Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Fashandi
حسین فشندی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Sareh Movahed
ساره موحد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Investigation into the influence of plasma treatment and cellulose nanomaterials on the structure and performance of poly (vinil chloride) membranes
Nowadays, polymeric membranes have gained huge attention in separation processes. In this research work, first, ultrafiltration poly(vinyl chloride) (PVC) membrane was prepared through wet-casting of PVC/poly(vinyl pyrroidone)/N-Methy-2-Pyrrolidone solution. The prepared membranes were characterized with respect to surface and interior morphologies, overall porosity, water contact angle, pure water flux, bovine serum albumin (BSA) rejection, anti-fouling properties and long-term and reusability performance. Next, cellulose nanocrystal (CNC) with concentrations of 0.5, 1, 3, 5 7 wt.% with respect to PVC weight and Ar-O 2 vacuum plasma treatment for different exposure times of 2, 4 6 min were considered to modify surface and bulk properties of PVC membrane. It was shown that pure water flux of PVC membrane is positively affected by CNC irrespective of its content. This is attributed to enhanced hydrophilicity and more overall porosity of PVC/CNC membrane in comparison to PVC membrane. The former is resulted from uniform distribution of highly hydrophilic CNCs within the PVC/CNC membrane structure. CNC content of 3 wt.% was recorded as the optimum content by which the highest increase by 461.42% in pure water flux of membrane from 19.44 L/(m 2 h) to 109.14 L/(m 2 h) under operating pressure of 2 bar and BSA rejection of 100% were achieved. Regarding plasma treatment, it was shown that the optimum plasma treatment time can be determined by considering the trade-off between membrane surface hydrophilicity and roughness. In this regard, among different investigated plasma treatment times, i.e. 2, 4 6 min, the optimum one was regarded to be 4 min using which pure water flux increase by 106.89% and 99.34% for PVC membrane and PVC/CNC membrane with CNC content of 3 wt.%, respectively, was observed. A remarkable reduction in BSA rejection was measured for membranes treated by plasma for 6 min. According to the results, it was demonstrated that anti-fouling properties and long-term performance of the prepared membranes are highly correlated to the membrane hydrophilicity and surface roughness. In contrast to the membrane hydrophilicity, surface roughness adversely affects anti-fouling properties and long-term performance of PVC membrane. Overall, CNC and Ar-O 2 vacuum plasma treatment for polymeric membrane modification are only beneficial under optimized operating conditions.
امروزه استفاده از غشاهای پلیمری در فرآیندهای جداسازی، بسیار مورد توجه واقع شده است. در این کار پژوهشی، غشای اولترافیلتراسیون پلی(وینیل کلراید) (PVC) با افزودنی پلی(وینیل پیرولیدون) (PVP) در حلال N-متیل پیرولیدون (NMP) بر مبنای روش ریخته گری تر ساخته شده و ویژگی های ساختاری و عملکردی آن از قبیل ریخت‌شناسی سطح و نواحی داخلی، تخلخل کلی، زاویه تماس آب، شار آب خالص، پس زنی پروتئین بوین سرم آلبومین (BSA)، خواص ضدگرفتگی و عملکرد طولانی مدت غشا بررسی شد. در مرحله بعد به منظور بهبود ویژگی های ساختاری و عملکردی غشای تولید شده، از نانوبلورهای سلولز (CNC) و پلاسمای اکسیژن-آرگون تحت خلأ به ترتیب برای اصلاح توده و سطح غشای PVC استفاده شد. غلظت CNC در محلول، %5/0، 1، 3، 5 و ? نسبت به وزن پلیمر انتخاب شد. بر طبق نتایج حاصل، افزودن CNC به ساختار غشاهای PVC موجب می شود صرفنظر از مقدار CNC، شار آب خالص غشای PVC/CNC نسبت به غشای PVC افزایش یابد. شار آب خالص بالاتر در غشاهای PVC/CNC در مقایسه با غشای PVC فاقد CNC را می توان به حضور نانوذرات به شدت آب دوست CNC و توزیع یکنواخت آن ها در ساختار غشاهای PVC/CNC نسبت داد. همچنین افزودن CNC به محلول ریخته گری صرفنظر از مقدار آن، منجر شد که در هنگام تشکیل غشا، تخلخل کلی غشا به میزان قابل توجهی افزایش یابد. استفاده از CNC به میزان %wt. 3، بیشترین میزان افزایش شار آب خالص برای غشای PVC/CNC به میزان %42/461، نسبت به غشای PVC را به دنبال داشت و شار آب خالص غشا از L/(m 2 h) 44/19 به L/(m 2 h) 14/109 تحت فشارbar ? افزایش یافت. همچنین پس زنی BSA برای غشای یادشده %100 اندازه گیری شد. بنابراین، غلظت CNC به میزان %wt. 3، به عنوان غلظت بهینه انتخاب شد. در خصوص فرآیند پلاسما مشاهده شد که فرآیند پلاسما علاوه بر بهبود آب دوستی سطح غشا، می تواند باعث افزایش میزان ناهمواری سطحی آن نیز گردد. بهبود آب دوستی سطح غشا موجب افزایش شار آب خالص و بهبود خواص ضدگرفتگی غشا و عدم تغییر میزان پس زنی BSA توسط غشا شد. در حالی که افزایش ناهمواری سطح غشا در کنار افزایش شار آب خالص غشا، کاهش شدید در میزان پس زنی BSA توسط غشا را نیز به دنبال داشت. بنابراین زمان بهینه عملیات پلاسما با توجه به عوامل یادشده min 4 در نظر گرفته شد. بعد از min ? فرآیند پلاسما، شار آب خالص برای غشای PVC از L/(m 2 h) 44/19 به L/(m 2 h) 22/40 (%??/106 افزایش) و برای غشای PVC/CNC حاوی %wt. 3 CNC، از L/(m 2 h) 14/109 به L/(m 2 h) 56/217 (%34/99 افزایش) می رسد. همچنین ملاحظه شد برای هر دو غشای یادشده افزایش زمان پلاسما به min ? باعث کاهش بسیار کمی در میزان پس زنی BSA به مقادیر تقریبی %13 و %5 می شود. بنابراین با توجه به نتایج حاصل از اندازه گیری شار آب خالص و میزان پس زنی BSA، زمان بهینه فرآیند پلاسما، min ? برآورد شد. بررسی خواص ضدگرفتگی و عملکرد طولانی مدت غشاهای تولید شده نشان داد که ویژگی‌های یادشده، تابعی از میزان آب دوستی سطح و توده غشا و همچنین ناهمواری های سطحی غشا می باشد. با افزایش آب دوستی سطح و توده غشا خواص ضدگرفتگی و در نتیجه عملکرد طولانی مدت غشا بهبود یافته در حالی که افزایش ناهمواری سطح تأثیری منفی بر ویژگی‌های یادشده دارد. به طور کلی اصلاح ساختار و عملکرد غشاهای پلیمری با استفاده همزمان از نانوذرات آب دوست از قبیل CNC و فرآیند پلاسما تنها در سایه بهینه کردن مقدار CNC و شرایط پلاسما پدیدار می شود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی