SUPERVISOR
Seyed-Abdolkarim Hoseini,Zahra Talebi mazraehshahi,Afsaneh Valipouri
سیدعبدالکریم حسینی (استاد راهنما) زهرا طالبی مزرعه شاهی (استاد مشاور) افسانه ولی پوری (استاد راهنما)
STUDENT
Leila Baniahmad
لیلا بنی احمد
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
investigation of the parameters involved by filtration process through nanofibrous membrane on the removal efficiency of anionic pollutants
Toxic pollutants in groundwater have increased in recent years by increasing of industrial and agricultural activity. Nitrate is one of the most important groundwater pollutants in the world due to its high solubility in water. Human activities such as unauthorized use of fertilizers in agriculture and disinfectants are the main source of nitrate entry into the water. The presence of nitrate in the water is a serious threat to the environment, plants, animals and humans with unauthorized concentrations. Side effects of increased nitrate in drinking water can be the incidence of methemoglobin in infants, cancer, diabetes and infectious diseases. The most common methods of nitrate removal from water include ion exchange, reverse osmosis, adsorption, electrodialysis and biological methods. Among these methods, adsorption due to its simplicity and relative cost-effectiveness and good efficiency in removal of a wide range of anionic contaminants is a good option. In this method the adsorbent surface area is the key parameter. This adsorbent parameter allows for the presence of more active adsorbent sites. The higher the specific surface area, the more adsorption and adsorption capacity are possible. Such an adsorbent, which has high adsorption potential in terms of chemical and physical structure, can perform optimally in the context of engineered conditions. The requirements of these conditions include providing sufficient time for the adsorption event, determining the amount of adsorbent needed to adsorb a certain amount of contaminants, and in short a suitable and optimal adsorption system. In this regard, this research is based on the application of high affinity to nitrate adsorption and a high specific surface area in the dynamic adsorption system or so-called stable adsorption column. Because there has been no extensive study on the use of this method, which has the advantages of adsorption and filtration. For this purpose, PEI polymer with high functional groups and PES polymer were selected for good electrospinning properties. Nanofibrous membranes with a ratio (PEI/PES(1:1/3)) were produced by electrospinning. To insolubilize the resulting PEI polymer, a single immersion step was performed in water/acetone/ glutaraldehyde cross-linking solution. The performance of the resulting nanofibers at 216 nm in diameter was investigated under dynamic adsorption experiments. These experiments were carried out using a module designed and manufactured from Teflon with a diameter of 4.7 cm and a printing machine ink pump. The parameters of feed nitrate concentration, feed flow rate and column height, which is actually the thickness of the adsorbent, were investigated. All experiments were performed at room temperature and normal pH of nitrate (about 6.5-7). The performance of the adsorption column in each experiment was determined by analyzing the breakthrough curve at the breakthrough point (C/C 0 =0.1) and saturation (C/C 0 =0.8). Also, adsorption capacity and bed utilization efficiency were calculated and compared. The results show that increasing the feed nitrate concentration, increasing the feed flow rate and increasing the thickness of PEI / PES nanofibers, decrease, decrease and increase the time of breakthrough and saturation, respectively. Among the experiments performed in this study, the maximum adsorption capacity to reach the breakthrough point was related to a 70ppm solution with a flow rate of 0.5ml/min and an adsorbent thickness of 346?m. Also the highest adsorption capacity, to column saturation is in a 70 ppm solution with a flow rate of 0.5ml/min and an adsorbent thickness of173 and equals to 231.6 mg/g. Finally, a comparison was made between the results of static adsorption and dynamic adsorption of this study. The adsorption capacity in dynamic adsorption was also better than the adsorption capacity in static adsorption. But the difference between the two systems is even more pronounced in the low-concentration solution. Under comparable conditions for purification of 70 ppm solution, dynamic adsorption test of 231.6 mg / g and static adsorption test of 129 mg / g had adsorption capacity.
متداولترین روشهای حذف نیترات از آب شامل تعویض یون، اسمز معکوس، جذب سطحی، الکترودیالیز و روشهای بیولوژیکی است. در بین این روشها، جذب سطحی به سبب سادگی و ارزانی نسبی و کارایی خوب در حذف گروه وسیعی از آلایندههای آنیونی گزینه مناسبی است. در این روش سطح مخصوص جاذب پارامتر کلیدی است. این پارامتر جاذب امکان حضور گروههای فعال جذبکننده بیشتری را فراهم میسازد. هر چه سطح مخصوص جاذب بالاتر باشد، امکان رخداد جذب بیشتر و جاذب کاراتر است. چنین جاذبی که به لحاظ ساختار شیمیایی و فیزیکی پتانسیل جذب بالایی دارد، در بستر یک شرایط مهندسیشده میتواند عملکرد بهینه داشتهباشد. ملزومات این شرایط شامل فراهم کردن زمان کافی برای رخداد جذب، تعیین مقدار جاذب لازم برای جذب مقدار مشخصی آلاینده و بهطور خلاصه یک سامانه جذب متناسب و بهینه است. در این راستا، این پژوهش مبتنی بر بهکارگیری جاذبی با تمایل بالا به جذب نیترات و با سطح مخصوص زیاد در سیستم جذب دینامیکی یا اصطلاحاً ستون جذب بسترثابت بنا شدهاست. چرا که تا کنون مطالعه گستردهای بر استفاده از این روش، که از مزایای جذب سطحی و فیلتراسیون برخوردار است، صورت نگرفتهاست. با این هدف پلیمر پلیاتیلنایمین(PEI) با گرایش جذب بالا و پلیمر پلیاترسولفون(PES) به جهت بهبود فرآیند الکتروریسی انتخاب شد. غشاء نانولیفی پلیاتیلنایمین/ پلیاترسولفون با نسبت وزنی (PEI/PES(1:1/3)) با روش الکتروریسی تولید شد. جهت نامحلولسازی پلیمر PEI غشاء حاصل، یک مرحله غوطهوری در محلول آب/ استون/ گلوتارآلدهید انجام شد. کارایی غشاء نانولیفی حاصل، با قطر نانوالیاف 216 nm تحت آزمایشهای جذب دینامیکی بررسی شد. این آزمایشها به کمک ماژول طراحی و ساختهشده از جنس تفلون با قطر داخلی 4/7 cm و پمپ جوهر دستگاه چاپ انجام شد. پارامترهای غلظت اولیه نیترات، نرخ جریان محلول تغذیه و ارتفاع ستون جاذبها که در واقع ضخامت جاذب میباشد، مورد بررسی قرار گرفت. کلیه آزمایشها در دمای محیط و pH طبیعی نیترات (حدود 7-6/5) انجام شد. عملکرد ستون جذب در هر آزمایش توسط تحلیل نمودار رخنه در زمانهای بروز رخنه(C/C 0 =0/1) و اشباع(C/C 0 =0/8) انجام شد. همچنین ظرفیت جذب و راندمان کارایی ستون جذب محاسبه و مقایسه شد. نتایج نشان میدهد افزایش غلظت نیترات محلول تغذیه، افزایش نرخ جریان محلول تغذیه و افزایش ضخامت جاذب نانولیفی PEI/PES به ترتیب موجب کاهش، کاهش و افزایش زمان رخداد رخنه و اشباع میشود. در بین آزمایشهای انجامشده در این پژوهش بیشترین ظرفیت جذب تا رسیدن به نقطه رخنه مربوط به تصفیه محلول 70 ppm با نرخ جریان 0/5 ml/min و ضخامت جاذب 346 µm است. همچنین بیشترین ظرفیت جذب تا اشباع ستون، در تصفیه محلول 70 ppm با نرخ جریان 0/5 ml/min و ضخامت جاذب 173 µm و معادل با 231/6 mg.g -1 است. در نهایت مقایسهای بین نتایج جذب ساکن و جذب دینامیکی این پژوهش، صورت گرفت. ظرفیت جذب در جذب دینامیکی نسبت به ظرفیت جذب در جذب ساکن عملکرد بهتری نیز داشتهاست. اما تفاوت این دو سیستم در تصفیه محلول با غلظت کمتر نیز بیشتر است. تحت شرایط قابل مقایسه برای تصفیه محلول 70 ppm، آزمایش جذب دینامیکی 231/6 mg/g و آزمایش جذب ساکن 129 mg/g ظرفیت جذب داشتهاست.