ساخت و شناسایی غشاهای میکروفیلتراسیون ضدگرفتگی زمینه مخلوط با چارچوب-های آلی-فلزی با هدف استفاده در بیوراکتور زیستی غشایی (MBR)

نوع مقاله: مقاله اصلی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی ، دانشگاه رازی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران

2 استادیار، گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی ، دانشگاه رازی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران

3 استاد، گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی ، دانشگاه رازی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران

4 کارشناسی ارشد، گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی ، دانشگاه رازی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران

10.22034/jewe.2020.232276.1363

چکیده

این پژوهش مراحل تهیه، شناسایی و ارزیابی عملکرد غشاهای میکروفیلتراسیون زمینه مخلوط با خاصیت ضد گرفتگی را نشان می‌دهد. هدف اصلی این پزوهش، بررسی تأثیر چارچوب­های آلی-فلزی (MOFs) به‌عنوان پرکننده در مقیاس نانو برای تولید غشای زمینه مخلوط از پلیمر پلی وینیلیدین فلورید (PVDF) می‌باشد که به روش وارونگی فاز ساخته‌شده است. عکس­های میکروسکوپ الکترونی(SEM)  نشان داد که با افزایشMOF(TMU-5)، اندازه حفره و تخلخل غشاهای تهیه‌شده افزایش یافت. با افزایش مقدار 3/0% وزنی MOF، مقدار شار عبوری از غشا kg/m2.h 1525.37 است که نشان از نفوذپذیری بسیار بالای غشای MOF/PVDF در حین انجام آزمون در دستگاه جریان عرضی می‌باشد. نسبت بازیابی شار نیز تا 80% افزایش پیدا کرد. به‌منظور بررسی عملکرد ضد گرفتگی غشای اصلاح‌شده، شاخص‌های مقاومت در برابر گرفتگی با استفاده از پساب خروجی از راکتور زیستی Jet loop-airlift با کدورت  NTU11، به‌عنوان عامل گرفتگی ارزیابی شد. غشای TMU-5 /PVDF با مقدار 3/0% وزنی از TMU-5، بالاترین آب‌دوستی با میزان زاویه تماس  93/66 و کم­ترین مقاومت گرفتگی برگشت‌ناپذیر به میزان 55/4 % را از خود نشان داد.  غشاهای MOF/PVDF خاصیت انتخاب پذیری و ضد گرفتگی خوبی را در طول آزمایش‌ها میکروفیلتراسیون در درازمدت از خود نشان داد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Preparation and Characterization of Antifouling Mixed Matrix Microfiltration Membranes Modified by Metal-Organic Frameworks for Usage in Membrane Bioreactor (MBR)

نویسندگان [English]

  • Foad Gholami 1
  • Sirus Zinadini 2
  • Ali Akbar Zinatizadeh 3
  • Mahya Samari 4
1 PhD Scholar, Water and Wastewater Research Center (WWRC), Department of Applied Chemistry, Faculty of Chemistry, Razi University, Kermanshah, Iran
2 Assist. Professor, Water and Wastewater Research Center (WWRC), Department of Applied Chemistry, Faculty of Chemistry, Razi University, Kermanshah, Iran
3 Professor, Water and Wastewater Research Center (WWRC), Department of Applied Chemistry, Faculty of Chemistry, Razi University, Kermanshah, Iran
4 M.Sc., Water and Wastewater Research Center (WWRC), Department of Applied Chemistry, Faculty of Chemistry, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

This study presents the preparation, characterization, and performance evaluation of antifouling mixed matrix microfiltration membranes. The main purpose of this study was to investigate the influences of metal-organic frameworks (MOFs) as nanofiller on the fabrication of polyvinylidene difluoride (PVDF) mixed matrix membrane prepared via the phase inversion method. The scanning electron microscopy (SEM) images displayed that the pore size and porosity of the prepared membranes was increased by adding the MOF. By adding 0.3 wt% of the MOF, the pure water flux was maximized to be 1525.37 kg/ m2.h, which was owing to the excellent permeability of the MOF/PVDF membrane during the long-term filtration in cross flow setup. The flux recovery ratio (FRR) was also increased up to 80%. In order to assess antifouling performance of the modified membrane, the fouling parameters was evaluated using the effluent from the jet loop-airlift reactor with the turbidity of 11 NTU as a fouling factor. The 0.3 wt.% TMU-5 MOFs/PVDF membrane showed the high hydrophilicity with contact angle of 66.93° and the lowest irreversible fouling resistance (Rir) value of 4.55%. As a conclusion, the MOF/PVDF membranes represented good selectivity and antifouling properties during long-term microfiltration experiments.

کلیدواژه‌ها [English]

  • high flux separation
  • microfiltration membrane
  • Metal-Organic frameworks (MOFs)
  • PVDF polymer
Ayyaru S., Pandiyan R. and Ahn Y.-H. (2019). Fabrication and characterization of anti-fouling and non-toxic polyvinylidene fluoride-Sulphonated carbon nanotube ultrafiltration membranes for membrane bioreactors applications. Chem. Eng. Res. Design, 142, 176-188.

Boributh S., Chanachai A. and Jiraratananon R. (2009). Modification of PVDF membrane by chitosan solution for reducing protein fouling. J. Membr. Sci., 342, 97-104.

Celik E., Park H., Choi H. and  Choi H. (2011). Carbon nanotube blended polyethersulfone membranes for fouling control in water treatment. Water Res., 45, 274-282.

Denny J. R. M. S., Moreton J. C., Benz L. and Cohen S. M. (2016). Metal–organic frameworks for membrane-based separations. Nat. Rev. Mater., 1, 16078.

Gholami F., Zinadini S., Zinatizadeh A. and Abbasi A. (2018). TMU-5 metal-organic frameworks (MOFs) as a novel nanofiller for flux increment and fouling mitigation in PES ultrafiltration membrane. Separ. Purif. Technol., 194, 272-280.

Gholami F., Zinatizadeh A., Zinadini S., Mckay T. and Sibali L. (2020). An innovative jet loop-airlift bioreactor for simultaneous removal of carbon and nitrogen from soft drink industrial wastewater: Process performance and kinetic evaluation. Environ. Technol. Innov., 19, 100772.

Jørgensen M. K., Kujundzic E. and Greenberg A. R. (2016). Effect of pressure on fouling of microfiltration membranes by activated sludge. Desal. Water Treat., 57, 6159-6171.

Kajitvichyanukul P., Hung Y.-T. and Wang L. K. (2011). Membrane technologies for oil–water separation. Membr. Desal. Technol. Springer.

Lee J.-Y., Tang C. Y. and Huo F. (2014). Fabrication of porous matrix membrane (PMM) using metal-organic framework as green template for water treatment. Sci. Report., 4, 3740.

Lee J., Chae H.-R., Won Y. J., Lee K., Lee C.-H., Lee H. H., Kim I.-C. and Lee J.-M. (2013). Graphene oxide nanoplatelets composite membrane with hydrophilic and antifouling properties for wastewater treatment. J. Membr. Sci., 448, 223-230.

Masoomi M. Y., Beheshti S. and MORSALI, A. (2015). Shape control of Zn(II) metal–organic frameworks by modulation synthesis and their morphology-dependent catalytic performance. Crys. Growth  Design, 15, 2533-2538.

Masoomi M. Y., Stylianou K. C., Morsali A., Retailleau P. and Maspoch D. (2014). Selective CO2 capture in metal–organic frameworks with azine-functionalized pores generated by mechanosynthesis. Crys. Growth Design, 14, 2092-2096.

Rahimi M., Zinadini S., Zinatizadeh A. A., Vatanpour V., Rajabi L. and Rahimi Z. (2016). Hydrophilic goethite nanoparticle as a novel antifouling agent in fabrication of nanocomposite polyethersulfone membrane. J. Appl. Polym. Sci., 133(26), 43592.

Say N. O., Bayar S., Gurol M. D. and Karagunduz A. (2017). Submerged microfiltration membrane performances of microalgal biomass cultivated in secondary effluent. Desal. Water Treat., 66, 42-49.

Sorribas S., Gorgojo P., Téllez C., Coronas J. and Livingston A. G. (2013). High flux thin film nanocomposite membranes based on metal–organic frameworks for organic solvent nanofiltration. J. Am. Chem. Soci,, 135, 15201-15208.

Sotto A., Orcajo G., Arsuaga J. M., Calleja G. and Landaburu‐AguirrE J. (2015). Preparation and characterization of MOF‐PES ultrafiltration membranes. J. Appl. Polym. Sci., 132, 41633.

Vatanpour V., Madaeni S. S., Khataee A. R., Salehi E., Zinadini S. and Monfared H. A. (2012a). TiO2 embedded mixed matrix PES nanocomposite membranes: Influence of different sizes and types of nanoparticles on antifouling and performance. Desal., 292, 19-29.

Vatanpour V., Madaeni S. S., Moradian R., Zinadini S. and Astinchap B. (2011). Fabrication and characterization of novel antifouling nanofiltration membrane prepared from oxidized multiwalled carbon nanotube/polyethersulfone nanocomposite. J. Membr. Sci., 375, 284-294.

Vatanpour V., Madaeni S. S., Rajabi L., Zinadini S. and Derakhshan A. A. (2012b). Boehmite nanoparticles as a new nanofiller for preparation of antifouling mixed matrix membranes. J. Membr. Sci., 401, 132-143.

Vatanpour V., Shockravi A., Zarrabi H., Nikjavan Z. and Javadi A. (2015). Fabrication and characterization of anti-fouling and anti-bacterial Ag-loaded graphene oxide/polyethersulfone mixed matrix membrane. J. Indust. Eng. Chem., 30, 342-352.

Zinadini S., Vatanpour V., Zinatizadeh A. A., Rahimi M., Rahimi Z. and Kian M. (2015). Preparation and characterization of antifouling graphene oxide/polyethersulfone ultrafiltration membrane: application in MBR for dairy wastewater treatment. J. Water Process Eng., 7, 280-294.

Zinadini S., Zinatizadeh A., Rahimi M. and Vatanpour V. (2017). Magnetic field-augmented coagulation bath during phase inversion for preparation of ZnFe2O4/SiO2/PES nanofiltration membrane: a novel method for flux enhancement and fouling resistance. J. Indust. Eng. Chem., 46, 9-18.

Zinadini S., Zinatizadeh A., Rahimi M., Vatanpour V., Zangeneh H. and Beygzadeh M. (2014). Novel high flux antifouling nanofiltration membranes for dye removal containing carboxymethyl chitosan coated Fe3O4 nanoparticles. Desal., 349, 145-154.