آثار نانوذرات TiO2 و ZnO بر ساختار و رفتار گرفتگي غشاهاي پلي‌اتيلني

Effects of TiO2 and ZnO Nanoparticles on the Structure and Fouling Behavior of Polyethylene Membranes

از روش‌هاي موثر براي افزايش آبدوستي غشاهاي پليمري و كاهش گرفتگي آنها، گنجاندن نانوذرات معدني در ماتريس غشاهاي پليمري است. از ميان نانوذرات معدني متعددي كه در ساخت غشاهاي پليمري ماتريس آميخته استفاده مي‌شوند، TiO2 و ZnO به دليل خواص شيميايي و فيزيكي خاص از اهميت ويژه­اي برخوردارند. در پژوهش حاضر، اثر نانوذرات TiO2 و ZnO بر ساختار و رفتار گرفتگي غشاهاي نانوكامپوزيتي پلي­‌اتيلني بررسي شد. از پلي­‌اتيلن پرچگالي به‌عنوان پليمر و از TiO2 و ZnO به‌عنوان نانوذرات معدني استفاده شد. غشاها با استفاده از روش جدايي فاز با القاي گرمايي ساخته شدند و از روش‌­هاي مختلف شامل FESEM، TEM، EDX، AFM، اندازه­‌گيري ­زاويه تماس، اندازه­‌گيري شار آب خالص و شعاع متوسط حفره‌ها براي تعيين مشخصات ساختاري و سطحي غشاها استفاده شد. افزون بر اين، عملكرد غشاها در جداسازي محلول %1 وزني كلاژن بررسي شد و هم‌زمان پديده گرفتگي غشاها به كمك پروتيين كلاژن به‌طور كامل مطالعه شد. تصاوير FESEM نشان داد، تمام غشاهاي ساخته شده داراي ساختار برگي‌شكل بوده و بنابراين سازوكار جدايي فاز در مرحله ساخت از نوع جامد-مايع است. وجود نانوذرات در ساختار غشاها با روش­‌هاي TEM و­ EDX تاييد شد. مطابق با مدل Wenzel، مقدار زاويه تماس غشاهاي هيبريدي به دليل افزايش زبري سطحي، كاهش چنداني نيافت، اما شار آب خالص عبوري از غشاها با افزايش مقدار نانوذرات افزايش يافت. در نهايت مشخص شد، به دليل خواص ضدگرفتگي TiO2 و ZnO مقدار گرفتگي برگشت­‌پذير، بازيابي شار و مقاومت در برابر گرفتگي به وسيله پروتيين كلاژن با افزايش مقدار نانوذرات افزايش مي­‌يابد.

Incorporation of inorganic nanoparticles into polymer matrices is a method to increase the hydrophilicity and to reduce fouling in polymer membranes. Among different types of inorganic nanoparticles employed in mixed matrix membranes, TiO2 and ZnO play significant role in their unique physical and chemical properties. In the present work, the effect of TiO2 and ZnO nanoparticles on the structure and fouling behavior of polyethylene membranes was studied. High density polyethylene (HDPE) was used as polymer and TiO2 and ZnO were of nanoparticle size. Thermally induced phase separation method was used to prepare membranes and different characterization methods including (field emission scanning electron microscopy (FESEM), transmission electron microscopy (TEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), atomic force microcopy (AFM), contact angle, pure water flux and mean pore radius measurements were acquired to evaluate the structure and surface of the membranes. Moreover, the performance and fouling of the membranes were studied by separating 1 wt% collagen protein solution. The results of FESEM images showed that all the membranes had leafy structure, indicating solid-liquid phase separation during membrane preparation. The results of TEM and EDX confirmed the presence of nanoparticles in the membranes. Based on the Wenzel model, contact angle of the membranes was not reduced by increasing the content of hydrophilic nanoparticle due to increased surface roughness. However, pure water flux of the membranes increased as the content of nanoparticles increased. Finally, it was shown that the incorporation of nanoparticles increased reversible fouling, flux recovery and fouling resistance of the membranes in separation of collagen protein solution due to the antifouling properties of TiO2 and ZnO nanoparticles.