مروری بر غشاهای نانوصافش بستر مختلط بر‎پایه پلی سولفون و پلی اترسولفون/ نانوذرات کربنی

محورهای موضوعی : شیمی تجزیه

نادر غلامی ¹ , حسین مهدوی ²

1 - دکترای شیمی در دانشکده شیمی، پردیس علوم، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 - استاد دانشکده شیمی، پردیس علوم، دانشگاه تهران، تهران، ایران

تاریخ دریافت : 1399/12/25 تاریخ پذیرش : 1399/12/25 تاریخ انتشار : 1399/12/01

کلید واژه: پلی سولفون, نانوصافش, گرفتگی, غشا بستر مختلط, آب دوستی, آب گریزی, پلی اترسولفون,

چکیده مقاله :

باوجود‎آنکه فناوری غشایی نسبت به روش های متداول جداسازی، دارای مزایایی مانند توانایی حذف بالا، انعطاف پذیری عملیات، اثربخشی بهتر در جداسازی است، ولی گرفتگی محدودیت اصلی در به‎کارگیری بیشتر فناوری غشایی است که دلیل اصلی آن آب گریزی ذاتی مواد سازنده غشا است. برای غلبه بر این اشکال از غشاهای نانوچندسازه استفاده می شود. در بین فرایندهای غشایی، نانوصافش (NF) کاربردهایی در تصفیه انواع آب‎های زیرزمینی و سطحی، تصفیه پساب و پیش عملیات نمک زدایی دارد. از آنجا که فرایند NF در فشار پایین تری انجام می شود، از دید مصرف انرژی فرایندی بسیار با صرفه تر است. در این مقاله مروری، اصلاح غشاهای پلی سولفون/پلی اترسولفون در رابطه با عملکرد ضدگرفتگی و سازوکار کاهش گرفتگی برپایه روش‎های متفاوت اصلاح غشا بررسی شده است. این بررسی نشان می‎دهد که آب‎دوستی در سطح غشا پلی‎سولفون/پلی اترسولفون بهبود می یابد. همچنین، مطالعه‎ای جامع در باره ساخت غشاهای نانوچندسازه ای به‎دست آمده از به‎کارگیری نانوذرات در غشا بسپاری بستر مختلط، ویژگی و کاربرد آن ها با پرکننده های آلی (مانند گرافن و نانولوله کربنی) انجام شده است. روش های شناسایی به‎کارگرفته‎شده برای غشاهای اصلاح شده نیز موردبررسی قرارگرفته است.

چکیده انگلیسی:

Although the membrane technology has advantages such as the high capability of separation, flexibility of operation, efficiency, etc. compared to conventional methods, fouling is the main limitation for the further use of membrane technology, mainly because of the inherent hydrophobicity of membrane materials. To overcome this drawback, nanocomposite membranes are used. Among membrane processes, nanofiltration has applications in groundwater, surface water and wastewater treatment as well as pre-desalination operations. Since NF process is performed at a lower pressure, it is a much more energy efficient process. In this review, modification of polysulfone/polyatersulfone membranes is investigated with regards to anti-fouling performance. The mechanism of fouling reduction clearly shows that surface hydrophilicity improves at the polysulfone/polyatersulfone membranes, based on different membrane modification methods. In addition, the fabrication of nanocomposite membranes resulting from the participation of nanoparticles in the polymeric matrix mixed membrane, their properties and applications using organic fillers (such as graphene and carbon nanotubes) have been thoroughly studied.Furthermore, the characterization techniques applied for modified membranes have been discussed.This comprehensive study concludes with some recommendations for future research and development of NF membranes.  

منابع و مأخذ:

[1] Lee, K.P.; Arnot, T.C.; Mattia, D; J. Membr. Sci. 370, 1-22, 2011.

[2] Lee, A.; Elam, J.W.; Darling, S.B.; Environ. Sci. Water Res. Technol 2(1), 17-42, 2016.

[3] Liu, Y.; Zhang, S.; Wang, G.; Desalination 316, 127-136, 2013.

[4] Jhaveri, J.-H.; Murthy, Z.V.P.; Desal. Water Treat. 57(55), 1-17, 2016.

[5] Wang, B.; Liang, W.; Guo, Z.; Liu, W.; Chem. Soc. Rev. 44, 336-361, 2015.

[6] Shi, Q.; Su, Y.L.; Jian, Z.Y.; J. Membr. Sci. 319, 271-278, 2008.

[7] Mohammad, A.W.; Teow, Y.H.; Ang, W.L.; Chung, Y.T.; Oatley-Radcliffe, D.L.; Hilal, N.; Desalination 356, 226-254, 2015.

[8] Peydayesh, M.; Mohammadi, T.; Bakhtiari, O.; Sep. Purif. Technol. 194, 488-502, 2018.

[9] Soyekwo, F.; Zhang, Q.G.; Deng, C.; Gong, Y.; Zhu, A.M.; Liu, Q.L.; J. Membr. Sci. 454, 339-345, 2014.

[10] Rakhshan, N.; Pakizeh, M.; Korean J. Chem. Eng. 32, 2524-2533, 2015.

[11] Moochani, M.; Moghadassi, A.; Hosseini, S.M.; Bagheripour, E.; Parvizian, F.; Korean J. Chem. Eng. 33(9), 2674-2683, 2016.

[12] Pedicini, R.; Carbone, A.; Saccà, A.; Gatto, I.; Di Marco, G.; Passalacqua, E.; Polym. Test 27(2), 248-259, 2008.

[13] Barth, C.; Gonçalves, M.C.; Pires, A.T.N.; Roeder, J.; Wolf, B.A.; J Membr Sci. 169(2), 287-299, 2000.

[14] Liu, SX.; Kim, J.T.; J Adhes. Sci. Technol. 25(1-3), 193-212, 2012.

[15] Wang, Y.; Su, Y.; Sun, Q.; Ma, X.; Ma, X.; Jiang Z.; J. Membr. Sci. 282(1-2), 44-51, 2006a.

[16] Boussu, K.; Van der Bruggen, B.; Volodin, A.; Van Haesendonck, C.; Delcour, JA.; Van der Meeren, P.; Vandecasteele, C.; Desalination 191(1-3), 245-253, 2006.

[17] Razali, N.F.; Mohammad, A.W.; Hilal, N.; Leo, C.P.; Alam, J.; Desalination 311, 182-191, 2013.

[18] Stengaard, F.F.;  J. Membr. Sci. 36, 251-275, 1988.

[19] Khulbe, K.C.; Feng, C.; Matsuura, T.; J Appl Polym Sci. 115(2), 855-895, 2010.

[20] Zhao, C.; Xue, J.; Ran, F.; Sun, S.; Prog. Mater Sci. 58, 76-150, 2013.

[21] Zhao, W.; Su, Y.; Li, C.; Shi, Q.; Ning, X.;  Jiang, Z.; J. Membr. Sci. 318(1-2), 405-412, 2008.

[22] Van der Bruggen, B.; J Appl Polym Sci. 114, 630-642, 2009.

[23] Huang, J.; Wang, H.; Zhang, K.; Desalination 336, 8-17, 2014.

[24] Chowdhury, S.R.; Kumar, P.; Bhattacharya, P.K.; Kumar, A.; Sep.Purif. Technol. 24, 271-282, 2001.

[25] Gholami, N.; Mahdavi, H.; Adv Polym Technol. 37, 8, 3529-3541, 2018.

[26] Mahdavi, H.; Heidari, A.A.; Polym Adv Technol. 29, 2, 989-1001, 2018.

[27] Peeva, P.D.; Pieper, T.; Ulbricht, M.; J. Membr. Sci. 362, 1-2, 560-568, 2010.

[28] Keszler, B.; Kova´cs, G.; To´th, A.; Berto´li, I.; Hegyi, M.; J Membr Sci. 62, 201- 210, 1991.

[29] Zhao, X.; Su, Y.; Chen, W.; Peng, J.; Jiang, Z.; J. Membr. Sci. 382(1-2), 222-230, 2011.

[30] Qin, H.; Sun, C.; He, C.; Wang, D.; Cheng, C.; Nie, S.; Sun, S.; Zhao, C.; J. Membr. Sci. 468, 172-183, 2014.

[31] Mahdavi, H.; Kazemi Shariat Panahi, M.; Shahalizade, T.; Polym. Bull. 75, 5677-5694, 2018.

[32] Mahdavi, H.; Moradi-Garakani, F.; Chemical Engineering Research and Design 125, 156-165, 2017.

[33] Mahdavi, H.; Ardeshiri, F.; J. Iran. Chem. Soc. 13, 873-880, 2016.

[34] Mahdavi, H.; Razmi, F.; Shahalizade, T.; Sep. Purif. Technol. 162, 37-44, 2016.

[35] Mahdavi, H.; Heidari, A.A.; Polym Adv Technol. 29(2), 989-1001, 2018.

[36] Mahmoudian, M.; Ghasemi Kochameshki, M.; Mahdavi, H.; Vahabi, H.; Enayati, M.; Polym Adv Technol. 29, 2690-2700, 2018.

[37] Mahdavi, H.; Hosseinzadeh, M.T.; Shahalizade, T.; J IRAN CHEM SOC. 12, 1465-1472, 2015.

[38] Mahdavi, H.; Mahmoudian, M.; Shikhhasani, F.; Polymer Science, Ser. B, 56(4), 494-503, 2014.

[39] Mahdavi, H.; Mahmoudian, M.; J IRAN CHEM SOC. 11, 1275-1285, 2014.

[40] Ma, X.; Su, Y.; Sun, Q.; Wang, Y.; Jiang, Z.; J. Membr. Sci. 300, 71-78, 2007.

[41] Yu, H.; Cao, Y.; Kang, G.; Liu, J.; Li, M.; Yuan, Q.; J. Membr. Sci. 342, 6-13, 2009.

[42] Pourjafar, S.; Rahimpour, A.; Jahanshahi, M.; J. Ind. Eng. Chem. 18, 1398-1405, 2012.

[43] Boricha, A.G.; Murthy, Z.V.P.; J. Appl. Polym. Sci. 110, 3596-3605, 2008.

[44] Boricha, A.G.; Murthy, Z.V.P.; J. Membr. Sci. 339, 239-249, 2009.

[45] Luo, M.-l.; Tang, W.;  Zhao, J.-q.;  Pu, C.-s.; J. Mater. Process. Technol. 172, 431-436, 2006.

[46] Garcia-ivars, J.; Iborra-clar, M.; Alcaina-miranda, M.; Sep. Purif. Technol. 135, 88-99, 2014.

[47] Das, R.; Ali, M.E.; Hamid, S.B.A.; Ramakrishna, S.; Chowdhury, Z.Z;. Desalination 336, 97-109, 2014.

[48] Khorshidi, B.; Hajinasiri, J.; Sadrzadeh, M.; J. Membr. Sci.  500, 151-160, 2016.

[49] Miyauchi, M.; Nakajima, A.; Watanabe, T.; Hashimoto, K.; Chem. Mater. 14, 6, 2812-2816, 2002.

[50] Madaeni, S.S.; Ghaemi, N.; J. Membr. Sci. 303, 221-233, 2007.

[51] Zhang, X.W.; Wang, D.K.; Lopezn, D.R.S.; da Costa, J.C.D.; Chem. Eng. J. 236, 314-322, 2014.

[52] Kanakaraju, D.; Glass, B.D.; Oelgemoller, M.; Environ. Chem. Lett. 12, 27-47, 2014.

[53] Balta, S.; Sotto, A.; Luis, P.; Benea, L.; Van der Bruggen, B.; Kim, J.; J. Membr. Sci. 389, 155-161, 2012.

[54] Hess, S.C.; Kohll, A.X.; Raso, R.A.; Schumacher, C.M.; Grass, R.N.; Stark, W.J.; ACS Appl. Mater. Interfaces. 7(1), 611-617, 2015.

[55] Yang, Y.; Zhang, H.; Wang, P.; Zheng Q.; Li, J.; J. Memb. Sci. 288(1-2), 231-238, 2007.

[56] Sotto, A.; Boromand, A,; Zhang, R.; Luis, P.; Arsuaga, J. M.; Kim, J.; Van der Bruggen, B.; J. Colloid Interface Sci. 363, 2, 540-550, 2011.

[57] Prashantha, K.; Park, S.G.; J. Appl. Polym. Sci. 98(5), 1875-1878, 2005.

[58] Bae, T.-H.; Kim, I.-C.; Tak, T.-M.; J. Memb. Sci. 275(1-2), 1-5, 2006.

[59] Li, J.-F.; Xu, Z.-L.; Yang, H.; Yu, L.-Y.; Liu, M.; Appl. Surf. Sci. 255, 9, 4725-4732, 2009.

[60] Mingliang, L.; Qingzhi, W.; Jialin, L.; Hongjian, L.; Zilong J.; Chin. J. Chem. Eng. 19(1), 45-51, 2011.

[61] Liu, S.; Yu, H.; Zhou, L.; Wang, P.; Shao, Z.; Yi, B.; Int. J. Hydrogen Energy. 37(15), 11425-11430, 2012.

[62] Jamshidi Gohari, R.; Lau, W.J.; Matsuura, T.; Halakoo, E.; Ismail, A.F.; Sep. Purif. Technol. 120, 59-68, 2013.

[63] Jamshidi Gohari, R.;  Halakoo,  E.; Lau,  W.J.; Kassim,   M.A.; Matsuura,  T.;  Ismail,  A.F.;  RSC Adv. 4(34), 17587-17596, 2014.

[64] Rahimpour, A.; Madaeni, S.S.; Taheri, A.H.; Mansourpanah, Y.; J. Membr. J. Membr. Sci. 313(1-2), 158-169, 2008.

[65] Bae, T.-H.; Tak, T.-M.; J. Membr. Sci. 249, 1-8, 2005.

[66] Luo, M.-L.; Zhao, J.-Q.; Tang, W.; Pu, C.-S.; Appl. Surf. Sci. 249, 76-84, 2005.

[67] Li, X.; Fang, X.; Pang, R.; Li, J.; Sun, X.; Shen, J.; Han, W.; Wang, L.; J. Membr. Sci. 467, 226-235, 2014.

[68] Hamid, N.A.A.; Ismail, A.F.; Matsuura, T.; Zularisam, A.W.; Lau, W.J.; Yuliwati, E.; Abdullah, M.S.; Desalination 273, 85-92, 2011.

[69] Yang, Y.; Wang, P.; Polymer 47, 2683-2688, 2006.

[70] Vatanpour, V.; Madaeni, S.S.; Khataee, A.R.; Salehi, E.; Zinadini, S.; Monfared, H.A.; Desalination 292, 19-29, 2012.

[71] Kumar, R.; Isloor, A.M.; Ismail, A.F.; Rashid, S.A.; Ahmed, A.A.; Desalination 316, 76-84, 2013.

[72] Shaban, M.; AbdAllah, H.; Said, L.; Hamdy, H.S.; Khalek, A.A.; Chem. Eng. Res. Des. 95, 307-316, 2015.

[73] Shen, J.N.; Ruan, H.M.; Wu, L.G.; Gao, C.J.; Chem. Eng. J. 168(3), 1272-1278, 2011.

[74] Ahmad, A.L.; Majid, M.A.; Ooi, B.S.; Desalination 268(1-3), 266-269, 2011.

[75] Leo, C.P.; Lee, W.P.C.; Ahmad, A.L.; Mohammad, A.W.; Sep. Purif. Technol. 89, 51-56, 2012.

[76] Zhao, S.; Yan, W.; Shi, M.; Wang, Z.; Wang, J.; Wang, S.; J. Membr. Sci. 478, 105-116, 2015.

[77] Pang, R.; Li, X.; Li, J.; Lu, Z.; Sun, X.; Wang, L.; Desalination 332, 60-66, 2014.

[78] Homayoonfal, M.; Mehrnia, M.R.; Shariaty-Niassar, M.; Akbari, A.; Ismail, A.F.; Matsuura, T.; Desalination 354, 125-142, 2014.

[79] Ghaemi, N.; Madaeni, S.S.; Daraei, P.; Rajabi, H.; Zinadini, S.; Alizadeh, A.; Heydari, R.; Beygzadeh, M.; Ghouzivand, S.; Chem. Eng. J. 263, 101-112, 2015.

[80] Jhaveri, J. -H.; Murthy, Z.V.P.; Desalination 379, 137-154, 2016.

[81] Geim, A.K.; Science, 324(5934), 1530-1534, 2009.

[82] Choi, J. -H.; Jegal, J.; Kim, W.-N.; J. Membr. Sci. 284, 406-415, 2006.

[83] Vatanpour, V.; Madaeni, S.S.; Moradian, R.; Zinadini, S.; Astinchap, B.; J. Membr. Sci. 375, 284-294, 2011.

[84] Son, M.; Choi, H.-G.; Liu, L.; Celik, E.; Park, H.; Choi, H.; Chem. Eng. J. 266, 376-384, 2015.

[85] Ionita, M.; Pandele, A.M.; Crica, L.; Pilan, L.; Compos. Part B 59, 133-139, 2014.

[86] Zinadini, S.; Zinatizadeh, A.A.; Rahimi, M.; Vatanpour, V.; Zangeneh, H.; J. Membr. Sci. 453, 292-301, 2014.

[87] Akin, I.; Zor, E.; Bingol, H.; Ersoz, M.; J. Phys. Chem. B 118, 5707-5716, 2014.

[88] Goh, P.S.; Ismail, A.F.; Desalination 356, 115-128, 2015.

[89] Liu, H.; Wang, H.; Zhang, X.; Adv. Mater. 27, 249-254, 2015.

[90] Han, Y.; Xu, Z.; Gao, C.; Adv. Funct. Mater. 23, 3693-3700, 2013.

[91] Zhang, Y.; Chung, T.S.; Current Opinion in Chemical Engineering 16, 9-15, 2017.

[92] Heo, Y.; Im, H.; Kim, J.; J. Membr. Sci., 425-426, 11-22, 2013.

[93] Zhao, Y.; Xu, Z.; Shan, M.; Min, C.; Zhou, B.; Li, Y.; Li, B.; Liu, L.; Qian, X.; Sep. Purif. Technol. 103, 78-83, 2013.

[94] Ganesh, B.M.; Isloor, A.M.; Ismail, A.; Desalination 313, 199-207, 2013.

[95] Wang, N.; Ji, S.; Zhang, G.; Li, J.; Wang, L.; Chem. Eng. J. 213, 318-329, 2012.

[96] Liang, J.; Huang, Y.; Zhang, L.; Wang, Y.; Ma, Y.; Guo, T.; Chen, Y.; Adv. Funct. Mater. 19, 2297-2302, 2009.

[97] Safarpour, M.; Vatanpour, V.; Khataee A.; Desalination 393, 65-78, 2016.

[98] Yin, J.; Zhu, G.; Deng, B.; Desalination 379, 93-101, 2015.

[99] Surwade, S.P.; Smirnov, S.N.; Vlassiouk, I.V.; Unocic, R.R.; Veith, G.M.; Dai, S.; Mahurin, S.M.; Nature Nanotechnology 10, 459-464, 2015.

[100] Badrinezhad, L.; Ghasemi, S.; Azizian-Kalandaragh, Y.; Nematollahzadeh, A.; Polym. Bull. 75, 469-484, 2018.

[101] Zhang, Y.; Zhang, S.; Chung, T.S.; Environ. Sci. Technol. 49, 10235-10242, 2015.

[102] Mahalingam, D.K.; Kim, D.L.; Nunes, S.P.; Mater. Res. 2(46), 2505-2511, 2017.

[103] Abdel-Karim, A.; Leaper, S.; Alberto, M.; Vijayaraghavan, A.; Fan, X.; Holmes, S.M.; Souaya, E. R.;Badawy, M.I.; Gorgojo, P.; Chem. Eng. J. 334, 789-799, 2018.

[104] Igbinigun, E.; Fennell, Y.; Malaisamy, R.; Jones, K.L.; Morris, V.; J. Membr. Sci., 514, 518-526, 2016.

[105] Rezaee, R.; Nasseri, S.; Mahvi, A.H.; Jafari, A.; Safari, M.; Shahmoradi, B.; Alimohammadi, M.; Khazaei, M.; Maroosi, M.; J. Adv. Environ. Health Res. 4(3), 169-175, 2016.

[106] Homem, N.C.; Yamaguchi, N.U.; Vieira, M.F.; Amorim, M.T.S.P.; Bergamasco, R.; Chem. Eng. Trans. 60, 259-264, 2017.

[107] Hu, M.; Mi, B.; Environ. Sci. Technol. 47(8), 3715-3723, 2013.

[108] Lai, G.S.; Lau, W.J. Goh, P.S.; Ismail, A.F.; Yusof, N.; Tan, Y.H.; Desalination 387, 14-24, 2016.

[109] Wang, X.; Feng, M.; Liu, Y.; Deng, H.; Lu, J.; J. Membr. Sci. 577, 41-50, 2019.

[110] Rezaee, R.; Nasseri, S.; Mahvi, A.H.; Nabizadeh, R.; Mousavi, S.A.; Rashidi, A.; Jafari, A.; Nazmara, S.; Journal of Environmental Health Science & Engineering 13, 61-71, 2015.

[111] Wang, X.; Wang, H.; Wang, Y.; Gao, J.; Liu, J.; Zhang,  Y.; Desalination 451, 209-218, 2019.

[112] Wu, H.; Tang, B.; Wu, P.; J. Membr. Sci. 451, 94-102, 2014.

[113] Kou, L.; Gao, C.; Nanoscale 3(2), 519-528, 2011.

[114] Goei, R.; Lim, T.; Water Res. 59, 207-218, 2014.

[115] Celik, E.; Liu, L.; Choi, H.; Water Res. 45(16), 5287-5294, 2011.

[116] Zhang, J.; Zhang, Y.; Chen, Y.; Du, L.; Zhang, B.; Zhang, H.; Liu, J.; Wang, K.; Ind. Eng. Chem. Res. 51(7), 3081-3090, 2012.

[117] Daraei, P.; Madaeni, S.S.; Ghaemi, N.; Ahmadi Monfared, H.; Khadivi, M.A.; Sep. Purif. Technol. 104, 32-44, 2013.

[118] Vatanpour, V.; Esmaeili, M.; Davood Abadi Farahani, M.H.; J. Membr. Sci. 466, 70-81, 2014.

[119] Wang, L.; Song, X.; Wang, T.; Wang, S.; Wang, Z.; Gao, C.; Appl. Surf. Sci. 330, 118-125, 2015.

[120] Daramola, M.O.; Sadare, O.O.; Oluwasina, O.O.; Iyuke, S. E.; J. Membr. Sci. Res. 5, 310-316, 2019.

[121] Yokwana, K.; Gumbi, N.; Adams, F.; Mhlanga, S.; Nxumalo, E.; Mamba, Bheki; J. Appl. Polym. Sci. 132, 41835-41844, 2015.

[122] Morales-Torres, S.; Pastrana-Martínez, L.; Figueiredo, J.; Faria, J.; Silva, A.T.; Environ. Sci. Pollut. Res. 19, 3676-3687, 2012.

[123] Mahmoudi, E.; Ng, L.Y.; Ba-Abbad, M.M.; Mohammad, A.W.; Chem. Eng. J. 277, 1-10, 2015.

[124] Dizge, N.; Gonuldas, H.; Ozay, Y.; Ates, H.; Ocakoglu, K.; Harputlu, E.; Yildirimcan, S.; Unyayar, A.; Water Sci. Technol. 75(3), 670-685, 2017.

[125] Mahlangu, O.T.; Nackaerts, R.; Mamba, B.B.; Verliefde, A.R.D.;Water Sci. Technol. 76, 501-514, 2017.

[126] Mahlangu, O.T.; Nackaerts, R.; Thwala, J.M.; Mamba, B.B.; Verliefde, A.R.D.; J. Membr. Sc. 524, 43-55, 2017.

[127] Chung, Y.T.; Mahmoudi, E.; Mohammad, A.W.; Benamor, A.; Johnson, D.; Hilal, N.; Desalination 402, 123-132, 2017.

[128] Bagheripour, E.; Moghadassi, A.R.; Hosseini, S.M.; Van der Bruggen, B.; Parvizian, F.; J. Ind. Eng. Chem. 62(25), 311-320, 2018.

[129] Mahdavi, H.; Rahimi, A.; Desalination 433, 94-107, 2018.

[130] Gao, Y.; Hu, M.; Mi, B.; J. Membr. Sci. 455, 349-356, 2014.

[131] Daraei, P.; Madaeni, S.S.; Ghaemi, N.; Khadivi, M.A.; Astinchap, B.; Moradian, R.; J. Membr. Sci. 444, 184-191, 2013.

[132] Zinadini, S.; Rostami, S.; Vatanpour, V.; Jalilian, E.; J. Membr. Sci. 529, 133-141, 2017.