پایان نامه ساخت غشا اولترا فیلتراسیون پلی اکریلونیتریل حاوی نانو ذرات TiO2 به منظور جدا سازی پلی‌ اکریل‌آمید کاتیونی از پساب کارخانه زغال شویی

فهرست:

گفتار اول: مطالعه بر روش های جداسازی پلی‌اکریل‌آمید و آشنایی با فرآیندهای غشایی. 1

1-1معرفی کارخانه زغالشویی. 3

1-2 معرفی فرآیند انعقاد و لخته سازی. 4

1-3 معرفی پلی‌اکریل‌آمید. 6

1-4 لزوم تصفیه پساب حاوی پلی‌اکریل‌آمید. 10

1-5 روش های جداسازی پلی‌اکریل‌آمید. 12

1-6 جذب پلیمر با جاذب های سطحی. 12

1-7 غشا و فرآیندهای غشایی. 13

1-7-1 تاریخچه 13

1-7-2 تعریف غشا 14

1-7-3 مزایای استفاده از تکنولوژی غشایی. 17

1-7-4 انواع غشاها 17

1-7-4-1 تقسیم بندی بر اساس جنس غشا 18

1-7-4-2 تقسیم بندی بر اساس ساختار غشا 18

1-7-4-3 تقسیم بندی غشاها از لحاظ عملکرد 20

1-7-5 انواع فرآیندهای جداسازی غشایی. 21

1-7-6 مقایسه روش های فیلتراسیون. 24

1-7-7 مکانیسمهای جداسازی. 26

1-7-8 روشهای عملکرد فرآیندهای غشایی. 28

1-7-9 انسداد در غشاها 29

1-7-10 روش های جلوگیری و یا کمتر کردن گرفتگی غشا 33

1-7-10-1 انتخاب غشا مناسب.. 33

1-7-10-2 پیش تصفیه سیال ورودی به غشا 33

1-7-10-3 بهبود شرایط عملیات. 34

1-7-10-4 اصلاح سطح غشاهای ساخته شده 34

1-7-10-4-1 روش فیزیکی. 34

1-7-10-4-2 روش شیمیایی. 34

1-7-11 تهیه غشاهای اولترافیلتراسیون ترکیبی با استفاده از ذرات معدنی. 35

1-7-11-1 رسوب ذرات معدنی بر روی سطح غشا به صورت مستقیم. 35

1-7-11-2 قرار گرقتن نانوذرات در ماتریکس غشا 36

1-7-12 روش‌های کاهش گرفتگی. 36

1-7-13 تمیزسازی (کلینینگ) 37

1-7-13-1 تمیزسازی هیدرولیکی. 37

1-7-13-2 تمیزسازی مکانیکی. 38

1-7-13-3 تمیزسازی الکتریکی. 38

1-7-13-4 تمیزسازی شیمیایی. 38

1-8 مطالعات صورت گرفته 40

گفتار دوم:تجربیات.. 46

2-1 تجهیزات و مواد مورد استفاده 47

2-2 فرآیند تهیه غشا 48

2-2-1 ساخت غشا پلی اکریلونیتریل به روش وارونگی فازی. 48

2-2-2 ساخت غشای پلی اکریلونیتریل مناسب.. 51

2-3 اصلاح سطح غشا با روش عملیات حرارتی و هیدرولیز 51

2-4 ترکیب غشا با نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید. 52

2-4-1 خود آرایی نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید بر روی سطح غشا پلی‌اکریلونیتریل. 53

2-4-2 مخلوط کردن نانوذرات تیتانیوم‌دی‌اکسید در محلول پلیمری. 53

2-5 ارزیابی عملکرد غشا 54

2-6 شار آب خالص.. 57

2-7 احتباس.. 58

2-8 آستانه شکست و محاسبه اندازه حفرات. 59

2-8-1  اندازهگیری غلظت پلیاتیلنگلایکول. 61

2-9  بررسی میزان گرفتگی غشا 62

2- 10 بررسی مورفولوژی غشا 63

2-10-1 بررسی مورفولوژی غشای تهیه شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) 64

2-10-2 بررسی آبدوستی غشا با آنالیز زاویه تماس.. 65

2-7-3 بررسی ساختار شیمیایی غشا 66

2-10-4 طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس(EDX) 67

گفتار سوم: بحث و نتیجه گیری. 69

مقدمه 70

3-1 ساخت غشا پلی اکریلو نیتریل. 70

3-2 اصلاح شیمیایی غشا 73

3-3 اصلاح حرارتی غشاهای پلی اکریلو نیتریل. 76

3-4 بررسی عملکرد و ساختار غشا اصلاح شده حرارتی. 76

3-5  اصلاح غشا با استفاده از نانوذرات. 80

3-5-1 اثر خودآرایی نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید بروی سطح غشا 81

3-5-2 اثر مخلوط کردن نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید در محلول پلیمری. 83

3-6  مقایسه بین دو روش افزودن نانوذرات. 85

3-7  آنالیز میکروسکوپ الکترونی پویشی از سطح غشا 86

3-8 آنالیز پراش انرژی پرتو ایکس(EDX) 90

3-9  اندازه گیری آستانه شکست.. 93

3-10 بررسی آبدوستی سطح غشا 95

3-8 بررسی گرفتگی غشا 97

گفتار چهارم: نتیجه گیری و پیشنهادات. 101

4-1 نتیجه گیری. 102

4- 2 پیشنهادات  104

منبع:

[1] G. Park, A. Szleifer,0Water Scinenc Technology, 58, 239-244, (2004).

[2] Water Quality and Treatment-A Handbook of Community Water Supplies, American Water Works Association McGraw-Hill, New York, NY, USA, 5th edition, (1999).

[3] J. Gregory, "Particles in Water Properties and Processes", Taylor & Francis, (2006).

[4] M.L. Davis, Water and Wastewater Engineering Design Principles and Practice", McGraw-Hill, (2010).

[5] B. Tian, X. Ge, G. Pan, Z. Luan, Effect of nitrate or sulfate on flocculation properties of cationic polymer flocculants, Desalination, 208, 1–3, 134–145, (2007)

[6] Q. Ye, Z. Zhang, X. Ge, Highly efficient flocculent synthesized through the dispersion copolymerization of water soluble monomers induced by 𝛾-ray irradiation synthesis and polymerization kinetics, Journal of Applied Polymer Science 89, 8, 2108–2115, (2003).

[7] J. Bratby, Coagulation and  Flocculation in Water and Wastewater Treatment, IWA Publishing, London, UK, 2nd edition, (2006).

[8] B. Bolto , J. Gregory, Organic polyelectrolytes in water treatment, Water Research 41, 11, 2301–2324,  (2007).

[9] J. W. Qian, X. J. Xiang, W. Y. Yang, Flocculation performance of different polyacrylamide and the relation between optimal dose and critical concentration, European Polymer Journal 40, 1699–1704, (2004).

[10] D. J. Read, D. Auhl, C. Das, J. Doelder, Linking models of polymerization and dynamics to predict branched polymer structure and flow, Science, 333, 1871–1875, (2000).

[11] water soluble polymer,SNF FLOERGER

[12] P. Cheng , Chemical and photolytic degradation of polyacrylamides used in potable water treatment, 13-14, (2004).

[13] Bolto, B. Dixon, D. Eldridge, R. King, The use of cationic polymers as primary coagulants in water treatment, Chemical Water and Wastewater Treatment, 173–182, (1998).

 [14] V.Stiven Green, Polyacrylamide: A review of the Use, Effectiveness, and Cost of a Soil Erosion Control Amendment, scientific content, 384-389, (2001).

[15] S.Y Huang and D.W.Lipp ,J.C.Salamone, Polymeric Matrial Encyclopedia,  5, 2427, (1996).

[16] N. Tekin, A. Dinçer, O- Z. Demirbas, M. Alkan, Adsorption of cationic polyacrylamide onto sepiolite",Journal of  Hazardous Materials 134, 211–219, (2006).

[17] S. Wanga, C. Liu, Q. Li , Fouling of microfiltration membranes by organic polymer coagulants and flocculants Controlling factors and mechanisms, water research 45, 357-365, (2011).

[18] Background Information For Establishment Of National Standards Of Performance For New Sources: Coal Cleaning Industry, EPA Contract No. CPA-70-142, Environmental Engineering,Inc, Gainesville, FL, (1971).

[19] D. Solberg, L. Wagberg, Adsorption and flocculation behavior of cationic polyacrylamide and colloidal silica,Colloids and Surfaces, A: Physicochem. Eng. Aspects 219 161-172, (2003).

[20]  N. Tekin a,  A. Dinçer , Ö. Demirbaş , M. Alkan, Adsorption of cationic polyacrylamide (C-PAM) on expanded perlite, Applied Clay Science 50  125–129, (2010).

]21[- محمد ززولی، اصول فرایندهای غشایی و کاربرد آنها در تصفیه آب و فاضلاب، 1387.

]22[- احمد اکبری، مبانی نانوغشاهای پلیمری و فرایندهای نانوفیلتراسیون، انتشارات پندار پارس، 1386.

[23] S.Nunes, Membrane Technology in the Chemical Industry, WILEY-VCH, (2006).

[24] M. Mulder, basic principles of membrane Technology, Kluwer Academic Publisher,(1997).

[25] R. J. Petersen, Composite reverse osmosis and nanofiltration membranes, J. Memb. Sci.  83 81-150, (1993).

[26] R.W.  Baker, Membrane technology and applications, John Wiley, New York, (2004).

[27] M.A. Shannon, P.W. Bohn, M. Elimelech, J.G. Georgiadis, B.J. Marin , A.M. Mayes, Science and technology for water purification in the coming decades, Nature 452, 301-310, (2008).

[28] B. Van der Bruggen, C. Vandecasteele, Distillation vs. membrane filtration: overview of process evolutions in seawater desalination, Desalination 143  207-218, (2002).

[29] M. Schiffler, Perspectives and challenges for desalination in the 21st century, Desalination 165, 1-9, (2004).

[30] L. Malaeb, G.M. Ayoub, Reverse osmosis technology for water treatment: state of the art review, Desalination 267, 1-8, (2011).

[31] www.eetcorp.com/heepm/RO_ ReviewE.pdf.

[32] S. Loeb, S. Sourirajan, Sea water demineralization by means of an osmotic membrane, Advances in Chemistry Series 38, 117-132, (1962).

[33] J.E. Cadotte, R.J. Petersen, R.E. Larson, E.E. Erickson, A new thin-film composite seawater reverse osmosis membrane, Desalination 32, 25-31, (1980).

[34] Y.J. Xie, H.Y. Yu, S.Y. Wang and Z.K. Xu, Improvement of antifouling characteristics in a bioreactor of polypropylene micro porous membrane by the adsorption of  Tween 20, Journal of Environmental Sciences e China 19, 1461-1465, (2007).

[35] A. Kulkarni, D. Mukherjee and W.N. Gill, Flux enhancement by hydropHilization of thin film composite reverse osmosis membranes, Journal of Membrane Science 114, 39-50, (1996).

[36] B.H. Jeong, E.M.V. Hoek, Y.S. Yan, A. Subramani, X.F. Huang, G. Hurwitz, A.K. Ghosh ,  A. Jawor,  Interfacial polymerization of thin film Nano composites: a new concept for reverse osmosis membranes,  Journal of Membrane Science 294, 1-7, (2007).

[37] S.S. Madaeni, N. Ghaemi, Characterization of self-cleaning RO membranes coated with TiO2 particles under UV irradiation, Journal of Membrane Science 303, 221-233, (2007).

[38] G. Zhang, Hong Meng, S. Jia , Hydrolysis differences of polyacrylonitrile support membrane and its influences on polyacrylonitrile-based membrane performance, Desalination 242, 313–324, (2009).

[39] S. Farrukh, S.  Javed, A. Hussain, Muhammad Mujahid , Blending of TiO2 nanoparticles with cellulose acetate polymer to study the effect on morphology and gas permeation of blended membranes, Asia-Pacific journal of chemical engineering, (2014).

[40] A. Subramani, E.M.V. Hoek, Biofilm formation cleaning re-formation on polyamide composite membranes, Desalination 257, 73-79, (2010).

[41] G.D. Kang and Y.M. Cao, Development of antifouling reverse osmosis membranes for water treatment: A review, water research 46, 584-600, (2012).

[42] S.Y. Lee, H.J. Kim, R. Patel, S.J. Im, J.H. Kim, B.R. Min, Silver nanoparticles immobilized on thin film composite polyamide membrane: characterization, nanofiltration, antifouling properties, Polymers for Advanced Technologies 18, 562-568, (2007).

[43] A. Sotto, A. Boromand, R. Zhang, P. Luis, J.M. Arsuaga, J. Kim and B.V. Bruggen,  Effect of nanoparticle aggregation at low concentrations of TiO2 on the hydrophilicity morphology and fouling resistance of PES–TiO2 membranes, Journal of Colloid and Interface Science. 363, 540–550, (2011).

[44] S.S. Madaeni, Y. Mansourpanah, A.H. Taheri, Fabrication and characterization of a novel TiO2 nanoparticle self-assembly membrane with improved fouling resistancerane, Journal of Membrane Science . 313, 158–169, (2008).

[45] N. Scharnagl, H.Bushatz, polyacrylonitile membrane for ultra-and microfiltration, Desalination 139, 191-198, (2001).

[46]  K. Nouzaki, M. Nagata J. Araib, Y. Idemotob, N. Kourab, H. Yanagishita

, Preparation of polyacrylonitrile ultrafiltration membranes for wastewater treatment, Desalination 144, 53-59, (2002).

[47] Z-Q. Huang, Structures and Separation Properties of PAN-Fe3O4 Ultrafiltration  Membranes Prepared under an Orthogonal Magnetic Field, Ind. Eng. Chem. Res 45, 7905-7912, (2006).

[48] M-L. Luo, J-Q. Zhao, W. Tang, C- Pu , Hydrophilic modification of polyethersulfone ultrafiltration membrane surface by self-assembly of TiO2 nanoparticles, Applied Surface Science 249, 76–84, (2005).

[49] J.H. Li, Y.Y. Xu, L.P. Zhu, J.H. Wang, C.H. Du, Fabrication and characterization of a novel TiO2 nanoparticle self-assembly membrane with improved fouling resistance, Journal of Membrane Science . 326  659–666, (2009).

[50] K. Ebert, D. Fritsch, J. Koll, C. Tjahjawiguna, Influence of inorganic fillers on the compaction behaviour of porous polymer based membranes, Journal of Membrane Science . 233, 71–78, (2004).

[51] X.H. Cao, J. Ma, X.H. Shi, Z.J. Ren, Effect of TiO2 nanoparticle size on the performance of PVDF membrane, Appl. Surf. Sci. 253, 2003–2010, (2006).

[52] S.H. Liang, K. Xiao, Y. Mo and X. Huang, A novel ZnO nanoparticle blended polyvinylidene fluoride membrane for anti-irreversible fouling, Journal of Membrane Science, 394– 395, 184– 192, (2012).

[53] A. Rahimpour, M. Jahanshahi, B. Rajaeian and M. Rahimnejad, TiO2 entrapped nano-composite PVDF/SPES membranes: Preparation, characterization, antifouling and antibacterial properties, Journal of Membrane Science, 278, 343–353, (2011).

[54] S. H. Kim, S. Y. Kwak, B.  H. Sohn, T. H. Park, Design of TiO2 nanoparticle self-assembled aromatic polyamide thin-film-composite (TFC) membrane as an approach to solve biofouling problem, Journal of Membrane Science 211, 157–165, (2003).

[55] S.Y. Kwak, S.H. Kim, Hybrid organic/inorganic reverse osmosis (RO) membrane for bactericidal anti-fouling. Preparation and characterization of TiO2 nanoparticle selfassembled aromatic polyamide thin-film-composite (TFC) membrane. Environmental Science & Technology 35, 2388-2394, (2001).

[56]  J. Kim, K. H. Lee, Effect of PEG additive on membrane formation by phase inversion, Journal of Membrane Science,138, 153-163, (1998).

[57] B. Chakrabarty, A.K. Ghosh, M.K. Purkait, Effect of molecular weight of PEG on membrane morphology and transport properties, Journal of Membrane Science, 309, 209–221, (2008).

[58] K. C. khulbe, Synthetic polymer membrane Characterization by Atomic Force Microscopy, Industrial Membrane Research Laboratory, (2008).

[59] A.D. Sabde, M.K. Trivedi, V. Ramachandhran, M.S. Hanra and B.M. Misra, Casting and characterization of cellulose acetate butyrate based UF Membranes, Desalination 114, 223-232, (1997).

]60[ پایان نامه، احمد اکبری، مجید مجللی، بهمن 90.

[61] C.Wu, S. Zhang, D. Yang and X. Jian, Preparation, characterization and application of a novel thermal stable composite nano filtration membrane, Journal of Membrane Science 326, 429–434, (2009).

]62[ پایان نامه، احمد اکبری، حسنا سلیمانی، شهریور 92.

[63] C. J. M. van Rijn, Nano And Micro Engineered Membrane Technology, Elsevier Membrane Science and Technology Series, (2004).

[64] V. Vatanpour, S. Madeni, Novel antifouling nanofiltration polyethersulfone membrane fabricated from embedding TiO2 coated multiwalled carbon nanotubes,  Separation and Purification Technology 90, 69–82, (2012).

]65[  پایان نامه، احمد اکبری، زهرا قائد امینی، شهریور 92.

]66[ پایان نامه، احمد اکبری، عصمت علیاری زاده، شهریور 93.

[67] T. Kobayashi, T. Miyamoto, T. Nagai, N. Fujii, Polyacrylonitrile

Ultrafiltratration  membranes containing negatively charged groups for permeation and separation of dextran and dextransulfate, J. Appl. Polym. Sci. 52,  1518–1519, (1994).

[68] L-S. Wan, Z-K. Xu, X-J. Huang, A-F. Che, Z.-G. Wang, A novel process for the post-treatment of polyacrylonitrile-based membranes: Performance improvement and possible mechanism, Journal of Membrane Science 277, 157–164, (2006).

[69] J. Wang , Preparation of nan filtration membranes from polyacrylonitrile ultrafiltration membranes, Journal of Membrane Science 286, 333–341, (2006).

[70] K. V. Peinemann, S. Verssimo, J. Bordado,  Influence of the diamine structure on the nanofiltration performance, surface morphology and surface charge of the composite polyamide membranes 279, 266–275, ( 2006).

[71] A.Tawfik, K.Vinod, Synthesis and  characterization of alumina nano-particles polyamide membrane with enhanced flux rejection performance Separation and Purification Technology 89, 245–251, (2012).

[72] I. C. Kim, H. G. Yun, and K. H. Lee, Preparation of asymmetric

polyacrylonitrile membrane with small pore size by phase inversion and

post-treatment process,  Journal of Membrane Science  199, 75–84, (2002).

[73] H. R. Lohokare, S. C. Kumbharkar, Y. S. Bhole, and U. K. Kharul, Surface modification of polyacrylonitrile based ultrafiltration membrane,” Journal of Membrane Science 101, 4378–4385, (2006).

[74] J. Wang, Z. Yue, J. S. Ince, and J. Economy, Preparation of nan filtration membranes from polyacrylonitrile ultrafiltration membranes, Journal of Membrane Science  286, 333–341(2006).

[75] K.-H.-L. In-Chul Kim, Performance