Membranen gesynthetiseerd via interfaciale polymerisatie met behulp van 'nieuwe chemie' monomeren.

Membraantoepassingen zijn een belangrijke plaats gaan innemen in scheidingsprocessen waar ze gecombineerd werden met traditionele, industriële scheidingsprocessen, zoals destillatie, adsorptie en extractie, of waar ze deze zelfs volledig gingen vervangen. De meeste huidige industriële membranen, gebruikt in de afvalwaterbehandeling en/of ontzilting van zeewater, zijn gesynthetiseerd via interfaciale polymerisatie, een techniek die de synthese van een dunne toplaag op een poreuze drager realiseert, waardoor hoge permeabiliteiten en retenties kunnen gecombineerd worden. De ontwikkeling van zulke thin film composite (TFC) membranen met hoge chemische stabiliteit blijft echter noodzakelijk om de echte doorbraak van solvent resistente nanofiltratie (SRNF) toepassingen te realiseren op industrieel niveau. Deze relatief nieuwe techniek maakt scheiding tot op moleculair niveau mogelijk van opgeloste stoffen in een organisch oplosmiddel en vindt toepassingen in de voedings-, farmaceutische en petrochemische industrie. Tegenwoordig bestaan de meeste commercieel beschikbare  SRNF membranen uit een PA selectieve laag bovenop een diamine gecrosslinkte polyimide (PI-XL) steunlaag. Hoewel het aantal succesvolle SRNF-toepassingen geleidelijk toeneemt, blijven veel uitdagingen onopgelost, zoals het behandelen van meer agressieve organische oplossingen of bijvoorbeeld het recupereren van metalen uit zeer zure extractie-oplossingen in bijvoorbeeld afvalwater afkomstig van mijnbouw. Daarom blijft een dringende behoefte bestaan aan hoog-performante, zuur-stabiele (SRNF) membranen.

In een eerste deel van dit onderzoek werd epoxide-uitharding geïntroduceerd als  interfaciale polymerisatiereactie via de nucleofiele ring-openingspolymerisatie ter vorming van een poly(β-alkanolamine) toplaag. Hiervoor werd gebruik gemaakt van het meest gebruikte epoxide-systeem: bisphenol-A-diglycidyl ether met 1.6-hexamethyleendiamine. Een grondige parameterstudie van dit systeem leidde tot een beter inzicht in de vorming deze poly(β-alkanolamine) toplaag en het effect van de syntheseparameters hierop, zoals monomeerconcentraties, reactietijd, reactietemperatuur en het gebruikte oplosmiddelsysteem. Gebaseerd op de theorieën van Carothers en Flory-Stockmayer, werd verondersteld dat hogere epoxide- en amine-functionaliteiten leiden tot een snellere gelvorming en dus versnelde filmvorming en stijgende densiteit. Het tetra-functionele epoxide EPONTM Resin 1031 werd daarom uitgehard met verscheidene amines, welke verschillen qua diffusiviteit, functionaliteit en reactiviteit. Hieruit bleek dat inderdaad snellere en densere filmvorming kan worden waargenomen. Gezien het doel was om uitzonderlijk stabiele toplagen te synthetiseren, werd eveneens de invloed van diverse oplosmiddelen en reinigingsomstandigheden op de TFC-membranen onderzocht. De poly(β-alkanolamine) toplagen bleken stabiel in sterk zure omstandigheden (pH = 0), maar de stabiliteit in DMF bleek een probleem, mogelijk door een verschil in chemische eigenschappen van steun- en toplaag. Ook sterk basische omstandigheden (pH = 13,5) maakten het TFC-membraan instabiel, wat inherent kan gekoppeld worden aan de gevormde poly(β-alkanolamine) structuur.

In een tweede deel van dit onderzoek lag de focus op de anionische ring-openingspolymerisatie van epoxides, resulterend in poly(epoxyether)s in de toplaag. TFC-membraan-synthese via interfaciale, in-situ initiatie, zorgde voor moleculaire structuren die ongeëvenaard zijn op het gebied van chemische stabiliteit, zelfs in vergelijking met de poly(β-alkanolamine)s, gevormd via de nucleofiele ring-opening van epoxides. Opnieuw werd de correlatie tussen de polymerisatie parameters en bijbehorende membraanprestaties en/of chemische stabiliteit gemaakt. Deze geanticipeerde chemische stabiliteit werd bevestigd door onveranderde tot zelfs verbeterde membraanprestaties van de poly(epoxyether) TFC-membranen na onderdompeling in uitdagende omstandigheden zoals 1 M HCl en 400 ppm NaOCl. Dit was in tegenstelling met totaal prestatieverlies van commerciële NF 90 onder deze omstandigheden.

Stabiliteit van de steunlaag bleef een groot probleem voor TFC-membraan-synthese en beperkte de toepassing ervan in uitdagende omstandigheden. Een verschillende zwellingsgraad in steun- en toplaag creëert defecten, waardoor de TFC-selectiviteiten sterk dalen. Een laatste deel van dit onderzoek pakte dit probleem aan doormiddel van de synthese van een nieuwe epoxy-gebaseerde steunlaag via fase-inversie. Zulke steunlaag met uitzonderlijke stabiliteit in extreme pH en uitdagende oplosmiddelstromen maakte de toepassing van epoxy-gebaseerde TFC-membranen mogelijk zonder beperkingen die door de minder stabiele chemie van de steunlaag werden opgelegd. Bovendien maakte deze chemie de TFC-membranen ook bestendig voor oplossingsmiddel-activatie, welke verhoogde performantie kon introduceren. De combinatie van 20 wt% EPONOL Resin 53-BH-53 en 25 wt% EPON Resin 164  zorgde voor DMF-resistente UF-membranen (0.3 L m-2 h-1 bar-1, 76.6% RB retentie, na 24u DMF behandeling) die succesvol gecrosslinkt konden worden, hoewel heterogeniteit een probleem bleef. Mits een aantal verdere optimalisatie-stappen, kunnen de verkregen membranen duidelijke industriële betekenis hebben.