اثر نانو لوله‌های کربنی عامل‌دار شده بر تراوایی غشاهای نانوکامپوزیت پلی وینیلیدن فلوراید

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

چکیده

در این تحقیق عملکرد و خواص ضد‌گرفتگی و شار غشای نانوکامپوزیت پلی وینیلیدن فلوراید (PVDF) با غلظت 15% وزنی که با نانو لوله‌های کربنی چند دیواره عامل‌دار شده با گروه‌های اسیدی، بازی و آمین مخلوط شده و با روش وارونگی فازی و حلال نرمال متیل پیرولیدون ساخته شده، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. برای اولین بار آب دوستی سطح غشاهای نانوکامپوزیت مختلف به‌صورت تدریجی تغییر نمود که این تغییرات تدریجی، رفتار و عملکرد غشا را بیان می‌کند. آنالیز سطح میکروسکوپ الکترونی روبشی تفاوت قابل ملاحظه‌ای در اندازه حفرات نشان داد (چند دهم میکرون) ولی آنالیز سطح مقطع نشان داد که تمام غشاهای ساخته شده دارای ساختار نامتقارن شامل یک لایه بالایی فشرده و یک لایه پایینی با کانال‌های وسیع و حفرات درشت هستند. تمام غشاهای اصلاح شده با ویژگی آب دوستی بهتر نسبت به غشای اصلاح نشده (°87) هستند. نتایج شار آب مقطر نیز نتایج بهبود آب‌دوستی مشاهده شده در زاویه تماس را تأیید کرد که با نتایج تخلخل همخوانی دارد. شار غشاهای اصلاح شده در مقادیر بهینه بیش از 2 برابر غشای اصلاح نشده (L/m2h 146) افزایش یافت. آنالیز میکروسکوپ نیروی اتمی نشان داد که غشاهای نانوکامپوزیت دارای زبری کمتری نسبت به غشای خالص دارند. (Sa=270 nm) نتایج تست مکانیکی نشان‌دهنده عدم تأثیر منفی نانولوله‌های کربنی عامل‌دار شده بر مقاومت مکانیکی غشاها می‌باشد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Effect of Functional Carbon Nanotubes in Permeability of Ultrafiltration Nanocomposite Polyvinylidene Fluoride (PVDF) Membrane

نویسندگان [English]

  • Mehran Mofakhami Mehrabadi
  • Alireza Aghaei
  • Maziar Sahba Yaghmaee
Research Department of Ceramic, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran
چکیده [English]

In this paper, flux and antifouling performance of PVDF (15wt.%) nanocomposite ultrafiltration mambrane with different functionalized carbon nanotubes (-COOH, -OH, -NH2) are considered. Membranes are prepared with phase inversion method using NMP as solvent. This is the first time that hydrophilicity of different nanocomposite membranes are changing  gradually as performance of nanocomposite membrane are considered. Gradually, the change of hydrophilicity explaines the behavior and performance of nanocomposite membrane. Analysing surface pore size by SEM showed no significant  diffferent in mean pore size (a few tenths of a micron) of nanocomposite memebranes in comparison with pristine memebrans. The cross section morphology showed that all prepared membranes are asymmetric structure with a compact toplayer and a bottom layer with large pore channels. All modified nanocomposite membranes show better hydrophilicity surface in comparison with pristine PVDF membrane (87°). The results of pure water flux are approved by the results of contact angle and porosity which have been measured. Pure water flux of nanocomposite membranes with optimized carbon nanotube amount is increased more than twofold to pristine membrane (146 L/m2.h). AFM also revealed that nanocomposite membranes have smaller roughness in comparison with pristine membrane (Sa=270 nm). This subject is shown that functional carbon nanotubes have not any detrimental effects on mechanical resistance in modified membranes.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • nanocomposite membrane
  • Carbon Nanotube
  • Fouling
  • Hydrophilicity
  • Ultrafiltration

[1]. Ahmad A. L., Abdulkarim A. A., Ooi B. S. and Ismail S., “Recent development in additives modifications of polyethersulfone membrane for flux enhancement,” J. Chem. Eng., Vol. 223, pp. 246-267, 2013.##

[2]. Liu Q., Wang T., Qiu J. and Cao Y., “A novel carbon/zsm-5 nanocomposite membrane with high performance for oxygen/nitrogen separation,” Chem. Commun., Issue 11, pp. 1230-1232, 2006.##

[3]. Zimmerman C. M., Singh A. and Koros W. J., “Tailoring mixed matrix composite membranes for gas separations,” J. Membr. Sci., Vol. 137, pp. 145-1540, 1997.##

[4]. Rashid M. H. and Ralph S. F., “Carbon nanotube membranes:synthesis,properties,and future filtration applications,” J. of Nanomaterials, Vol. 7, p. 99, 2017.##

[5]. Ma L., Dong X., Chen M., Zhu L., Wang C., Yang F. and Dong Y., “Fabrication and water treatment application of carbon nanotubes(CNTs)- based composite membranes,” Membranes, Vol. 7, p. 16, 2017.##

[6]. Bao Y., Yan X., Du W., Xie X., Pan Z., Zhou J. and Li L., “Application of amine-functionalized mcm-41 modified ultrafiltration membrane to remove chromium (vi) and copper (ii),” Chem. Eng. J., Vol. 281, pp. 460-467, 2015.##

[7]. Zarrabi H., Yekavalangi M. E., Vatanpour V., Shockravi A., Safarpour M., “Improvement in desalination performance of thin film nanocomposite nanofiltration membrane using amine-functionalized multiwalled carbon nanotube,” Desalination, Vol. 394, pp. 83-90, 2016.##

[8]. Zhang X., Lang W. Z., Yan X., Lou Z. Y. and Chen X. F., “Influences of the structure parameters of multi-walled carbon nanotubes(mwnts) on pvdf/pfsa/o-mwnts hollow fiber ultrafiltration membranes,” J. of Membr. Sci., Vol. 499, pp. 179-190, 2016.##

[9]. Madaeni S. S., Zinadini S. and Vatanpour V., “Convective flow adsorption of nickel ions in pvdf membrane embedded with multi-walled carbon nanotubes and paa coating,” Separ. and Puri. Tech., Vol. 80, pp. 155-162, 2011.##

[10]. Majeed S., Fierro D., Buhr K., Wind J., Du B., Boschetti-de-Fierro A., Abetz V., “Multi-walled carbon nanotubes (mwcnts) mixed polyacrylonitrile (pan) ultrafiltration membranes,” J. of Membr. Sci., Vol. 403, pp. 101-109, 2012.##

[11]. Zhang J., Xu Z., Mai W., Min C., Zhou B., Shan M., Li Y., Yang C., Wang Z. and Qian X., “Improved hydrophilicity, permeability, antifouling and mechanical performance of pvdf composite ultrafiltration membranes tailored by oxidized low-dimensional carbon nanomaterials,” J. Mater. Chem., Issue 9, A 1, pp. 301-311, 2013.##

[12]. Silva W., Ribeiro H., Seara L., Calado H., Ferlauto A., Paniago R., Leite C., Silva G., “Surface properties o oxidized and aminated multi-walled carbon nanotubes,” J. Braz. Chem. Soc., Vol. 23, No. São Paulo June 2012.##

[13]. Vatanpour V., Madaeni S. S., Moradian R., Zinadini S. and Astinchap B., “Fabrication and characterization of novel antifouling nanofiltration membrane prepared from oxidized multiwalled carbon nanotube/polyethersulfone nanocomposite,” J. Membr. Sci., Vol. 375, pp. 284-294, 2011.##

[14]. Vatanpour V., Esmaeili M. and Farahani M. H., “Fouling reduction and retention increment of polyethersulfone nanofiltration membranes embedded by amine-functionalized multi-walled carbon nanotubes,” J.Membr. Sci., Vol. 466, pp. 70-81, 2014.##

[15]. Hamid A. A., Ismail A. F., Matsuura T., Zularisam A. W., Lau W. J., Yuliwati E. and Abdullah M. S., “Morphological and separation performance study of polysulfone/titanium dioxide (psf/TiO2) ultrafiltration membranes for humic acid removal,” Desalination, Vol. 273, pp. 85-92, 2011.##

[16]. Wang Z., Yu H., Xia J., Zhang F., Li F., Xia Y. and Li Y., “Novel go-blended pvdf ultrafiltration membranes,” Desalination, Vol. 299, pp. 50-54, 2012.##

[17]. Zhao C., Xu X., Chen J. and Yang F., “Effect of graphene oxide concentration on the morphologies and antifouling properties of pvdf ultrafiltration membranes,” J. of Environ. Chem. Eng., Vol. 1, pp. 349- 354, 2013.##

[18]. Vatanpour V., Esmaeili M. and Farahani M. H. D. A., “Fouling reduction and retention increment of polyethersulfone nanofiltration membranes embedded by amine-functionalized multi-walled carbon nanotubes,” J. of Membr. Sci., Vol. 466, pp. 70-81, 2014.##

[19]. Zinadini S., Zinatizadeh A. A., Rahimi M., Vatanpour V. and Zangeneh H., “Preparation of a novel antifouling mixed matrix pes membrane by embedding graphene oxide nanoplates,” J. of Membr. Sci., Vol. 453, pp. 292-301, 2014.##

[20]. Sun M., Su Y., Mu C. and Jiang Z., “Improved antifouling property of pes ultrafiltration membranes using additive of silica−pvp nanocomposite,” Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 49, pp. 790-796, 2009.##

[21]. Zhao H., Wu L., Zhou Z., Zhang L. and Chen H., “Improving the antifouling property of polysulfone ultrafiltration membrane by incorporation of isocyanate-treated graphene oxide,” Phys. Chem. Chem. Phys., Vol. 15, pp. 9084-9092, 2013.##

[22]. Vatanpour V., Madaeni S. S., Rajabi L., Zinadini S., Derakhshan A. A., “Boehmite nanoparticles as a new nanofiller for preparation of antifouling mixed matrix membranes,” J. of Membr. Sci., Vol. 401, pp. 132-143, 2012.##

[23]. Yuen S. M., Ma C. C., Lin Y. Y. and Kuan H. C., “Preparation, morphology and properties of acid and amine modified multiwalled carbon nanotube/polyimide composite,” Compos. Sci. and Tech., Vol. 67, pp. 2564-2573, 2007.##

[24]. Madaeni S. S., Zinadini S. and Vatanpour V., “Preparation of superhydrophobic nanofiltration membrane by embedding multiwalled carbon nanotube and polydimethylsiloxane in pores of microfiltration membrane,” Separ. and Pur. Technology, Vol. 111, pp. 98-107, 2013.##

[25]. Yuen S. M., Ma C. C. M., Lin Y. Y. and Kuan H. C., “Preparation, morphology and properties of acid and amine modified multiwalled carbon nanotube/polyimide composite,” Compos. Sci. and Tech., Vol. 67, pp. 2564-2573, 2007.##

[26] Safarpour M., Khataee A. R. and Vatanpour V., “Effect of reduced graphene oxide/TiO2 nanocomposite with different molar ratios on the performance of PVDF ultrafiltration membranes,” Separ. and Pur. Technology, Vol. 140, pp. 32-42, 2015.##