Document
Fabrication of polyethersulfone ultrafiltration membranes incorporated with silver nanoparticles for water treatment applications.
Identifier
Al-Bulushiyah, Maryam Mohamed Zahran (2020). Fabrication of polyethersulfone ultrafiltration membranes incorporated with silver nanoparticles for water treatment applications (Master thesis, Sultan Qaboos University, Muscat, Oman).
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2020
Language
English
English abstract
Availability and access to clean water have become a global issue of concern as
human populations grow, industrial and agricultural activities expand. Both
desalination and reuse wastewater represent a major opportunity to reduce water
scarcity. Seawater desalination by reverse osmosis (RO) is a costly process and
requires reliable pre-treatment techniques such as ultrafiltration (UF) processes to
make the process much more economically attractive.
In view of this, the main objective of this study is to fabricate and characterize
low-biofouling UF nanocomposite membranes by incorporating different weight
percentages of silver nanoparticles (AgNPs) loadings (0.5, 1.0, 2.0 wt.%) by in
situ blending method for seawater desalination pre-treatment and surface water
treatment applications. The nanocomposite membranes were fabricated via phase
inversion method using a dope solution containing 15 wt.% polyethersulfone
(PES) as the base polymer dissolved in 82 mL of 1-Methyl-2-pyrrolidinone
(NMP).
All membrane types were characterized using scanning electron microscopy
(SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), fourier transform infrared
radiations spectroscopy (FTIR), x-ray diffraction (X-RD), water contact angle
(WCA), membranes porosity (ɛ %), mechanical strength and inductively coupled
plasma-optical emission spectroscopy (ICP-OES) were studied as well.
Membrane performance was tested using a dead-end unit to evaluate the effect of
AgNPs on membrane pure water flux and filtration performance using two model
foulants humic acid (HA) and bovine serum albumin (BSA). The antifouling
property of the membrane was analyzed by calculating the fouling resistance
parameters of BSA. The antibacterial activity of membranes was tested using two
types of bacteria which are Bacillus subtilis (B. subtilis) and Escherichia coli (E.
coli).
The results showed that the WCA was reduced from 68˚ for the unmodified PES
membrane to 58˚ for PES-0.5 AgNPs membrane. The PES-0.5 AgNPs membrane
displayed improved water flux by 65.55% and both HA and BSA rejections were
90.04% and 82.41% respectively. Although the WCA of the membrane was
further reduced when a higher AgNPs amount (1.0 and 2.0 wt.%) was used, the
results of membranes suffered from decreased ultimate strength and significant
nanoparticles leaching. A high flux BSA recovery of about 97.29% was achieved
for the modified membrane with 2.0% AgNPs compared to 71.12% for the neat
membrane. In terms of the antibacterial performance evaluation, modified PES
membranes showed the excellent property in biofouling mitigation and E. coli
results show more sensitive to AgNPs than B. subtilis due to their thinner cell
walls structure compared to B. subtilis.
Member of
Resource URL
Arabic abstract
أصبح تلوث المياه ونقص المياه من أخطر المشاكل البيئية. أصبح توافر المياه النظيفة والحصول عليها قضية عالمية مثيرة للقلق مع نمو السكان وتوسع الأنشطة الصناعية والزراعية. يمثل كل من تحلية المياه وإعادة استخدام مياه الصرف الصحي فرصة كبيرة للحد من ندرة المياه. تعد تحلية مياه البحر عن طريق التناضح العكسي عملية مكلفة وتتطلب تقنيات معالجة مسبقة موثوقة مثل عمليات الترشيح الفائق (UF) لجعل العملية أكثر جاذبية من الناحية الأقتصادية.
في ضوء ذلك، فإن الهدف الرئيسي لهذه الدراسة هو تصنيع وتوصيف أغشية المركبات النانوية ذات الحشف الحيوي المنخفضUF من خلال دمج نسب أوزانمختلفة (0.5, 1.0, (% 2.0منالجسيمات النانوية الفضية(AgNPs) عن طريق المزج لتحلية مياه البحر المعالجة المسبقة وتطبيقات معالجة المياه السطحية .تم تصنيع أغشية المركب النانويةبطريقةتحويل الحالةباستخدام محلول يحتوي على 15% منالبولي إيثر سلفون(PES)كبوليمر أساسي مذاب في 82مل من 1-ميثيل2- -بيروليدينون(NMP).
تم تشخيص جميع أنواع الأغشية باستخدام المجهر الإلكتروني لمسح الانبعاث (FE-SEM)، التحليل الطيفي للتشتت للطاقة (EDS)، التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل الانعكاس الكلي (ATR-FTIR)،إنحراف الأشعة السينية (X-RD)، زاوية ملامسة الماء (WCA)،مسامية الأغشية (?%)، قوة الشد الميكانيكية والتحليل الطيفي للانبعاثات الضوئية البلازمية (ICP-OES) تمت دراستها أيضًا.تم إختبار فعالية أداء الغشاء باستخدام وحدة مسدودة لتقييم تأثير الجسيمات النانوية الفضيةعلى تدفق المياه النقية عبر الغشاء وأداء الترشيح باستخدام نموذجين من مخلفات حمض الهيوميك (HA) وألبومين مصل البقر (BSA).تم تحليل الخاصية المانعة للحشف للغشاء عن طريق حساب معاملات مقاومة القاذورات لـ BSA. تمكذلك اختبار الفعالية المضادة للبكتيريا للأغشية باستخدام نوعين من البكتيريا هماالعصوية الرقيقة(B. subtilis) و الإشريكية القولونية (E. coli).
أظهرت النتائج أن زاوية ملامسة الماء تم تقليله من 68? للغشاءالبولي إيثر سلفونالغير المعدلإلى 58? لغشاء المعدل PES-0.5 AgNPs. أظهر غشاء PES-0.5 AgNPs تدفقًا محسّنًا للمياه بنسبة65.5 %ورفض كل من حمض الهيوميكو ألبومين مصل البقر بنسبة90.04 %و82.41 % على التوالي. على الرغم من انخفاض فيزاوية ملامسة الماء للأغشية بشكل أكبر عند استخدام كمية أعلى من الجسيمات النانوية الفضية(% 2.0, 1.0)،إلا أن الأغشية عانت من إنخفاض في القوة النهائيةلشد الميكانيكية وترشيح الجسيمات النانوية بشكل كبير. تم تحقيق إستعادةالتدفق عالي لألبومين مصل البقر بحوالي 97.92% للغشاء معدل بـ2.0% منالجسيمات النانوية الفضية
في ضوء ذلك، فإن الهدف الرئيسي لهذه الدراسة هو تصنيع وتوصيف أغشية المركبات النانوية ذات الحشف الحيوي المنخفضUF من خلال دمج نسب أوزانمختلفة (0.5, 1.0, (% 2.0منالجسيمات النانوية الفضية(AgNPs) عن طريق المزج لتحلية مياه البحر المعالجة المسبقة وتطبيقات معالجة المياه السطحية .تم تصنيع أغشية المركب النانويةبطريقةتحويل الحالةباستخدام محلول يحتوي على 15% منالبولي إيثر سلفون(PES)كبوليمر أساسي مذاب في 82مل من 1-ميثيل2- -بيروليدينون(NMP).
تم تشخيص جميع أنواع الأغشية باستخدام المجهر الإلكتروني لمسح الانبعاث (FE-SEM)، التحليل الطيفي للتشتت للطاقة (EDS)، التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل الانعكاس الكلي (ATR-FTIR)،إنحراف الأشعة السينية (X-RD)، زاوية ملامسة الماء (WCA)،مسامية الأغشية (?%)، قوة الشد الميكانيكية والتحليل الطيفي للانبعاثات الضوئية البلازمية (ICP-OES) تمت دراستها أيضًا.تم إختبار فعالية أداء الغشاء باستخدام وحدة مسدودة لتقييم تأثير الجسيمات النانوية الفضيةعلى تدفق المياه النقية عبر الغشاء وأداء الترشيح باستخدام نموذجين من مخلفات حمض الهيوميك (HA) وألبومين مصل البقر (BSA).تم تحليل الخاصية المانعة للحشف للغشاء عن طريق حساب معاملات مقاومة القاذورات لـ BSA. تمكذلك اختبار الفعالية المضادة للبكتيريا للأغشية باستخدام نوعين من البكتيريا هماالعصوية الرقيقة(B. subtilis) و الإشريكية القولونية (E. coli).
أظهرت النتائج أن زاوية ملامسة الماء تم تقليله من 68? للغشاءالبولي إيثر سلفونالغير المعدلإلى 58? لغشاء المعدل PES-0.5 AgNPs. أظهر غشاء PES-0.5 AgNPs تدفقًا محسّنًا للمياه بنسبة65.5 %ورفض كل من حمض الهيوميكو ألبومين مصل البقر بنسبة90.04 %و82.41 % على التوالي. على الرغم من انخفاض فيزاوية ملامسة الماء للأغشية بشكل أكبر عند استخدام كمية أعلى من الجسيمات النانوية الفضية(% 2.0, 1.0)،إلا أن الأغشية عانت من إنخفاض في القوة النهائيةلشد الميكانيكية وترشيح الجسيمات النانوية بشكل كبير. تم تحقيق إستعادةالتدفق عالي لألبومين مصل البقر بحوالي 97.92% للغشاء معدل بـ2.0% منالجسيمات النانوية الفضية
Category
Theses and Dissertations