ساخت سطح فوق آب‌دوست- فوق روغن‌گریز روی اکسید به‌منظور جداسازی آلاینده‌های هیدروکربنی از پساب شرکت پالایش گاز شهید هاشمی‌نژاد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 آزمایشگاه تحقیقاتی نانو مواد و تکنولوژی سطح، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 واحد HSE، شرکت پالایش گاز شهید هاشمی‌نژاد، ایران

چکیده

کاهش آلاینده‌های روغنی و ترکیبات هیدروکربنی در پساب صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی به حد استانداردهای زیست‌محیطی موضوع چالش برانگیز در سال‌‌های اخیر بوده است که نیازمند ایده‌ها و تکنیک‌‌های علمی جدید است. در این تحقیق، سطح فوق آب‌دوست روی اکسید نانوساختار با استفاده از روش لایه‌نشانی بسیار ساده و ارزان برروی توری از جنس فولاد زنگ نزن تهیه گردید. برای مشخصه‌یابی سطح سنتز شده از آنالیزهای پراش سنج پرتو ایکس، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی و طیف رامان استفاده شد. برای ارزیابی رفتار ترشوندگی نمونه سنتز شده در هوا و زیر آب از آنالیز زاویه تماس استاتیک و پسماند زاویه تماس استفاده شده است. مطالعه میکروگراف نمونه نشان داد که پوشش روی اکسید ایجاد شده ساختاری دولایه متشکل از نانومیله‌های روی اکسید دارد که برروی بذرلایه‌ای با قطر کمتر از nm 100 رشد کرده و میکروگلسان‌هایی با ساختار سلسله مراتبی سوزنی شکل با قطر انتهایی تقریبی کمتر از nm 50 در بخش رویی قرار گرفته است. بررسی رفتار ترشوندگی سطح سنتز شده نشان داد که محصول، در هوا فوق آب‌دوست (با زاویه تماس حدود °0) و در زیر آب فوق روغن‌گریز (با زاویه تماس استاتیک °3 ±°161 و پسماند زاویه تماس کمتر از °5) است. عملکرد سطح روی اکسید ساخته شده برای جداسازی فاز هیدروکربنی (نمونه پساب صنعتی شرکت پالایش گاز شهید هاشمی‌‌نژاد) نشان داد که امکان جداسازی این فاز از پساب با راندمان بالای 9/99% و شار عبوری بیش از L m-2 h-1  5800 بدون ایجاد گرفتگی و یا کاهش شار عبوری امکان‌‌پذیر است. استفاده از این سطوح منجر به کاهش میزان روغن موجود در نمونه پساب از mg.L-1 50000 به mg.L-1 3/17 و همچنین، کاهش ترکیبات هیدروکربنی به mg.L-1 5/15 گردید که این نتایج نشان‌دهنده قابلیت استفاده از این سطوح در فرآیندهای تصفیه پساب و همچنین، حذف لکه‌های نفتی است
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Fabrication of Superhydrophilic-Superoleophobic ZnO Surface to Separate Hydrocarbonic Contamination from Wastewater of Shahid Hasheminejad Gas Processing Company

نویسندگان [English]

  • Elmira Velayi 1
  • Reza Norouzbeigi 1
  • payam saeedian 2
1 Nanomaterials and Surface Technology Research Laboratory, School of Chemical, Petroleum and Gas Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 HSE Unit Shahid Hasheminejad Gas Processing Company, Iran
چکیده [English]

Decrease in the amount of oil content and total petroleum hydrocarbons (TPH) in the wastewater of petrochemical plants and oil refinery to environmental discharge standard level has been one of the most critical challenges in recent years, requiring new scientific ideas and techniques. In this study, the superhydrophilic ZnO surface was fabricated using a facile and inexpensive coating method on the stainless steel mesh. The prepared surface was characterized using the FESEM, XRD and Raman analyses. The wettability property of the zinc oxide surface was evaluated via the water contact angle and contact angle hysteresis measurements. The FESEM micrograph results show that the coated hierarchical ZnO structure includes two layers of vertically aligned nanorods bottom arrays with a diameter of less than 50 nm and flower-like microstructures at the top composed of ZnO needles with the tip diameter approximately 100 nm. The fabricated surface exhibits superhydrophilc-superoleophobic property with the water contact angle ~ 0° in the air and 161 ± 3° underwater, respectively. This surface also displays excellent performance to separate hydrocarbonic contaminations from wastewater of Shahid Hasheminejad Gas Processing Company with the separation efficiency and permeate water flux of more than 99.9% and 5800 L m-2 h-1, respectively. The average total oil concentration in the effluent sample was significantly reduced from 5000 mg.L-1 to 17.3 mg.L-1. Moreover, the TPH concentration was decreased to 15.5 ppm in the treated effluent. These results show out the great potential of the superhydrophilic ZnO surface for wastewater treatment and offshore oil spills.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Superhydrophilic ZnO surface
  • Static contact angle
  • Permeate flux
  • Separation Efficiency
[1]. Yu Y, Chen H, Liu Y, S.J Craig V, Lai Z (2016) Selective separation of oil and water with mesh membranes by capillarity, Advances in Colloid and Interface Science, 235: 46–55. ##
[2]. Wang L K, Chen J P, Hung Y -T, Shammas N K (2011) Membrane Technology: Past, Present and Future (Chapter 1), Membrane and desalination technologies. Humana Press, 1-45. ##
[3]. Song L (1998) Flux decline in cross flow microfiltration and ultrafiltration: mechanisms and  modeling of membrane fouling, Journal of  Membrane Science, 139, 2: 183–200. ##
[4]. Feng L, Zhang Z, Mai Z, Ma Y, Liu B, Jiang L,  Zhu D (2004) A super-hydrophobic and super-oleophilic coating mesh film for the separation of oil and water, Angewandte International Edition Chemie. 43, 15: 2012-2014. ##
[5]. Kota A K, Kwon G, Choi W, Mabry J M, Tuteja A (2012) Hygro-responsive membranes for effective oilg-water separation, Nature Communications, 3: 1-8. ##
[6]. Kang H, Cheng Z, Lai H, Ma H, Liu Y,  Mai X, Wang Y, Shao Q, Xiang L, Guo X, Guo Z (2018) Superlyophobic anti-corrosive and self-cleaning titania robust mesh membrane with enhanced oil/water separation, Separation and Purification Technology, 201: 193–204. ##
[7]. Zhang Y, Wang X, Wang C, Liu J, Zhai H, Liu B, Zhao X, Fang D (2018) Facile fabrication of zinc oxide coated superhydrophobic and superoleophilic meshes for efficient oil/water separation, RSC Advances, 61: 35150-35156. ##
[8]. Post E, Kwon G, Tuteja A (2017) Oil-Water Separation with Selective Wettability Membranes (Chapter 12), Non-Wettable Surfaces, The Royal Society of Chemistry, 347–367. ##
[9]. Milionis A, Loth E, Bayer I S (2016) Recent advances in the mechanical durability of superhydrophobic
 materials, Advances in Colloid and Interface Science, 229: 57–79. ##
[10]. Wang H, Xie C (2006) Controlled fabrication of nanostructured ZnO particles and porous thin films via a modified chemical bath deposition method, Journal of Crystal Growth, 291, 1: 187–195. ##
[11]. Chen Y, Tong Z, Luo L (2008), Boron Nitride Nanowires Produced on Commercial Stainless-Steel foil,
 Chinese Journal of Chemical   Engineering, 12, 3: 485-487. ##
[12]. Tseng M C, Wuu D S, Chen C L, Lee H Y, Chien C Y, Liu P L, Horng R H (2019)  Characteristics of atomic layer deposition– grown zinc oxide thin film with and without aluminum, Appllied Surface Science, 491: 535–543. ##
[13]. Marmur A (2013) Superhydrophobic and superhygrophobic surfaces: From understanding non-wettability to design considerations, Soft Matter, 9: 7900–7904. ##
[14]. Zheng W, Ding R, Yan X, He G (2017) PEG induced tunable morphology and band gap of ZnO, Materials Lettters, 201: 85– 88. ##
[15]. Velayi E, Norouzbeigi R (2018) Synthesis of hierarchical superhydrophobic zinc oxide nano-structures for oil/water separation, Ceramic International, 44, 12: 14202–14208. ##
[16]. Velayi E, Norouzbeigi R (2018) Annealing temperature dependent reversible wettability switching of micro/nano structured ZnO superhydrophobic surfaces, Applied Surface Science, 441: 156–164. ##
 [17]. Jamali-Sheini F, Yousefi R, Patil K R (2018) Surface characterization of Au–ZnO nanowire films, Ceramic International, 38, 8: 6665–6670. ##
[18]. Xue Z, Liu M, Jiang L (2012) Recent developments in polymeric superoleophobic surfaces, Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics, 50, 17: 1209–122. ##
[19]. Cassie A B D, Baxter S (1944) Wettability of porous surfaces, Transactions of the Faraday Society, 40: 546-551. ##
[20]. Zhu X, Dudchenko A, Gu X, Jassby D (2017) Surfactant-stabilized oil separation from water using ultrafiltration and nanofiltration, Journal of Membrane Science, 529: 159-169. ##
[21]. Ye S, Cao Q S, Wang T, Peng Q (2016) A highly efficient, stable, durable, and recyclable filter fabricated
by femtosecond laser drilling of a titanium foil for oil-water separation, Scientific Reports, 6: 1-9. ##
[22]. Du X, You S, Wang X, Wang Q, Lu J (2017) Switchable and simultaneous oil/water separation induced by prewetting with a superamphiphilic self-cleaning mesh, Chemical Engineering Journal, 313: 398–403. ##