Geavanceerde methodes voor membraansyntese: Verkenning van 3D-geprinte membranen voor olie/water scheiding en ontwikkeling van nieuwe polymeren voor organische solvent nanofiltratie

Verschillende aanmaakmethoden en verschillende polymeren werden in recente jaren toegepast voor het synthetiseren van membranen. Gecombineerd met huidige membraansynthesemethoden en commerciële polymeren, kunnen bijna alle soorten polymere membranen gaande van poreuze microfiltratiemembranen tot dense omgekeerde osmose membranen worden gefabriceerd in academische en commerciële omgevingen. Membranen die zijn gesynthetiseerd met de momenteel gebruikte methoden en polymeren kunnen echter niet alle problemen oplossen die zich in de industrie voordoen. Nieuwe fabricagemethoden met het vermogen om de structuur en oppervlakteruwheid van een membraan voor olie / waterscheiding te beheersen, zijn nog steeds vereist. Nieuwe polymeren met een grote stabiliteit in solventen zijn ook nodig voor de fabricage van membranen voor nanofiltratie in organische solventen (OSN). In dit proefschrift werd selectieve laser sintering als 3D-printtechniek onderzocht als een nieuwe methode voor membraanaanmaak, om een poreus membraan te synthetiseren. Daarnaast werden twee hoogwaardige polymeren, poly (aryleensulfidesulfon) (PASS) en Kevlar, gebruikt om OSN-membranen te fabriceren.

Eerst werd een voorstudie uitgevoerd door selectieve laser sintering toe te passen om een membraan van polyamide-12-poeder te produceren. Het verkregen membraan bleek een poreus microfiltratiemembraan te zijn. Resultaten tonen aan dat verwerkingsparameters inclusief laservermogen, hatch space en scanning count een significante invloed hebben op de structuur en de prestaties van een membraan. Een membraan vervaardigd met een hogere energiedichtheid, zoals een groter laservermogen, kleinere hatch space en 2 lagen, zou een dichtere structuur en een lagere waterflux hebben. Volgens dezelfde procedure werden ook poreuze membranen uit polysulfon verkregen.

In tegenstelling tot een vlak membraan gefabriceerd via fase-inversie, heeft een 3D-geprint membraan een ruw oppervlak, een driedimensionale structuur en een sterke mechanische sterkte, waardoor het een perfecte substraat is om een superhydrofoob membraan voor de scheiding van olie en water te construeren. Daarom werden twee methoden voorgesteld om de 3D geprinte membranen met superhydrofoob oppervlak te modificeren. Bij de eerste benadering werd een 3D geprint PSU-membraan gedurende 40 minuten ondergedompeld in een kaarsroet / hexaanoplossing om een geordend kaarsroet netwerk op het oppervlak te verkrijgen. Bij de tweede methode werd het 3D-geprinte PA-membraan bekleed met een laag micro / nano-structureel zeolitisch imidazolaat (ZIF-L) en vervolgens chemisch gemodificeerd met PDMS. Beide gemodificeerde membranen vertoonden tegelijkertijd superhydrofobe en super-oleofiele eigenschappen en vertoonden een hoge scheidingsefficiëntie van olie uit een olie / watermengsel.

Naast de exploratie van nieuwe membraanfabricagemethoden, werden twee hoogwaardige polymeren, PASS en Kevlar, gebruikt om OSN-membranen te synthetiseren. Het geoxideerde PASS OSN-membraan werd vervaardigd door een post-oxidatiebehandeling van het zuivere PASS-membraan. Dit membraan vertoonde een uitstekende chemische stabiliteit in agressieve organische oplosmiddelen, zelfs in 98% H2SO4 als gevolg van de aanzienlijk verbeterde intermoleculaire interacties. Tijdens filtratie met organische solventen vertoonde het een hoge weerhouding van RB, EB, RO16 en SBB, en een hoge DMF-permeabiliteit in vergelijking met andere gerapporteerde membranen. Het Kevlar OSN-membraan werd gesynthetiseerd door een eenvoudige thermische behandeling van een hydrogel-ultrafiltratiemembraan via de regeneratie van waterstofbruggen. Dit membraan vertoont een uitstekende solventbestendigheid in courante solventen. Het behoudt een relatief hoge kleurstofweerhouding gedurende de filtratie van kleurstofoplossingen gedurende 6 uur.

Concluderend laat dit proefschrift zien dat poreuze microfiltratie membranen kunnen worden gefabriceerd via selectieve laser sintering. Bovendien vertonen de superhydrofobe gemodificeerde membranen een hoge scheidingsefficiëntie van olie uit olie / watermengsels. Bovendien kunnen zowel PASS als Kevlar worden gefabriceerd als OSN-membranen. Deze OSN-membranen vertonen een uitstekende solventbestendigheid en een hoge kleurstofweerhouding in deze solventen.