اصلاح ساختاری غشای پلیمری پلی‌اتر سولفون با نانوذرات sio2/zif-8 برای فرایند اسمز مستقیم

فرضیه: با وجود کاربرد گسترده غشاهای نانوفیلتری در فرایند اسمز مستقیم (fo)، پدیده قطبش غلظت درونی همچنان از مهم‌ترین چالش‌های این فرایند است. روش‌های مختلفی به‌منظور کاهش اثر این پدیده نامطلوب پیشنهاد شده است که یکی از آن‌ها بارگذاری نانوذرات آب‌دوست در ساختار غشاست. در این پژوهش، از نانوذرات sio2/zif-8 برای بهبود ساختار و عملکرد غشاهای پلی‌اترسولفونی (pes) در فرایند اسمز مستقیم استفاده شده است. روش‌ها: ابتدا، غشای پلی‌اتر‌سولفون با روش وارونگی فاز تهیه شد. در مرحله بعد، نانوذرات zif-8 و sio2/zif-8 به‌عنوان پرکننده در دمای محیط سنتز شدند. غشاهای کامپوزیتی لایه‌نازک به‌عنوان لایه رویی برای فرایند اسمز مستقیم با روش پلیمرشدن بین‌‌سطحی و از واکنش میان دو مونومر واکنش‌پذیر آلی (tmc) و آبی (mpd) به‌دست آمدند. در نهایت، برای ارزیابی نانوذرات و غشاهای ساخته‌شده، آزمون‌های اندازه‌گیری زاویه تماس، طیف‌نمایی زیرقرمز تبدیل فوریه (ftir)، میکروسکوبی الکترونی پویشی نشر میدانی (fe-sem)، پراش‌سنجی پرتو x و اندازه‌گیری مقدار تخلخل غشا به‌کار گرفته شدند. همچنین، عملکرد غشاهای ساخته‌شده پایه و کامپوزیتی (غشایی که حداقل از دو ماده مختلف تشکیل شده است) و نانوکامپوزیتی لایه‌نازک با فرایندهای اسمز مستقیم و معکوس بررسی شد.  یافته‌ها: نتایج حاکی از وجود مقدار کمی sio2/zif-8 در غشاست که سبب افزایش آب‌دوستی و تخلخل آن شده و شار و پس‌زنی فرایند fo را نیز بهبود داده است. شار آب غشای اسمز مستقیم لایه‌نازک نانوکامپوزیتی به‌طور چشمگیری از 15.23l/m2.hبه 25.13l/m2.h افزایش یافت، زمانی که از محلول 10 میلی‌مولار و 2 مولار nacl، به‌ترتیب به‌عنوان محلول خوراک (fs) و محلول اسمزی (ds) استفاده شد. بهبود شار آب اسمز مستقیم را می‌توان به کمترشدن مولفه ساختاری غشا (s) در زیرلایه اصلاح‌شده pes و کاهش قطبش غلظت درونی نسبت داد.

Structural Modification of Polymeric PES Membrane by SiO2/ZIF-8 Nanoparticle for Forward Osmosis Process

Hypothesis: Despite the wide application of nanofiltration (NF) membranes in forward osmosis (FO) process, one of the most important challenges of this process is the internal concentration polarization (ICP) phenomenon. Different methods have been investigated to reduce the effect of this undesirable phenomenon and it is suggested that one of these methods is loading of hydrophilic nanoparticles in the membrane structure. In this study, SiO2/ZIF-8 nanoparticles were used to improve the structure and performance of polyethersulfone membranes (PES) in FO process.Methods: At first, polyethersulfone membrane was synthesized by phase inversion method. In the next step, ZIF-8 and SiO2/ZIF-8 nanoparticles as filler were synthesized at room temperature. Thin film composite membranes were prepared by the interfacial polymerization (IP) of two reactive organic (TMC) and aqueous (MPD) monomers. Finally, the produced membranes and nanocomposite were characterized by contact angle, FTIR spectroscopy, Xray diffractometry (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and porosity measurements. Also, the performance of all membranes composed of at least two different components was investigated using reverse and forward osmosisi processes.Finding: The outcomes demonstrated that the presence of a small amount of SiO2/ZIF-8 nanoparticle in the membrane led to an increase in the membrane hydrophilicity and porosity, and also improved the water flux and rejection of the FO. The water flux of TFN FO membrane was reported to increase remarkably from 15.23 to 25.13 L/m2.h when 10 mM NaCl and 2 M NaCl salt were utilized as feed solution (FS) and draw solution (DS), respectively. The improvement in FO water flux was ascribed to the lower S parameter of modified PES sublayer and the reduction of internal concentration polarization (ICP).