توصيفگر ها :
اولترافيلتراسيون , پليوينيليدينفلورايد , تصفيه و بازيابي پساب شهري , آبدوستي , مكسين Ti3C2
چكيده فارسي :
كمبود آب در جهان به ظهور فناوريهاي تصفيه براي استفاده مجدد از پساب كمك كرده است. پساب منبع مناسبي از آب قابل بازيابي است. فرايندهاي غشايي به دليل دارا بودن خواص مطلوب بهعنوان يكي از مراحل رايج و ضروري در تصفيه پساب تبديلشدهاند كه طي سالهاي اخير دچار تحولات و پيشرفتهاي فراواني شده است. از مهمترين انواع اين فرايندهاي غشايي ميتوان اولترافيلتراسيون (UF) نام برد كه كاربرد گستردهاي در حذف آلاينده مختلف را دارد. در ميان گزينههاي متعدد موجود براي انتخاب جنس غشا، پليوينيليدينفلورايد (PVDF) به سبب خواص فيزيكي و شيميايي يك انتخاب قابلاتكا ميباشد هرچند، به دليل ماهيت آبگريزي اين ماده، با معايبي مانند نفوذپذيري پايين و رسوب و گرفتگي بالا مواجه است. اگرچه براي فائق آمدن بر اين چالش امكان بهكارگيري روشهاي مختلف اصلاح توده و سطح غشا با شيوههاي نوين و افزودنيهاي پيشرفته وجود دارد تا خواص آبدوستي تقويت شود. روش اصلاح سطح با پيوند شيميايي نتايج خوبي در كاهش پديده گرفتگي به دليل ايجاد سطوح آب دوستتر با پايداري طولاني خواهد داشت. تيتانيوم كاربيد دوبعدي نانو صفحات فوقالعاده آبدوست با خواص ويژهاي بهعنوان اصلاحگر موردنظر هستند كه امروزه براي تصفيه آب و پساب موردتوجه ويژه قرار گرفتند. در اين پژوهش، سطح غشاهاي اولترافيلتراسيون پليوينيليدينفلورايد توسط نانو صفحات آبدوست مكسين Ti3C2 اصلاح شد و بهمنظور تصفيه پساب مورداستفاده قرار گرفت. مكسين با دو روش مبتني بر روش اسيدفلوريدريك و روش درجا سنتز شد. حصول موفقيت در اين مورد، تاييد ساختار با روشهاي مختلف مشخصه يابي نظير آزمونهاي طيفسنجي تبديل فوريه مادون قرمز و پراكندگي نور ديناميكي مورد ارزيابي قرار گرفت. در ادامه، غشاهاي پليوينيليدينفلورايد با تغيير در توده پليمري (وزن ملكولي پلياتيلنگلايكول) و شرايط حمام انعقاد (حمام انعقاد حاوي حلال و آب خالص) ساخته شدند و به كمك آزمونهاي مشخصهيابي و آزمونهاي عملياتي مانند شار آب خالص و گرفتگي موردبررسي قرار گرفتند. پس از انتخاب گزينه بهينه از نظر نرخ افزايش شار آب خالص (بيشترين مقدار شار آب خالص براي اين گروه غشاها، kg/m2.hr292 گزارش شد)، اصلاح سطح شيميايي با افزودن عامل سيلاني (3-كلروپروپيل) تري اتوكسي سيلان بهعنوان پيونددهنده مياني و پس از نشاندن گروههاي عاملي هيدروكسيل و پس ازآن پيوند نهايي با مكسين صورت گرفت. صحت اين روند با توجه به نتايج بهدستآمده توسط آزمون مشخصه يابي طيفسنجي مادون قرمز فوريه سطحي و آشكارساز تفكيك انرژي و زاويه تماس آب و ميكروسكوپ نيروي اتمي تاييد گرديد و همچنين آزمون ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني و تخلخل و ميزان دفع ملكولي و آزمونهاي عملياتي مانند شار آب خالص، خاصيت ضد گرفتگي نيز مورد ارزيابي واقع شد. نتايج بهدستآمده حاكي از افزايش قابلتوجه آبدوستي غشاهاي اصلاحشده با افزودن نانو صفحات Ti3C2 بود (كاهش زاويه تماس آب از مقدار 110 به 52 درجه) و افزايش نسبت بازيابي شار غشاها پس از اصلاح سطح (از مقدار 51% به 75%) نمايانگر بهبود خاصيت ضد گرفتگي غشاها است. شار آب خالص خروجي از غشا اصلاحشده از 292 به L/m2.hr 307 افزايش يافت. همچنين آزمون عملكرد شرايط عملياتي در محيط واقعي و با خوراك پساب شهري هم بيانگر عملكرد قابلتأمل ميزان درصد حذف كدورت از 77% به 85%، درصد دفع اكسيژن خواهي شيميايي فاضلاب از 5/51% به 63%، درصد دفع كل مواد جامد معلق از 73% به 93% و ميزان بازيابي شار پساب از 73% به 91% به ترتيب در غشاهاي خام و اصلاحشده Ti3C2 افزايش يافت.
چكيده انگليسي :
The world's water scarcity has led to the emergence of treatment technologies for the reuse of wastewater. Wastewater is a good source of recoverable water. Membrane processes have become one of the common and necessary steps in wastewater treatment due to their desirable properties, which have undergone many changes and improvements in recent years. One of the most important types of these membrane processes can be called Ultrafiltration, which is widely used to remove various pollutants. Among the many options available for choosing the type of fibers, polyvinylidene fluoride membrane is a reliable choice due to its physical and chemical properties; However, due to the hydrophobic nature of this material, it faces disadvantages such as low permeability and high sedimentation and fouling. Although, to overcome this challenge, it is possible to use different methods of modifying the mass and surface of the membrane with new methods and advanced additives to strengthen the hydrophilic properties. The surface modification method with chemical bonding will have good results in reducing the fouling phenomenon due to the creation of more hydrophilic surfaces with long stability. Two-dimensional titanium carbide nanoplates are extremely hydrophilic with special properties as desired modifiers, which have received special attention for water and wastewater treatment today. In this research, the surface of polyvinylidene fluoride ultrafiltration membranes was modified by Ti3C2 hydrophilic nanoplates and used for water and wastewater treatment. MXene (Ti3C2) was synthesized by HF and Insitu methods. Achieving success in this case, in this case, the confirmation of the structure was evaluated with different characterization methods such as FT-IR, FE-SEM, XRD and DLS tests. Next, polyvinylidene fluoride membranes were made by changing the polymer mass (molecular weight of polyethylene glycol) and coagulation bath conditions (coagulation bath containing solvent and pure water) and with the help of characterization tests such as contact angle, SEM, porosity and operational tests such as pure water flux and Fouling were examined. After selecting the optimal option in terms of the rate of increase in net water flux (the highest amount of net water flux for this group of membranes was reported as 292 kg/m2.hr), chemical surface modification by adding the silane agent (3-chloropropyl) triethoxysilane as an intermediate linker and after placing the hydroxyl functional groups and then the final interaction with MXene took place. The correctness of this process was confirmed according to the results obtained by ATR-FTIR and EDX, water contact angles and AFM, and FESEM, porosity, MWCO and operational tests such as pure water flux, anti-fouling properties were also evaluated. The obtained results indicated a significant increase in the hydrophilicity of the membranes modified by adding Ti3C2 nanoplates (from 110 to 52 degrees) and the increase in the membrane flux recovery ratio after surface modification (from 51% to 75%) indicates the improvement of the anti-fouling properties of the membranes. The net water flux from the modified membrane has increased from 292 to 307 L/m2.hr. Also, the performance test of operational conditions in the real environment and with urban wastewater feed also shows the remarkable performance of turbidity removal from 76% to 84%, COD removal from 51% to 62%, TSS removal from 73% to 92% and the recovery rate of wastewater flux from increased from 73% to 91% in raw and modified Ti3C2 membranes, respectively.