توصيفگر ها :
اولترافيلتراسيون , پليوينيليدين فلورايد , گرفتگي , اصلاح سطح , نقاط كوانتومي پليمري , نقاط كوانتومي كربن
چكيده فارسي :
فناوريهاي غشايي بهعنوان يك روش مؤثر براي جداسازي مواد در فرايندهاي مختلف، باتوجهبه نياز روزافزون به حفظ منابع آبي، توجه زيادي را به خود جلب كردهاند. يكي از چالشهاي مهم اين فناوريها، گرفتگي و رسوب سطحي در غشاها، بهويژه در سامانههاي اولترافيلتراسيون است. اين مشكل ميتواند عملكرد سامانههاي غشايي را بهشدت تحتتأثير قرار دهد. در اين پژوهش، بهمنظور رفع اين مشكلات و بهبود عملكرد غشاهاي پليوينيليدن فلورايد (PVDF)، از نقاط كوانتومي پليمري (PDs) با خاصيت آبدوستي بالا استفاده شده است. سنتز اين نقاط به روش هيدروترمال و با استفاده از پلياتيلن گليكول (PEG) و اتيلن دي آمين (EDA) در حلال آبي انجام شده است. ساختار اين نقاط كوانتومي با استفاده از شيوههاي مختلف نظير طيفسنجي مادونقرمز تبديل فوريه (FTIR)، ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) و تست اسپكتروفتومتر(UV-Vis) ، بررسي شده است. در اين پژوهش، غشاي پليوينيليدن فلورايد (PVDF) به روش وارونگي فاز تهيه شد. به منظور تهيه محلول پليمري از 16 درصد وزني PVDF، 90/80 درصد وزني NMP بهعنوان حلال، 1/0 درصد وزني SiO₂ بهعنوان نانوذره آبدوست و عامل هستهگذار، و 3 درصد وزني PEG بهمنظور ايجاد منافذ و بهبود آبدوستي، استفاده شد. پس از آن سطح غشاي PVDF خام نخست تحت فرايند پيشاصلاح قليايي (فلورزدايي) قرار گرفت تا با ايجاد پيوندهاي دوگانه كربن–كربن (−C=C−)، بستر مناسبي براي انجام واكنشهاي شيميايي بعدي فراهم شود. سپس نقاط كوانتومي پليمري سنتز شده، به روش اصلاح سطح بر روي سطح غشاي PVDF پيوند خورده تا ويژگيهاي آبدوستي غشاها بهبود يابد و مقاومت در برابر گرفتگي و رسوب سطحي افزايش پيدا كند. بنابراين فرايند اصلاح سطح غشاي PVDF در دو مرحله انجام شد. در مرحله نخست، با حذف اتمهاي فلوئور (فلورزدايي)، پيوندهاي دوگانهاي در ساختار غشا ايجاد ميشود كه نقش مراكز فعال براي واكنشهاي شيميايي را ايفا ميكنند. در مرحله بعد، اين مراكز واكنشپذير از طريق واكنش افزايشي مايكل با گروههاي آميني موجود در ساختار نقاط كوانتومي پليمري(PDs) وارد واكنش ميشوند. بهمنظور تعيين شرايط بهينه به منظور انجام واكنش اصلاح سطح، از طراحي آزمايش به روش تاگوچي استفاده شد. اين روش با كاهش تعداد آزمايشها، امكان بررسي تأثير عوامل فرايندي را فراهم ميسازد. نتايج آزمايشها نشان ميدهد نقاط كوانتومي پليمري با ميانگين اندازه ذرات 5/3 نانومتر با موفقيت سنتز شدهاند و غشاهاي اصلاحشده با نقاط كوانتومي پليمري داراي شار آب خالص بالاتر و زاويه تماس كمتري با آب هستند كه اين نشاندهنده افزايش آبدوستي سطح غشا است. به طور خاص، شار آب خالص براي غشاي خام از L/m2.h 39/101 به L/m2.h 37/113 افزايش يافته است و زاويه تماس آب با سطح غشا از حدود 85 درجه به حدود 37 درجه كاهشيافته است. همچنين، اين غشاها در مقايسه با غشاهاي معمولي PVDF، از مقاومت بيشتري در برابر گرفتگي و رسوب سطحي برخوردارند و بهبود قابلتوجهي در خواص ضد گرفتگي نشان ميدهند، بهطوريكه درصد بازيابي شار آب خالص (FRR) از حدود 30 درصد به 60 درصد افزايشيافته است. نتايج اين پژوهش ميتواند به ارتقاي استفاده از فناوريهاي غشايي و مواد پليمري در فرايندهاي تصفيه آب و ديگر كاربردهاي صنعتي كمك شاياني نمايد.
چكيده انگليسي :
Membrane technologies have attracted considerable attention as effective separation methods in various processes, particularly in light of the increasing global demand for water resource conservation. One of the major challenges facing these technologies is membrane fouling and surface scaling, especially in ultrafiltration systems, which can significantly impair membrane performance. In this study, in order to overcome these limitations and enhance the performance of polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes, hydrophilic polymeric quantum dots (PDs) were employed. These quantum dots were synthesized via a hydrothermal method using polyethylene glycol (PEG) and ethylenediamine (EDA) in an aqueous solvent. The structure of the synthesized PDs was characterized using various techniques, including Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy (TEM), and UV-Visible spectrophotometry (UV-Vis). The PVDF membranes were fabricated using the phase inversion method. The casting solution consisted of 16 wt% PVDF, 80.90 wt% N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as solvent, 0.1 wt% SiO₂ nanoparticles as hydrophilic additives and nucleating agents, and 3 wt% PEG to enhance porosity and hydrophilicity. The surface of the pristine PVDF membrane was first subjected to an alkaline pretreatment (defluorination) process to generate carbon–carbon double bonds (−C=C−), providing active sites for subsequent chemical modifications. The synthesized PDs were then covalently grafted onto the membrane surface via a surface modification process to improve surface hydrophilicity and increase resistance to fouling and scaling. This surface modification involved two main steps: first, defluorination created reactive sites (−C=C−) on the membrane surface; second, these sites reacted with the amino groups of PDs through a Michael addition reaction. To optimize the surface modification conditions, the Taguchi experimental design method was employed. This approach enables the evaluation of process parameters with a reduced number of experiments. The experimental results confirmed the successful synthesis of polymeric quantum dots with an average particle size of 3.5 nm. The modified membranes exhibited significantly improved properties, including higher pure water flux and lower water contact angle, indicating enhanced hydrophilicity. Specifically, the pure water flux increased from 101.39 L/m²·h for the pristine membrane to 113.37 L/m²·h for the PD-modified membrane, and the water contact angle decreased from approximately 85° to 37°. Furthermore, the modified membranes demonstrated enhanced resistance to fouling and scaling compared to conventional PVDF membranes, with the flux recovery ratio (FRR) improving from around 30% to 60%. These findings highlight the potential of polymeric quantum dot-modified membranes for advanced water treatment applications and suggest promising avenues for the broader implementation of membrane technologies in various industrial processes.