| บทคัดย่อ |
งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ เพื่อสังเคราะห์วัสดุนาโนที่เหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้ในการบำบัดน้ำเสียที่ปนเปื้อนเกลือ พัฒนาสมรรถนะการแยกสารของเมมเบรนคอมโพสิทที่เติมด้วยวัสดุนาโนและเพื่อออกแบบ สร้างและทดสอบระบบต้นแบบที่ใช้เทคโนโลยีเมมเบรนและนาโนเทคโนโลยีในการทดสอบบำบัดน้ำเสีย ในส่วนของการสังเคราะห์วัสดุนาโนนั้น อนุภาคนาโนแบบมีรูพรุน 3 ชนิดคือ ซิลิกอนไดออกไซด์ที่มีรูพรุนระดับมีโซและไมโคร (MMSNs) ไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO2) และซิงค์ออกไซด์ (ZnO) ได้ถูกสังเคราะห์ด้วยเทคนิคการควบแน่นร่วม เทคนิคการควบแน่นร่วมภายใต้สภาวะสองเฟส (Bi-phasic) เทคนิคไฮโดรเทอร์มัล และเทคนิคการทำปฏิกิริยาของสารตั้งต้นกับตัวทำละลายภายใต้สภาวะที่มีการหลอมของน้ำตาลทราย ตามลำดับ ในการสังเคราะห์ MMSNs ด้วยวิธีควบแน่นร่วม CTAB ถูกใช้เป็นแม่พิมพ์ NH4OH+EtOH ถูกใช้เป็นสารตัวเร่ง ขณะที่การสังเคราะห์ MMSNs ด้วยวิธีการควบแน่นร่วมภายใต้สภาวะสองเฟส DI-Water และ CHX ถูกกำหนดให้เป็นเฟสที่ 1 และ 2 ตามลำดับ คลื่นเสียงความถี่สูงถูกใช้ในการกระตุ้นการพองตัวของแม่พิมพ์ MTAB ถูกใช้เป็นแม่พิมพ์หลัก และ LAG ถูกใช้เป็นตัวเร่ง ขณะที่ DMHA, PVP, PEG และ S-770 ถูกกำหนดให้ทำหน้าที่แม่พิมพ์ร่วม TiO2 แบบมีรูพรุน จะถูกสังเคราะห์ด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มัลแบบใช้แม่พิมพ์ร่วมกับการปรับปรุงคุณสมบัติด้วยสารละลาย KCl และ Na2CO3 ขณะที่ ZnO จะถูกสังเคราะห์ด้วยการทำปฏิกิริยาของสารตั้งต้นและตัวทำละลายภายใต้สภาวะที่มีการหลอมของน้ำตาลทรายที่อุณหภูมิ 450 °C อนุภาคที่ได้ถูกตรวจสอบคุณลักษณะด้วยเทคนิค SEM, TEM, BET, BJH และ XRD นอกจากการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทั้ง 3 ชนิด งานวิจัยนี้ยังได้พัฒนาสมรรถนะของเมมเบรนคอมโพสิทนาโนโดยการเติมอนุภาคนาโนในเมตริกซ์ของพอลีซัลโฟนในปริมาณ 0.5, 1.0 และ 1.5 wt% เมมเบรนคอมโพสิทนาโนถูกเตรียมด้วยวิธีการเปลี่ยนเฟสและถูกทดสอบโครงสร้างสัณฐานวิทยา การกระจายตัวของอนุภาคนาโนในเมตริกซ์ของพอลีซัลโฟน และความชอบน้ำด้วยเทคนิค SEM และการวัดมุมสัมผัสของน้ำ ที่มากไปกว่านั้น งานวิจัยนี้ได้ออกแบบ สร้างและทดสอบระบบต้นแบบที่ใช้เทคโนโลยีเมมเบรนร่วมกับเทคโนโลยีนาโนสำหรับการทดสอบสมรรถนะของเมมเบรนด้วย ผลการวิจัยพบว่า สามารถสังเคราะห์อนุภาคนาโน MMSNs ที่มีรูพรุนระดับมีโซและไมโครได้สำเร็จ พื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุดของอนุภาคที่สังเคราะห์ด้วยเทคนิคการควบแน่นร่วมที่ใช้ NH4OH+EtOH เป็นตัวเร่งและใช้ CTAB เป็นแม่พิมพ์เท่ากับ 952.89 m2/g พื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุดของอนุภาค MMSNs ที่สังเคราะห์ด้วยวิธีควบแน่นร่วมภายใต้สภาวะสองเฟส ที่ใช้ MTAB, MTAB+DMHA, MTAB+PVP, MTAB+PEG และ MTAB+(S-770) เท่ากับ 672.30, 477.60, 431.91, 551.33 และ 259.71 ตามลำดับ ในกรณีของอนุภาค MMSNs เราพบว่า ขนาดของอนุภาคที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยวิธีควบแน่นร่วมโดยใช้ CTAB เป็นแม่พิมพ์และใช้ NH4OH+EtOH เป็นตัวเร่งใหญ่กว่าที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยวิธีควบแน่นร่วมภายใต้สภาวะสองเฟสที่ใช้ MTAB+แม่พิมพ์ร่วมและใช้ LAG เป็นตัวเร่ง นอกจาก MMSNs เรายังสามารถสังเคราะห์อนุภาคนาโน TiO2 และ ZnO ได้สำเร็จด้วย อนุภาคนาโน TiO2 ที่ได้มีขนาดพื้นที่ผิวจำเพาะสูงกว่า TiO2 (P25) ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์กว่า 4 เท่า ขณะที่ ZnO ที่ได้มีขนาดอนุภาคเล็กกว่าและการกระจายขนาดของอนุภาคดีกว่า ZnO ที่มีจำหน่ายในท้องตลอด ที่สำคัญคือ เราสามารถสังเคราะห์ ZnO ได้ด้วยวิธีที่ค่อนข้างง่าย และใช้เวลาในการสังเคราะห์น้อย (ประมาณ 2 h) สำหรับการพัฒนาสมรรถนะของเมมเบรน เราพบว่า การเติมอนุภาคนาโนในเมตริกซ์ของพอลีซัลโฟนทำให้โครงสร้างสัณฐานวิทยาของเมมเบรนเปลี่ยนไป รูพรุนคล้ายหยดน้ำและคล้ายฟองน้ำลดลงและปรากฏโครงสร้างรูพรุนคล้ายนิ้วมือ ชั้นเลือกผ่านบางลงเมื่อเทียบกับกรณีที่ไม่ได้เติมอนุภาค ผลการทดสอบสมรรถนะการบำบัดน้ำเสียที่ปนเปื้อนเกลือในเทอมของฟลักซ์ของการซึมผ่านและค่าการกักกันเกลือ พบว่า ฟลักซ์การซึมผ่านของเมมเบรนพอลีซัลโฟนบริสุทธิ์มีค่าต่ำกว่าเมมเบรนคอมโพสิทนาโนที่เติมด้วยอนุภาคนาโน ขณะที่เปอร์เซ็นต์การกักกันเกลือของเมมเบรนพอลีซัลโฟนบริสุทธิ์มีค่าสูงกว่าเมมเบรนคอมโพสิทนาโนที่เติมด้วยอนุภาคนาโน แสดงให้เห็นว่า การเติมด้วยอนุภาคนาโนในเมตริกซ์ของเมมเบรนพอลิเมอร์ทำให้ฟลักซ์การซึมผ่านของเมมเบรนดีขึ้น สำหรับการศึกษา ออกแบบและสร้างระบบต้นแบบที่ใช้เทคโนโลยีเมมเบรนร่วมกับเทคโนโลยีนาโน พบว่า ระบบต้นแบบที่สร้างขึ้นสามารถใช้ในการทดสอบสมรรถนะการแยกของเมมเบรนได้เป็นอย่างดี โดยไม่มีการรั่วไหลของสารระหว่างการใช้งาน
This research aims to synthesize the nanomaterials that is suitable for application in the treatment of salt contaminated water, to develop the nanocomposite membrane separation performance by incorporation of nanomaterials in the matrix of polymeric membrane and to design, construct and operation testing of the combined prototype system of nanotechnology and membrane technology for salt contaminated wastewater treatment. For the synthesis of nanomaterials, three types of porous nanoparticles including micro and meso-porous silicon dioxide (MMSNs), titanium dioxide (TiO2) and zinc oxide (ZnO) are completely synthesized by the co-condensation, co-condensation under bi-phasic, hydrothermal and sugar mediated methods (SMM), respectively. In the synthesis of MMSNs with the co-condensation method, cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and NH4OH+EtOH are used as template and catalyst, respectively. While the synthesis of MMSNs by co-condensation under bi-phasic method, deionized water (DI-Water) and cyclohexane (CHX) are given to be the 1st and 2nd phase, respectively. Ultrasonic wave is used to stimulate the swelling of template. Myristyltrimethylammonium bromide (MTAB) and L-Arginine (LAG) are used as template and catalyst, respectively, while N,N-Dimethylhexylamine (DMHA), polyvinylpyrrolidone (PVP, K30), polyethylene glycol (PEG) and ester sugar (S-770) are given to be co-templates. In this work, porous TiO2 is synthesized by hydrothermal method with template and as-synthesized TiO2 is post modified by potassium chloride (KCl) and sodium carbonate (Na2CO3) while ZnO is synthesized by the sugar mediated method at temperature of 450 °C. Resulted particles are characterized with scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), Brunauer–Emmett–Teller (BET) and Barrett-Joyner-Halenda (BJH) calculations and x-ray diffractometer (XRD). In addition to the synthesis of three types of nanoparticles, this research project also develop the separation performance of nanocomposite membrane by incorporating of nanoparticles in matrix of polysulfone (PSF) membrane for 0.5, 1.0 and 1.5 wt%. Nanocomposite membranes are fabricated by a phase inversion method. Distribution of nanoparticles in the matrix of PSF and wettability of membrane sample surfaces are analyzed by SEM and water contact angle (WCA) measurement. Furthermore, this work have designed, constructed and operation tested the combined prototype system, as well. Research results found that MMSNs are successfully synthesized. Maximum specific surface area (SSAmax) of MMSNs synthesized by the co-condensation method using NH4OH+EtOH and CTAB as catalyst and template, respectively, is about 952.89 m2/g. While SSAmax of MMSNs synthesized by the co-condensation under bi-phasic method using MTAB, MTAB+DMHA, MTAB+PVP, MTAB+PEG and MTAB+(S-770) as template is about 672.30, 477.60, 431.91, 551.33 and 259.71, respectively. In case of MMSNs, the research found that size of particles synthesized by co-condensation method is bigger than of particles synthesized by co-condensation under bi-phasic method. Additionally, TiO2 and ZnO porous nanoparticles are also successfully synthesized. SSAmax of synthesized TiO2 is higher than of TiO2 (P25) over 4 times. For ZnO, research results found that particle size of synthesized ZnO is smaller than of commercialized ZnO and particle size distribution of synthesized particles is better than of commercialized particles. Importantly, the synthesis method of ZnO is quite simple and fast (about 2 h). For the development of membrane performance, we found that incorporation of nanoparticles in the matrix of PSF membrane lead to the alteration of morphological structure that is water-drop and sponge-like porous structure replaced by a finger-like porous structure. Comparison between the pure PSF and PSF composite membrane showed that thickness of selective layer of PSF composite membrane is lower than of pure PSF membrane. Results from the performance testing in term of permeation flux and salt rejection using of the constructed prototype system showed that permeation flux of pure PSF membrane is lower than of PSF composite membrane while a percentage of salt rejection of pure PSF is higher than of PSF composite membrane. These results clearly showed that incorporation of porous nanoparticles with high SSA and high hydrophilicity in the matrix of PSF can improve the permeation flux. For the study, design and construction of combined prototype system, we found that constructed prototype system can be well used for performance testing of nanocomposite membrane by no leakage of some solution during use.
|
|---|
| คำสำคัญ |
วัสดุนาโน,ฟลักซ์การซึมผ่าน,เมมเบรนคอมโพสิทนาโน,น้ำเสีย,เปอร์เซ็นต์การกักกันเกลือ,Nanotechnology,membrane technology,salt contaminated wastewater,treatment,composite membrane
|
|---|
