تصفیه آب‌های صنعتی آلوده به رنگ متیلن آبی با استفاده از غشای چوبی اصلاح‌شده با نانوذرات اکسید روی با رویکرد مدیریت پایدار منابع

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
محسن ایرانی
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه ولایت، ایرانشهر، ایران.
10.22034/he.2026.592889.1250
چکیده
آب‌های صنعتی آلوده به رنگ‌های آلی، به دلیل پایداری شیمیایی، سمیت بالا و اثرات جبران‌ناپذیر بر اکوسیستم‌های آبی و سلامت انسان، از مهم‌ترین چالش‌های فراروی مدیریت زیست‌محیطی و تأمین پایدار منابع آب به شمار می‌روند پژوهش حاضر با هدف ارزیابی کارایی زیست‌محیطی یک غشای زیست‌ساخته‌شده از چوب درخت توت و اصلاح‌شده با نانوذرات اکسید روی (ZnO) در حذف رنگ متیلن آبی از محلول‌های آبی انجام شد. به‌منظور افزایش تخلخل و بهبود نفوذ نانوذرات، نمونه‌های چوبی ابتدا تحت فرآیند لیگنین‌زدایی قرار گرفتند و سپس نانوذرات اکسید روی با استفاده از روش‌های Dip Coating و Drop Casting بر سطح و درون ساختار متخلخل تثبیت شدند. عملکرد غشای تهیه‌شده در غلظت‌های مختلف آلاینده و نرخ‌های متفاوت جریان بررسی گردید. نتایج نشان داد که غشای اصلاح‌شده توانایی قابل‌توجهی در حذف رنگ داشته، به‌طوری‌که راندمان حذف برای غلظت‌های تا ۳۰ میلی‌گرم بر لیتر حدود ۶۸ درصد باقی ماند. با افزایش غلظت اولیه به بیش از ۳۰ میلی‌گرم بر لیتر، راندمان به‌دلیل اشباع شدن سایت‌های فعال به‌تدریج کاهش یافت. همچنین افزایش دبی جریان با کاهش زمان تماس، عملکرد حذف را تحت تأثیر منفی قرار داد. یافته‌های این پژوهش حاکی از آن است که غشای چوبی اصلاح‌شده با نانوذرات اکسید روی، با بهره‌گیری از ساختار متخلخل طبیعی، هزینه‌ی پایین ساخت و عملکرد مناسب، پتانسیل بالایی به‌عنوان یک راهکار پیش‌تصفیه برای کاهش بار آلودگی پساب‌های صنعتی و ارتقای کیفی محیط‌زیست دارا بوده و می‌تواند در راستای مدیریت پایدار منابع آب و کاهش مخاطرات اکولوژیک موردتوجه قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
تصفیه پساب صنعتی
غشای چوبی
نانوذرات اکسید روی
حذف رنگ متیلن آبی
ارزیابی زیست‌محیطی
موضوعات

عنوان مقاله English

Treatment of industrial wastewater contaminated with Methylene Blue dye using a wood-based membrane modified with zinc oxide (ZnO) nanoparticles, with a sustainable resource management approach

نویسنده English

Mohsen Irani
Department of Mechanical Engineering, Engineering Faculty, Velayat University, Iranshahr, Iran.
چکیده English

Industrial wastewater containing organic dyes has become a significant environmental concern because of the persistence, chemical stability, and toxicity of these contaminants, which pose serious risks to aquatic ecosystems and human health. This study aimed to evaluate the environmental performance of a mulberry wood membrane modified with zinc oxide (ZnO) nanoparticles for the removal of methylene blue from aqueous solutions. To improve membrane porosity and facilitate nanoparticle penetration, the wood samples were first subjected to a delignification process and subsequently coated with ZnO nanoparticles using dip-coating and drop-casting techniques. The treatment performance of the fabricated membrane was examined under different dye concentrations and flow rates. The results demonstrated that the modified membrane exhibited efficient dye removal, maintaining an average removal efficiency of approximately 68% at methylene blue concentrations up to 30 mg/L. However, the removal efficiency gradually decreased at higher concentrations because of the saturation of available adsorption sites. In addition, increasing the flow rate negatively affected membrane performance by reducing the contact time between the contaminated solution and the membrane surface. These findings suggest that the ZnO-modified wood membrane, owing to its naturally porous structure, low fabrication cost, and satisfactory treatment efficiency, represents a promising and environmentally friendly pretreatment technology for reducing the pollutant load of industrial wastewater. The proposed membrane could contribute to sustainable water resource management while minimizing the ecological impacts associated with dye-contaminated industrial effluents.

کلیدواژه‌ها English

Industrial wastewater treatment
Wood membrane
Zinc oxide nanoparticles
Methylene blue removal
Environmental assessment
1.     غفوریان، محمدمهدی، نیازمند، حمید، ابراهیم‌نیا باجستان، احسان. (1397). ارزیابی عملکرد نانولوله‌های کربنی چنددیواره در تولید آب شیرین خورشیدی. مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر. انتشار آنلاین پیش از چاپ. https://doi.org/10.22060/MEJ.2018.13852.5730
2.     وفایی، محمد، برزگرنژاد، محمد، اربابی، علی، شکیب، احسان، و غفوریان، محمد مصطفی. (1397). مطالعه تجربی و ارزیابی اقتصادی روش‌های مختلف افزایش تولید آب شیرین در یک واحد آب‌شیرین‌کن خورشیدی آبشاری. مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر.https://doi.org/10.22060/mej.2018.14556.5887
3.      Abdelhamid, H. N. (2024). Nanocellulose-based materials for water pollutant removal: A review. International Journal of Molecular Sciences, 25(15), 8529. https://doi.org/10.3390/ijms25158529
4.      Ali, I. (2012). New generation adsorbents for water treatment. Chemical Reviews, 112, 5073–5091. https://doi.org/10.1021/cr300133d
5.      Amjad, M., Raza, G., Xin, Y., Pervaiz, S., Xu, J., Du, X., & Wen, D. (2017). Volumetric solar heating and steam generation via gold nanofluids. Applied Energy, 206, 393–400. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.08.144
6.      Arbab, P., Ayati, B., & Ansari, M. R. (2019). Reducing the use of nanotitanium dioxide by switching from single photocatalysis to combined photocatalysis-cavitation in dye elimination. Process Safety and Environmental Protection, 121, 87–93. https://doi.org/10.1016/j.psep.2018.10.012
7.      Bagci, P., Akbas, M., Gulec, H. A., & Bagci, U. (2019). Coupling reverse osmosis and osmotic distillation for clarified pomegranate juice concentration: Use of plasma modified reverse osmosis membranes for improved performance. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 52, 213–220. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2018.12.013
8.      Chae, S., Seo, J., Kim, J., Kim, Y. M., & Kim, J. H. (2018). A simulation study with a new performance index for pressure-retarded osmosis processes hybridized with seawater reverse osmosis and membrane distillation. Desalination, 444, 118–128. https://doi.org/10.1016/j.desal.2018.07.019
9.      Chang, J. S., Saint, C. P., Chow, C. W., Bahnemann, D. W., & Chong, M. N. (2024). Recent innovations in engineering Zinc Oxide (ZnO) nanostructures for water and wastewater treatment: Pushing the boundaries of multifunctional photocatalytic and advanced biotechnological applications. International Materials Reviews, 69(7-8), 337-379.‏ https://doi.org/10.1177/09506608241280421
10.   Chen, F., Gong, A., Zhu, M., Chen, G., Lacey, S., Jiang, F., Li, Y., Wang, Y., Dai, J., Yao, Y., Song, J., Liu, B., Fu, K., Das, S., & Hu, L. (2017). Mesoporous, three-dimensional wood membrane decorated with nanoparticles for highly efficient water treatment. ACS Nano, 11, 4275–4282. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b01350
11.   Chi, N., & Ruey, J. (2019). Efficient removal of cationic dyes from water by a combined adsorption-photocatalysis process using platinum-doped titanate nanomaterials. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 99, 166–179. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2019.03.017
12.   Doriano, B., La Marca, F., & Ngai, Y. Y. (2018). Thermodynamic analysis and energy efficiency of thermal desalination processes. Desalination, 428, 29–39. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.11.010
13.   Gao, M., Connor, P. K. N., & Ho, G. W. (2016). Plasmonic photothermic directed broadband sunlight harnessing for seawater catalysis and desalination. Energy & Environmental Science, 9, 3151–3160. https://doi.org/10.1039/C6EE00971A
14.   Ghafurian, M. M., Niazmand, H., & Ebrahimnia-Bajestan, E. (2018). Performance evaluation of multi-wall carbon nanotube in solar fresh water production. Amirkabir Journal of Mechanical Engineering (Accepted manuscript). https://doi.org/10.22060/MEJ.2018.13852.5730
15.   Ghafurian, M. M., Shakib, S. E., & Dastjerd, F. T. (2015). Modeling and optimizing of a combined CHP system, compression chiller and reverse osmosis plant (CHP + C + W) in two strategies of connections with grid. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 37, 1751–1763. https://doi.org/10.1007/s40430-015-0439-9
16.   Golsefatan, H. R., Fazeli, M., Rashidi Mehrabadi, A., & Ghomi, H. (2017). Enhancement of corrosion resistance in thermal desalination plants by diamond-like carbon coating. Desalination, 409, 183–188. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.01.027
17.   Huang, L., Chen, J., Gao, T., Zhang, M., Li, Y., Dai, L., Qu, L., & Shi, G. (2016). Reduced graphene oxide membranes for ultrafast organic solvent nanofiltration. Advanced Materials, 28(39), 8669–8674. https://doi.org/10.1002/adma.201601606
18.   Jin, H., Lin, G., Bai, L., Amjad, M., Enio, F., & Wen, D. (2016). Photothermal conversion efficiency of nanofluids: An experimental and numerical study. Solar Energy, 139, 278–289. https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.09.021
19.   Khoshrou, L., Jafari, M. R., & Nasr Bakhtari, K. (2017). New opportunities in mass and energy consumption of the multi-stage flash distillation type of brackish water desalination process. Solar Energy, 153, 115–125. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.05.021
20.   Li, H., He, Y., Liu, Z., Huang, Y., & Jiang, B. (2017). Synchronous steam generation and heat collection in a broadband Ag@TiO2 core–shell nanoparticle-based receiver. Applied Thermal Engineering, 121, 617–627. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.04.102
21.   Li, R., Zhang, L., Shi, L., & Wang, P. (2017). MXene Ti₃C₂: An effective 2D light-to-heat conversion material. ACS Nano, 11, 3752–3759. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b08415
22.   Liu, X., Huang, J., Wang, X., Cheng, G., & He, Y. (2017). Investigation of graphene nanofluid for high efficient solar steam generation. Energy Procedia, 142, 350–355. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.12.055
23.   Liu, X., Wang, X., Huang, J., Cheng, G., & He, Y. (2018). Volumetric solar steam generation enhanced by reduced graphene oxide nanofluid. Applied Energy, 220, 302–312. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.03.097
24.   Liu, Y., Lou, J., Ni, M., Song, C., Wu, J., Dasgupta, N. P., Tao, P., Shang, W., & Deng, T. (2016). Bioinspired bifunctional membrane for efficient clean water generation. ACS Applied Materials & Interfaces, 8, 772–779. https://doi.org/10.1021/acsami.5b09996
25.   Lou, J., Liu, Y., Wang, Z., Zhao, D., Song, C., Wu, J., Dasgupta, N. P., Zhang, W., Zhang, D., Tao, P., Shang, W., & Deng, T. (2016). Bioinspired multifunctional paper-based rGO composites for solar-driven clean water generation. ACS Applied Materials & Interfaces, 8, 14628–14636. https://doi.org/10.1021/acsami.6b04606
26.   Moghiman, M., & Aslani, B. (2013). Influence of nanoparticles on reducing and enhancing evaporation mass transfer and its efficiency. International Journal of Heat and Mass Transfer, 61, 114–118. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.01.057
27.   Ni, G., Miljkovic, N., Ghasemi, H., Huang, X., et al. (2015). Volumetric solar heating of nanofluids for direct vapor generation. Nano Energy, 17, 290–301. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.08.021
28.   Nidheesh, P. V., Zhou, M., & Oturan, M. A. (2018). An overview on the removal of synthetic dyes from water by electrochemical advanced oxidation processes. Chemosphere, 197, 210–227. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.12.195
29.   Sahota, L., & Tiwari, G. N. (2016). Effect of nanofluids on the performance of passive double slope solar still: A comparative study using characteristic curve. Desalination, 388, 9–21. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.02.039
30.   Sakkas, V. A., Islam, M. A., Stalikas, C., & Albanis, T. A. (2010). Photocatalytic degradation using design of experiments: A review and example of the Congo Red degradation. Journal of Hazardous Materials, 175, 33–44. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.10.050
31.   Shah, A., Jain, S., Mokale, V., & Shimpi, N. (2019). High performance visible light photocatalysis of electrospun PAN/ZnO hybrid nanofibers. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.04.030
32.   Sharshir, S. W., Peng, G., Wu, L., Yang, N., Essa, F. A., Elsheikh, A. H., Showgi, I. T., & Kabeel, A. E. (2017). Enhancing the solar still performance using nanofluids and glass cover cooling: Experimental study. Applied Thermal Engineering, 113, 684–693. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.085
33.   Shi, L., He, Y., Huang, Y., & Jiang, B. (2017). Recyclable Fe3O4@CNT nanoparticles for high-efficiency solar vapor generation. Energy Conversion and Management, 149, 401–408. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.07.044
34.   Wang, X., He, Y., Cheng, G., Shi, L., Liu, X., & Zhu, J. (2016). Direct vapor generation through localized solar heating via carbon nanotube nanofluid. Energy Conversion and Management, 130, 176–183. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.10.049
35.   Wang, X., He, Y., Liu, X., Shi, L., & Zhu, J. (2017). Investigation of photothermal heating enabled by plasmonic nanofluids for direct solar steam generation. Solar Energy, 157, 35–46. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.08.015
36.   Yang, Y., Hu, G., Chen, F., Liu, J., Liu, W., Zhang, H., & Wang, B. (2015). An atom-scale interfacial coordination strategy to prepare hierarchically porous Fe₃O₄-graphene frameworks and their application in charge- and size-selective dye removal. Chemical Communications, 51, 14405–14408. https://doi.org/10.1039/C5CC06257H
37.   Yi, L., Ci, S., Luo, S., Shao, P., Hou, Y., & Wen, Z. (2017). Scalable and low-cost synthesis of black amorphous Al-Ti-O nanostructure for high-efficient photothermal desalination. Nano Energy, 41, 600–608. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.09.042
38.   Yu, K., Yang, S., Liu, C., Chen, H., Li, H., Sun, C., & Boyd, S. A. (2012). Degradation of organic dyes via bismuth silver oxide initiated direct oxidation coupled with sodium bismuthate-based visible light photocatalysis. Environmental Science & Technology, 46, 7318–7326. https://doi.org/10.1021/es3001954
39.   Zhu, M., Song, J., Li, T., Gong, A., Wang, Y., Dai, J., Yao, Y., Luo, D., Henderson, W., & Hu, L. (2016). Highly anisotropic, highly transparent wood composites. Advanced Materials, 28, 5181–5187. https://doi.org/10.1002/adma.201600427
اکولوژی انسانی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 20 مرداد 1405