SUPERVISOR
Hossein Fashandi
حسین فشندی (استاد راهنما)
STUDENT
Jamaneh Tafreshi
جمانه تفرشی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
An investigation into the influence of particles obtained from Ocimum Basilicum seeds on morphology and performance of polymer membrane
Today, due to the widespread use of hydrophobic polymers such as polysulfone (PSf) in membrane industry, membrane modification using environmental friendly techniques such as plasma is highly encouraged. Additionally, the need for novel environmental friendly nanoparticles () with outstanding properties such as high population of surface hydrophilic functional groups, large specific surface area, facile synthesis, low cost and availability is highly acknowledged. Basil seed gum (BSG) an anionic plant-derived polysaccharide and surface-active hydrocolloid sparked the facile preparation of organic BSG with mean diameter of ~42 nm using planetary ball mill. Different analytical techniques including FESEM, TEM, FTIR, DLS, TGA, BET, zeta potential measurement and hydrophilicity quantification were considered to fully characterize the prepared BSG . PSf ultrafiltration (UF) membranes with different BSG contents, i.e. 0, 0.5, 1, 3 and 5% with respect to PSf weight, were prepared via the well-known nonsolvent-induced phase separation technique using PSf/ Polyvinyl pyrrolidone (PVP)/Dimethylformamide (DMF) 20/5/75 wt.% as casting dope. In fact, PVP was used as a hydrophilic polymer to increase solvent/nonsolvent exchange rate and enhance macrovoid formation. It was demonstrated that BSG content is of profound importance to produce PSf UF membranes with superior properties. In this regard, optimum BSG content was regarded as low as 0.5% by which pure water flux (PWF) as high as 299.8 L/(m 2 .h) with an increase by ~88% with respect to the pristine PSf UF membrane was achieved without compromising bovine serum albumin (BSA) rejection (~94%). Reduced surface roughness and preserved high thermal stability of PSf UF membrane was also observed using BSG . Interestingly, using 0.5% BSG , membrane fouling was highly mitigated as demonstrated by flux recovery ratio (FRR) of ~100% which remained approximately constant after five cycles ended at 325 min during evaluation of membrane anti-fouling properties. Ar/O 2 vacuum plasma treatment, a cost-effective and environmental friendly process, was also performed on PSf UF membrane containing 0.5% BSG and led to further enhancement of pure water permeability (PWP) by ~61% from 59.9 L/(m 2 .h.bar) to 155.32 L/(m 2 .h.bar) while FRR was preserved at ~100%. Overall, using 0.5% BSG and Ar/O 2 vacuum plasma treatment, an anti-fouling UF membrane with PWF as high as 310.6 L/(m 2 .h) under transmembrane pressure of 2 bar was prepared. The potential of PSf UF membranes containing BSG to purify methylene blue (MB) wastewater was also investigated. To further investigate the contribution of BSG to morphology and performance of PSf membranes, PVP was excluded from the casting dope and PSf concentration was increased to 30 wt.%. Membranes with different BSG contents, i.e. 0, 1, 3, 5, 10 wt.% with respect to PSf weight, were prepared via both vapor-induced phase separation (VIPS) and immersion precipitation (IP) techniques. It was shown that in contrast to IP, VIPS leads to macrovoid-free membranes regardless of BSG content. Additionally, membranes prepared via VIPS exhibited superior PWF and inferior MB rejection compared to those prepared via IP. Irrespective of membrane preparation technique, i.e. VIPS or IP, the highest PWF and MB rejection of ~99% at pH=12 were achieved at 1 wt.% and 5 wt.% BSG contents, respectively.
امروزه بهدلیل استفاده گسترده از پلیمرهای آبگریز مانند پلیسولفون در صنعت غشایی، اصلاح غشا با استفاده از فرآیندهای دوستدار محیط زیست همچون پلاسما بسیار رونق یافته است. علاوه بر این، نیاز به نانوذره های جدید دوستدار محیط زیست با خصوصیات برجسته مانند تعداد زیاد گروههای عاملی آبدوست سطحی، سطح ویژه بالا، سنتز آسان، هزینه کم و در دسترس بودن، به شدت احساس می شود. در این راستا، صمغ دانه ریحان (BSG) بهعنوان یک پلی ساکارید آنیونی گیاهی و هیدروکلویید فعال سطحی برای تهیه نانوذرههای آلی BSG با قطر میانگین حدود 42 نانومتر به روش آسیاب سیاره ای مورد توجه قرار گرفت. آنالیزهای مختلفی از قبیل FESEM، TEM، FTIR، DLS، TGA، BET، اندازه گیری زتا پتانسیل و تعیین آبدوستی بهمنظور توصیف ویژگی های نانوذره BSG انجام شد. غشاهای اولترافیلتراسیون PSf حاوی مقادیر مختلف نانوذره شامل 0، 5/0، 1، 3 و 5 درصد نسبت به وزن پلیمر، با روش متداول جدایی فازی ناشی از غیرحلال (رسوب غوطه وری (IP)) با استفاده از محلول PSf/پلی وینیل پیرولیدون (PVP)/دی متیل فرمامید (DMF) با نسبتهای وزنی 20/5/75 تهیه شدند. در مواقع، PVP بهعنوان یک پلیمر آبدوست بهمنظور افزایش نرخ تبادل حلال/ غیرحلال و در نتیجه افزایش تشکیل بزرگ حفرهها استفاده شد. بررسی ها نشان داد که مقدار نانوذرههای BSG برای تولید غشاهای اولترافیلتراسیون PSf با خواص ارتقا یافته و مطلوب از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. در این راستا، مقدار بهینه نانوذره BSG برابر با 5/0 درصد منجر به شار آب خالص (PWF) به بزرگی 2/299 لیتر بر (مترمربع.ساعت) گردید که نشان دهنده افزایش 88 درصدی PWF در مقایسه با غشای PSf خالص بود. این افزایش در PWF با ثابت ماندن میزان پس زنی سرم آلبومین گاوی (BSA) (حدود 94درصد) حاصل گردید. همچنین مشاهده گردید که با افزودن نانوذره BSG، زبری سطح غشا کاهش یافته ولی پایداری حرارتی غشا دستخوش تغییر نمی شود. استفاده از 5/0 درصد نانوذره BSG، بهشدت گرفتگی غشا را کاهش داد و نسبت بازیابی شار (FRR) حدود 100 درصد حاصل شد که این عدد در حین بررسی خواص مقاومت غشا در برابر گرفتگی برای 5 چرخه به مدت 325 دقیقه تقریبا ثابت باقی ماند. پلاسمای خلا آرگون/اکسیژن بهعنوان روشی مقرون بهصرفه و دوستدار محیط زیست بر روی غشای اولترافیلتراسیون PSf حاوی 5/0 درصد نانوذره اعمال گردید و با حفظ 100 درصدی میزان FRR منجر به افزایش حدود 1/159 درصد نفوذپذیری شارآب خالص از 9/59 به 2/155 لیتر بر (مترمربع.ساعت.بار) شد. بهطور کلی، با استفاده از 5/0 درصد نانوذره BSG و اصلاح پلاسمای خلا آرگون/ اکسیژن، غشای اولترافیلتراسیون PSf مقاوم در برابر گرفتگی با PWF برابر با 6/310 لیتر بر (مترمربع.ساعت) در فشار عملیاتی غشایی 2 بار تهیه شد. علاوه بر موارد ذکر شده، توانایی غشاهای اولترافیلتراسیون PSf حاوی نانوذره BSG بهمنظور تصفیه رنگ متیلن بلو (MB) مورد بررسی قرار گرفت. از سوی دیگر، برای بررسی بیشتر نقش نانوذره BSG بر روی مورفولوژی و عملکرد غشاهای PSf، PVP از محلول ریخته گری حذف گردیده و غلظت PSf به 30 درصد وزنی افزایش یافت. در ادامه، غشاهایی با مقادیر مختلفی از نانوذره BSG شامل 0، 1، 3، 5 و 10 درصد وزنی نسبت به وزن پلیمر، به دو روش جدایی فازی ناشی از بخار (VIPS) و IP تهیه شدند. مشخص شد که صرف نظر از مقدار نانوذره BSG، غشاهای VIPS در مقایسه با غشاهای IP، فاقد بزرگ حفره بودند. علاوه بر این، غشاهای تهیه شده به روش VIPS دارای PWF بالاتر و پسزنی MB پایین تر در مقایسه با غشاهای تهیه شده به روش IP بودند. صرف نظر از روش های تهیه غشا، بالاترین PWF و پسزنی MB در حدود 99 درصد و در ??=pH بهدست آمد که بهترتیب مربوط به 1 و 5 درصد وزنی نانوذره BSG بود.