هفتمین کنفرانس شیمی کاربردی انجمن شیمی ایران

افزایش عملکرد آنتی فولینگ غشاهای لایه نازک پلی آمیداصلاح شده با ترکیبات فلز-آلی دو فلزی

کد مقاله : 1106-IACC7

نویسندگان

معصومه آرش *¹، یعقوب منصورپناه²

¹دانشجو

²پروفسور

چکیده مقاله

مقدمه
استفاده از غشاهای پلی آمیدی کامپوزیت لایه نازک (TFC) یک روش سازگار با محیط زیست و کارآمد برای تولید آب پاک و بازیابی فاضلاب است. با این وجود، رسوب غشایی (رسوب آلی و زیستی) یک چالش عمده در استفاده از غشاهای TFC است. زیرا بر راندمان شار، هزینه های عملیاتی و طول عمر غشا تأثیر منفی می گذارد. اصلاح سطح غشاهای TFC یک تکنیک موثر برای تنظیم خواص سطحی و افزایش نفوذپذیری و فعالیت ضد رسوب غشاها است. با این حال، سازگاری ضعیف بین ماتریس غشا و نانومواد معدنی تا حدی عملکرد غشاهای TFC را مختل و فعالیت ضد رسوب بالقوه مواد اصلاح کننده را محدود می کند [1] . اخیراً، چارچوب‌های فلزی-آلی(MOF) به‌ عنوان جایگزین جدیدی برای نانومواد سنتی ظهور کرده‌اند. اکثر MOF ها دارای یک یا چند مزیت ذاتی مانند تخلخل زیاد، ساختار قابل طراحی، اندازه منافذ قابل کنترل و میل ترکیبی استثنایی با ماتریس پلیمری هستندکه MOF را به مواد جدید برای ساخت غشاهای نانوکامپوزیت لایه نازک TFN)) تبدیل می کند. در این تحقیق ما اثرگنجاندن نانوذرات bi-MOF(Ag/Cu-BTC-ED ) بر آب دوستی و خاصیت ضد باکتریایی غشاهای TFN که تأثیر زیادی بر رسوب‌زدایی غشا دارند را بررسی می کنیم.

بخش تجربی و / یا بخش نظری
در این مطالعه از پلی اتر سولفون، پلی وینیل پیرولیدون و دی متیل فرمامید (DMF) به عنوان حلال پلیمر برای تهیه ساپورت غشا، همچنین تری مزوئیل کلراید، تری اتیل آمین (TEA)، کامفور سولفونیک اسید (CAS) و n- هگزان برای تهیه لایه پلی آمید استفاده شده است. استات مس (II) یک آبه، 1،3،5- بنزوئیک اسید، نیترات نقره، اتیلن دی آمین (ED) و اتانول برای سنتز MOF bi- استفاده شده است. عملکرد آنتی فولینگ و آنتی بیو فولینگ غشاها با کمک محلول BSA(با عیار > 96 % , KDa66 Mw= و حلالیت mg/ml40 در آب) و باکتری اشرشیاکولی (E. coli, ATCC 25992) مورد ارزیابی قرار گرفت.
سنتزCu-BTC : ابتدا Cu-BTC با تابش اولتراسونیک (پراپ دار) و با استفاده از H3BTC و استات مس سنتز شد.
سنتزAg/Cu-BTC : با استفاده از روش post-synthetic exchange و با استفاده از AgNO3 و Cu-BTC،Ag/Cu-BTC سنتز گردید[2].
سنتزAg/Cu-BTC-ED : با استفاده از ED و 12 ساعت رفلاکس Ag/Cu-BTC-EDسنتز شد.
سنتز غشاهای TFC و TFN: ابتدا ساپورت پلی اتر سولفون بر روی نانوون با استفاده از روش وارونگی فاز تهیه شد[3]. سپس غشاهای TFC از طریق فرآیند پلیمریزاسیون سطحی بر روی بسترهای پلی اتر سولفون ساخته شد. ابتدا محلول آبی حاوی 1 درصد وزنی CAS، 2 درصد وزنی PIP، 2 درصد وزنیTEA در بالای ساپورت پلی اتر سولفون پخش شد و به مدت 10 دقیقه باقی ماند، سپس فاز آبی تخلیه شد. فاز آلی حاوی 0.15 درصد وزنی TMC در -nهگزان جایگزین آن گردید. پس از حدود 3 دقیقه، محلول -nهگزان حاوی TMC دور ریخته شد و غشا بلافاصله به مدت 15 دقیقه به حمام بخار به منظور کامل شدن فرایند پلیمریزاسیون منتقل گردید. برای تهیه غشاهای TFN ابتدا غشا ها با 25 میلی لیتر اتانول که حاوی غلظت های 0.01, 0.0 و 0.02درصد وزنی از bi-MOF است پوشانده شدند و فرایند پلیمریزاسیون
همانطور که در بالا توضیح داده شد بر روی سطح این غشاها نیز انجام گردید و غشاهای TFN به ترتیب به عنوان غشاهای M0، M1 و M2 نامگذاری شدند.
بررسی عملکرد غشاهای سنتز شده: نفوذپذیری همه غشاهای سنتز شده در فشار کاری 0.4 مگاپاسکال اندازه‌گیری شد. و فلاکس آب (Lm -2 h -1) غشاها با استفاده از معادله (1) محاسبه گردید:
(1)

که در آن m مجموع جرم آبی است که در طول زمان Δt به سطح غشا A نفوذ کرده است.
بررسی خواص آنتی فولینگ و آنتی بیو فولینگ غشاهای سنتز شده: عملکرد آنتی فولینگ غشاهای TFC و TFN به وسیله ی اندازه گیری فلاکس ریکاوری آب بعد از استفاده از محلول BSA تعیین گردید. ابتدا فلاکس (Jwi) عبوری از هر کدام از غشاها با استفاده از سل dead-end با آب مقطر و از طریق فرمول(1) محاسبه شد. سپس مخزن سل به‌وسیله‌ی محلول BSA جایگزین و فلاکس عبوری از غشاها اندازه‌گیری شد (Jp) . بعد از 2 ساعت فیلتراسیون، میزان فلاکس آب غشاها مجدداً اندازه‌گیری شد (Jwc). در ادامه به منظور ارزیابی مقاومت غشا در برابر انسداد، نسبت بازیافت فلاکس از معادله زیر محاسبه گردید:
(2)
برای بررسی خواص آنتی بیوفولینگ غشاهای سنتز شده از روش CFU (Heterotrophic plate count) استفاده شد. اشرشیاکولی به عنوان یک مدل باکتری گرم منفی، مورد آزمایش قرار گرفت. غشاهای حاوی محلول باکتریایی به مدت 1 ساعت با تکان دادن مناسب انکوبه شدند. غشاها سپس با محلول نمک بافر فسفات استریل شسته شدند و برای تعیین باکتری های زنده متصل نشده، بر روی پلیت، که حاوی محیط کشت مولر هینتون آگار بود کشت داده شد و به مدت یک شب در دمای 37 درجه سانتی‌گراد انکوبه شدند. و در نهایت تعداد باکتریها بر حسب CFU شمارش گردید.

یافته ها
بررسی نفوذپذیری غشاهای سنتز شده : همانطوری که در شکل (1) نشان داده شده است با افزایش غلظت bi-MOF فلاکس غشاهای TFN به دلیل افزایش آبدوستی نسبت به غشاهای TFC ( (16.4 Lm-2 h-1افزایش یافت. از طرفی فلاکس غشای M2 ( (61.6Lm-2 h-1نسبت به غشای (64.4Lm-2 h-1) M1احتمالا به دلیل کاهش اندازه حفرات غشا کاهش یافت.

شکل 1: فلاکس و زاویه تماس غشاهای سنتز شده شکل 2: نسبت بازیابی فلاکس غشاهای سنتز شده
بررسی خواص آنتی فولینگ و آنتی بیو فولینگ غشاهای سنتز شده: نسبت بازیابی فلاکس FRRبرای غشاها تهیه شده در شکل (2)
نشان داده شده است. FRR بالا خواص آنتی فولینگ بهتری برای غشاها را نشان می دهد. همانطورکه در شکل (2) مشاهده می شود FRR برای غشای M0(91.5%) کمتر از غشاهای M1(99.5%) و M2 (100%) است و بهترین حالت مربوط به غشایM2 است که میزان FRR برای آن حداکثراست. روند مشاهده شده برای FRR با خاصیت آب دوستی غشاها سازگاری دارد. غشای M2 با کمترین زاویه تماس و آب دوستی بیشتر دارای بیشترین FRR و غشای M0 با بیشترین زاویه تماس و آب دوستی کمتر دارای کمترین مقدار FRRاست. تاثیر bi-MOF سنتز شده بر خواص آنتی بیوفولینگ غشاها در شکل (3) نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده می شود خاصیت ضد باکتری با افزایش غلظت bi-MOF افزایش یافت و سرعت ضد باکتری برای غشای M2 به صد درصد رسید.

شکل (3): خاصیت آنتی بیوفولینگ غشاهای سنتز شده
نتیجه ‌گیری
در این کار چارچوب فلز- آلی Ag/Cu-BTC-ED با موفقیت سنتز شد. bi-MOF آب دوستی سطح غشاهای اصلاح شده را افزایش داد و منجر به بهبود نفوذپذیری غشاها شد. علاوه بر این، غشاهای TFN عملکرد ضد رسوب بسیار خوبی را برای رسوب‌کننده‌های آلی و بیولوژیکی نشان دادند و نسبت بازیابی شار99.5 و 100 درصد را پس از رسوب‌گیری و تمیز کردن فیزیکی ساده غشا ارائه کردند که این تا حدی به خاصیت آنتی باکتریال bi-MOF سنتز شده نسبت داده می شود.
واژه های کلیدی:آنتی فولینگ، آنتی بیو فولینگ، چارچوب های فلز- آلی، نانوکامپوزیت لایه نازک، کامپوزیت لایه نازک.
منابع
[1] Esfahani MR., Aktij SA., Dabaghian Z., Firouzjaei MD., Rahimpour A., Eke J., Escobar IC., Abolhassani M., Greenlee LF., Esfahani AR., Sadmani A. Nanocomposite membranes for water separation and purification: Fabrication, modification, and applications, Sep. Purif. Technol., 15;213:465-99(2019).
[2] Sun Z., Li G., Zhang Y., Liu HO., Gao X. Ag–Cu–BTC prepared by postsynthetic exchange as effective catalyst for selective oxidation of toluene to benzaldehyde, Catal. Commu., 10;59:92-6(2015).

کلیدواژه ها

آنتی فولینگ، آنتی بیو فولینگ، چارچوب های فلز- آلی، نانوکامپوزیت لایه نازک، کامپوزیت لایه نازک.

وضعیت: چکیده برای ارائه به صورت پوستر پذیرفته شده است