Fe3O4@ZrO2 دارای بیشترین کاهش مقاومت کل نسبت به غشای خام و بیشترین بازیابی شار در بین سایر غشاها بود به طوری که حدود 98% مقاومت کل را کاهش داد و بازیابی شار حدود 95% داشت. در فیلتراسیون ماکروملکول بویین سرم آلبومین در pH های مختلف غشاهای حاوی 1% نانوذرات پوسته هسته Fe3O4@ZrO2 بیشترین تاثیر را در بین سایر غشاها در کاهش مقاومت کل و افزایش بازیابی شار داشت. به طور کل غشاهای حاوی 1% نانوذرات اکسید زیرکونیوم، اکسید آهن و پوسته هسته Fe3O4@ZrO2 نتایج بهتری در فیلتراسیون ماکروملکول ها نشان داده و به همین دلیل عملکرد این غشاها در بیوراکتور غشایی مغناطیسی مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت پس از آزمون بلند مدت انجام گرفته در حالت های بهینه غشای حاوی 1% نانوذرات پوسته هسته Fe3O4@ZrO2 در شدت میدان 80 میلی تسلا و جمعیت میکروارگانیسم 8000 گرم بر لیتر شار خروجی از بیوراکتور را حدود 67% افزایش و مقاومت کل را حدود 83% کاهش داد و بهترین عملکرد را در بیوراکتور غشایی مغناطیسی داشت. این غشا در شدت میدان 120 میلی تسلا و جمعیت میکروارگانیسم 12000 گرم بر لیتر دارای بیشترین مقدار حذف COD با حدود 94% بود.
- Abstract
- The aim of this study was to synthesize Polyacrylonitrile nano-composite membranes made of nanoparticles core-shell of Fe3O4 @ ZrO2 to reduce membrane fouling in the presence of natural macromolecules. The core-shell nanoparticles of Fe3O4 @ ZrO2 was added to the combination of the PAN polymer membrane structure and the chemical characteristics, surface structure and its performance in reducing membrane fouling were studied. Nanocomposite membranes were containing the percentages of 0.1, 0.5, 1, 2 and 3 of Fe3O4 @ ZrO2 nanoparticle were made and the properties of their structure was studied. the performance of these membranes with nanoparticles containing of Fe3O4 and ZrO2 nanocomposite membranes were compared. Various analyzes on nano Fe3O4 @ ZrO2, Fe3O4 and ZrO2 and nano-composite membranes was performed. FTIR, SEM, XRD, TEM and VSM conducted Analysis on nanoparticles that are associated with functional groups (O-H, Fe-O and Zr-O) was investigated and Particle size distribution, crystal structure, the shape of the nanoparticles and magnetic nanoparticles was demonstrated. Following filtration performance and the types of resistance that containing of resistance reversible, irreversible resistance, flux recovery, color rejection, Macromolecules of sodium alginate, bovin serum albumin and humic acid, respectively, as representative polysaccharides, proteins and natural organic compounds were studied and finally, function of magnetic nanocomposite membranes in bioreactor membrane system was examined. In this study by increasing concentrations of nanoparticles Fe3O4 @ ZrO2 wt% porosity and pore size of the membrane for the decrease in porosity and pore size of the membrane concentrations of nanoparticles were observed. Results showed that for membrane filtration flux of nanocomposites that containing 1% ZrO2 nanoparticles to the raw membrane,the pure water flux was increased nearly 80%. For nanocomposite membrane with increasing concentrations of nanoparticles containing up to 1% Wt Fe3O4, water flux was increases and then decreases. The results showed that the water flux of membranes and nanocomposites containing nanoparticles Fe3O4 @ ZrO2 with increasing concentrations of nanoparticles up to 1% wt was increased and then decreased. Most color separation of membranes that containing core-shell nanoparticles Fe3O4 @ ZrO2 at concentration of 5.0% wt was obtained 87% wt, respectively. Filtration of Macromolecule humic acid nanoparticles in the membrane containing 2% ZrO2 was reduced 84% of total resistance and flux recovery had about 98%. In general, the membranes that containing zirconium oxide 1% wt, iron oxide 1% wt and core-shell Fe3O4 @ ZrO2 1% wt was shown better results in membranes filtration and therefore the performance of the magnetic membrane bioreactor was studied. Finally, after long-term tests conducted in the optimal mode of core shell nanoparticle membrane that containing 1% Fe3O4@ZrO2, The field intensity of 80 mT, population 8000 gr per liter of micro organisms bioreactor output flux was increased about 67% wt and about 83% of total resistance decreases as the best performer in the magnetic membrane bioreactor. This membrane at field intensity of 120 grams per liter and population 12000 gr per liter of micro organisms have the highest amount of COD removal was about 94% wt. Keywords: nano-composite membranes, Polyacrylonitrile, Fe3O4 nanoparticles, ZrO2 nanoparticles, Fe3O4 @ ZrO2 nanoparticle, Bovine serum albumin, Sodium alginate, Humic acid
