ساخت غشاهای شبکه آمیخته تبادل یونی پر‌شده با نانوذرات کربن فعال اصلاح شده با کیتوسان: بررسی اثرات غلظت و پی اچ الکترولیت بر خواص انتقالی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه اراک، ایران

2 گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه اراک، ایران

10.22078/pr.2018.3350.2536

چکیده

در این پژوهش اثر غلظت و پی اچ محلول الکترولیت بر خواص انتقالی غشاهای شبکه آمیخته تبادل کاتیونی پر شده با نانوذرات کربن فعال اصلاح شده با کیتوسان مورد بررسی قرار گرفت. عکس‌های میکروسکوپی تهیه شده از غشاها، نشان‌دهنده پراکندگی یکنواخت و سطح همگنی از آنها است. میزان محتوای آب و ظرفیت تبادل یونی غشاهای شبکه آمیخته نانوکامپوزیتی بهبود یافت. پتانسیل، انتخاب‌پذیری و مقاومت الکتریکی غشاها با افزایش میزان نانوذرات، در ابتدا افزایش و سپس کاهش یافت. همچنین انتخاب‌پذیری غشاها در ابتدا با افزایش میزان غلظت محلول الکترولیت افزایش یافته و سپس با افزایش بیشتر آن رفتار کاهشی نشان داد. نتایج حاصل نشان داد که غشاهای تهیه شده انتخاب‌پذیری بالاتری در محیط خنثی در مقایسه با سایر محیط‌های اسیدی/ بازی دارند. مقاومت الکتریکی غشاها با افزایش میزان غلظت محلول الکترولیت نیز کاهش یافت. افزایش پی اچ محلول الکترولیت ابتدا سبب افزایش مقاومت الکتریکی یونی غشاها و سپس باعث کاهش آن گردید. شار یونی غشاهای تهیه شده نیز با افزایش میزان محتوای افزودنی، رفتاری تناوبی نشان داد. خواص انتقالی غشاها نشان می‌دهد که نمونه‌های اصلاح شده قابل مقایسه با نمونه‌های تجاری هستند.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Fabrication of Mixed Matrix ion Exchange Membrane by Using Activated Carbon Nanoparticles Modified by Chitosan: Investigation of Electrolyte Concentration and pH Effects on Transfer Properties

نویسندگان [English]

  • Sayedmohsen Hosseini 1
  • Mohammad Ebrahimi 1
  • Alireza Khodabakhshi 2
  • Mahsa Nemati 1
  • Mahdi Askari 1
1 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Iran
2 Department of Chemistry, Faculty of Sciences, Arak University, Iran
چکیده [English]

In this research, the effect of electrolyte concentration and pH effects on transfer properties of mixed matrix cation exchange membranes filled with activated carbon nanoparticles modified by chitosan was studied. Moreover, the scanning optical microscopy images showed uniform particles dispersion and uniform surface for the membranes. The membrane water content and ion exchange capacity of nanocomposite membranes were improved.  The membrane potential, selectivity and areal electrical resistance were enhanced initially and then decreased. Also, the selectivity of mixed matrix membrane was increased initially by increase in electrolyte concentration and then showed decreasing behaviour by more increase in electrolyte concentration. Moreover, obtained results exhibited more selectivity for the membranes at neutral condition in comparison with acidic or base regions. The areal electrical resistance of membranes was also decreased by increase in electrolyte concentration. Moreover, an increase in electrolyte pH initially caused that membrane areal electrical resistance enhanced however areal electrical resistance declined again at higher pH values. The ionic flux of prepared membrane showed an alternative trend when additive ratios were increased. Finally, the transfer properties of membranes showed that the modified membranes in this study were comparable with that of commercial ones.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Electrodialysis
  • Mixed Matrix Membrane
  • Modified Activated Carbon Nanoparticles
  • Concentration and pH of Electrolyte

[1]. Guo H., You F., Yu S., Li L. and Zhao D., “Mechanisms of chemical cleaning of ion exchange membranes: a case study of plant-scale electrodialysis for oily wastewatertreatment,” J. Membr. Sci.  Vol. 496, pp. 310-317, 2015. ##

[2]. Chakrabarty T., Rajesh A.M., Jasti A., Thakur A. K., Singh A. K., Prakash S., Kulshrestha V. and Shahi V. K., “Stable ion-exchange membranes for water desalination by electrodialysis,” Desalination, Vol. 282, pp. 2–8, 2011. ##

[3]. Hosseini S. M., Madaeni S. S., Heidari A. R. and Amirimehr A., “Preparation and characterization of ion-selective polyvinyl chloride based heterogeneous cation exchange membrane modified by magnetic iron–nickel oxide nanoparticles,” Desalination, Vol. 284, pp. 191–199, 2012. ##

[4]. Baker P.R.W., “Membrane Technology and Applications,” 2nd ed., John Wiley & Sons Ltd., England, 2004. ##

[5]. Długołęcki P., Anet B., Metz S. J., Nijmeijer K. and Wessling M., “Transport limitations in ion exchange membranes at low salt concentrations,” J. Membr. Sci. Vol. 346, pp. 163-171, 2010. ##

[6]. Shahi V. K., Trivedi G., Thampy S. and Rangarajan R., “Studies on the electrochemical and permeation characteristics of asymmetric charged porous membranes,” J. Colloid Interface Sci. Vol. 262, pp. 566-573, 2003. ##

[7]. Nagarale R. K., Shahi V. K., Schubert R., Rangarajan R. and Mehnert R., “Development of urethane acrylate composite ion-exchange membranes and their electrochemical characterization,” J. Colloid Interface Sci. Vol. 270, pp. 446-454, 2004. ##

[8]. Nagarale R. K., Gohil G. S. and Shahi V. K., “Recent developments on ion-exchange membranes and electro-membrane processes,” Adv. Colloid Interface Sci. Vol. 119, pp. 97–130, 2006. ##

[9]. Li X., Wang Z., Lu H., Chengji Zhao, Na H. and Chun Zhao, “Electrochemical properties of sulfonated PEEK used for ion exchange membranes, J. Membr. Sci. Vol. 254, pp.147–155, 2005. ##

[10]. Khodabakhshi A. R., Madaeni S. S. and Hosseini S. M., “Preparation and characterization of monovalent ion-selective poly (vinyl chloride)-blend-poly (styreneco-butadiene) heterogeneous anion-exchange membranes, Polym. Int. Vol. 60, pp. 466-474, 2011. ##

[11]. Hosseini S. M., Madaeni S. S., Khodabakhshi A. R. and Zendehnam A., “Preparation and surface modification of PVC/SBR heterogeneous cation exchange membrane with silver nanoparticles by plasma treatment, J. Membr. Sci. Vol. 365, pp. 438-446, 2010. ##

[12]. Moghadassi A. R., Koranian P., Hosseini S. M., Askari M. and Madaeni S. S., “Surface modification of heterogeneous cation exchange membrane through simultaneous using polymerization of PAA and multi walled carbon nano tubes, J. Ind. Eng.Chem. Vol. 20, pp. 2710–2718, 2014. ##

[13]. Hosseini S. M., Madaeni S. S. and Khodabakhshi A. R., “Preparation and characterization of PC/SBR heterogeneous cation exchange membrane filled with carbon nano-tubes,” J. Membr. Sci. Vol. 362, pp. 550-559, 2010. ##

[14]. Hosseini S. M., Alibakhshi H., Khodabakhshi A. R. and Nemati M., “Enhancing electrochemical performance of heterogeneous cation exchange membrane by using super activated carbon nanoparticles, J. Pet. Sci. Tech. Vol. 8, pp. 14-29, 2018. ##

[15]. Ebrahimi M., Van der Bruggen B., Hosseini S. M., Askari M. and Nemati M., “Improving electrochemical properties of cation exchange membranes by using activated carbon-co-chitosan composite nanoparticles in water deionization, IONICS, 2018. (DOI: https://doi.org/10.1007/s11581-018-2724-y). ##

[16]. Powell C. E. and Qiao G. G., “Polymeric CO2 /N2 gas separation membranes for the capture of carbon dioxide from power plant flue gases,” J. Membr. Sci. Vol. 279, pp. 1–49, 2006. ##

[17]. Tanaka Y. “Ion Exchange Membranes: Fundamentals and Applications,” Netherlands: Membrane Science and Technology Series Elsevier; 2nd ed., 2015. ##

[18]. Parvizian F., Hosseini S. M., Hamidi A. R., Madaeni S. S. and Moghadassi A. R., “Electrochemical characterization of mixed matrix nanocomposite ion exchange membrane modified by ZnO nanoparticles at different electrolyte conditions “pH/concentration,” J. Taiwan Inst. Chem. Eng. Vol. 45, pp. 2878-2887, 2014. ##

[19]. Nagarale R. K, Gohil G. S, Shahi V. K. and Rangarajan R., “Preparation and electrochemical characterization of cation-exchange membranes with different functional groups, Colloids Surf. Vol. 251, pp. 133-40, 2004. ##

[20]. Xu T., “Ion exchange membrane: State of their development and perspective,” J. Membr. Sci. Vol. 263, pp. 1-29, 2005.

[21]. Kariduraganavar M. Y., Nagarale R. K, Kittur A. A. and Kulkarni S. S., “Ion-exchange membranes: preparative methods for electro-dialysis and fuel cell application,” Desalination. Vol. 197, pp. 225–246, 2006. ##