Synthese van geladen nanofiltratiemembranen voor waterzuivering en herwinning van grondstoffen

Watertekort is een wereldwijd probleem: meer dan een derde van de wereldbevolking lijdt onder de watercrisis. De watervervuiling veroorzaakt door menselijke activiteiten, met name door industrieel afvalwater, heeft ongetwijfeld de watertekorten verergerd. Het nanofiltratie (NF) membraanproces is een aantrekkelijke technologie en heeft verschillende geavanceerde mogelijkheden opgeleverd om deze crisis te verlichten. Er zijn verschillende fabricagemethoden toegepast om NF-membranen te bereiden, waaronder grensvlakpolymerisatie (IP), fase-inversie en co-depositie. Op basis van deze methoden is het duurzaam maken van NF-membranen, zoals het gebruik van hernieuwbare materialen, het verminderen van het gebruik van schadelijke chemicaliën en het vereenvoudigen van bestaande fabricagemethoden, een onderzoekstrend. Bovendien kan het kiezen van een geschikt NF-membraan volgens de vereisten van de toepassingen de scheidingsefficiëntie verbeteren en zo de kosten van het hele proces verlagen. In dit proefschrift zijn zowel negatief als positief geladen NF-membranen ontwikkeld op een duurzame manier voor waterbehandeling en terugwinning van hulpbronnen.

Eerst werden op suiker gebaseerde NF-membranen met succes ontwikkeld via een gemakkelijke IP-reactie. Glucose, maltose en raffinose, die de meest klassieke mono-, di- en tri-sachariden vertegenwoordigen, werden gebruikt als de waterige monomeren om te reageren met trimesoylchloride (TMC). Belangrijk is dat NaOH werd gebruikt om de reactie tussen acylchloridegroepen en de laagactieve hydroxylgroepen te versnellen, waardoor een dichte polyesterscheidingslaag werd gevormd. Het optimale op suiker gebaseerde membraan vertoont een hoge waterpermeantie van 33,7±1,4 L m-2 h-1 bar-1 en een Na2SO4 afstoting van ~95%, wat het potentieel voor snelle ontzilting aantoont. Systematische karakteriseringen door chemische analyses en optische microscopie werden uitgevoerd. De resultaten toonden aan dat de hoge scheidingsprestaties van het op suiker gebaseerde membraan voornamelijk profiteerden van het negatief geladen, hydrofiele oppervlak en de superdunne polyesterlaag. Gezien de duurzame aard van sacchariden, is het op suiker gebaseerde membraan veelbelovend voor toekomstige toepassingen. Onze bevindingen helpen bij de ontwikkeling van suiker als bio-monomeer bij het vervaardigen van hoogwaardige nanofiltratiemembranen.

Ten tweede werd een nieuw negatief geladen open NF (LNF) membraan gefabriceerd via een opschaalbare IP-benadering tussen een plantaardig polyfenolmonomeer, resveratrol en TMC voor de behandeling van textielafvalwater. Een nauwkeurige scheiding van organische kleurstoffen en anorganische zouten is een voorwaarde voor een nulvloeistoflozing van zout textielafvalwater. De ontwikkeling van LNF-membranen met op maat gemaakte poriën op nanoschaal en een hoge waterdoorlatendheid zal naar verwachting deze uitdaging aangaan. Het optimale resveratrol/TMC-membraan vertoonde een ultrahoge doorlaatbaarheid voor zuiver water (121,1 L m-2 h-1 bar-1), een hoge kleurstofafstoting (99,4% voor 200 ppm Congorood) en een lage zoutafstoting (4,2%). voor NaCl en 9,8% voor Na2SO4). De chemische samenstellingen, oppervlakte-eigenschappen en morfologieën van de LNF-membranen werden gekarakteriseerd om hun structuur-eigenschap-performantierelaties op te helderen. De homogene diffusie van resveratrol naar het water/hexaan-grensvlak en de juiste stoichiometrie van de twee monomeren dragen bij aan de vorming van een ultradun (35-45 nm) en hydrofiel composietmembraan, waardoor het membraan een hoge waterdoorlatendheid kan bereiken. Het LNF-membraan behoudt bovendien een uitstekende weerstand tegen vervuiling tijdens filtratie van organische kleurstofoplossingen, voornamelijk als gevolg van de hoge hydrofiliciteit, negatieve ladingsdichtheid en gladheid van het membraanoppervlak. Met name behoudt het nieuwe LNF-membraan ook stabiliteit na wassen met ethanol en aceton, dankzij de verknoopte polyfenolester en de stijve fenylruggengraat van het membraanoppervlak. Deze resultaten onthullen het enorme potentieel van het toepassen van op resveratrol gebaseerde LNF-membranen voor de behandeling van zout textielafvalwater.

Negatief geladen NF is inefficiënt bij het behandelen van positief geladen soorten in het effluent. Daarentegen zijn positief geladen NF-membranen essentieel voor het verwijderen van zware metalen uit afvalwater. Een eenvoudige fabricageprocedure voor het synthetiseren van een positief geladen membraan met hoge permeantie en hoge selectiviteit is nodig om dit realistisch te maken. Een positief geladen P84 NF-membraan werd ontwikkeld in deze doctoraatsthesis door chemische verknoping van het asymmetrische gewone P84-membraan met behulp van hypervertakte polyethyleenimine (PEI). In plaats van het gebruik van organisch oplosmiddel en thermisch gloeien, vond de verknopingsreactie plaats in milde omstandigheden met een verknopingsconcentratie van 15 g L-1 en een verknopingstijd van 20 uur bij omgevingstemperatuur in water. Het gemodificeerde membraan had een verhoogde oppervlaktehydrofiliciteit, oppervlakteruwheid en een positief geladen oppervlak. Het resulterende membraan had een uitstekende waterflux van 43,2 L m-2 h-1 bij 4 bar. Het verknoopte P84 NF-membraan vertoonde hoge afstotingen van tweewaardige zware metalen PbCl2, Ni(NO3)2, ZnCl2, Cu(NO3)2 met afstotingen van respectievelijk 99,0%, 96,7%, 96,2%, 99,8%, wat beter presteert dan de commerciële NF270-membraan getest in dezelfde omstandigheden. Vanwege de hoge vernetting van de actieve oppervlaktelaag bleek het membraan positief geladen organische kleurstoffen bijna volledig af te stoten: Victory blue B (VBB, 506,08 g mo1-1), methyleenblauw (MB, 319,85 g mo1-1), en negatief geladen Congorood (CR, 696,66 g mo1-1). Het gemakkelijke fabricageproces zou de voortgang van de positief geladen NF-membranen kunnen versnellen in mogelijke toepassingen voor het verwijderen van zware metalen en positief geladen kleurstoffen uit afvalwater in industrieën.

Ten slotte, om te voldoen aan de toenemende vraag naar het scheiden en recyclen van zware metalen uit pekelwater, werden positief geladen NF-membranen verder onderzocht op basis van het P84/PEI-membraan. De scheidingsprestaties van het membraan werden aangepast door de concentratie van de P84-gietoplossing te veranderen. Alle verknoopte PEI-membranen vertoonden hoge iso-elektrische punten bij pH 8 tot 8,9 en een gemiddelde poriestraal van 0,389 tot 0,474 nm. Onder invloed van het Donnan-effect en grootte-uitsluiting vertoonde het 20% P84/PEI-membraan een uitstekende waterdoorlatendheid van 27,7 ± 1,5 L m-2 h-1 bar-1 en een hoge afstoting (> 90%) voor ééncomponent zouten van zware metalen (ZnCl2, PbCl2, Ni (NO3)2 en Cu(NO3)2). Er werd een verscheidenheid aan performantietests voor de scheiding van gemengd zout uitgevoerd. Deze resultaten geven aan dat de 20% P84/PEI-en 22% P84/PEI-membranen een enorm potentieel hebben om koperionen uit waterige oplossingen te verwijderen en te concentreren. Met name het 24% P84/PEI-membraan is veelbelovend voor de selectieve verwijdering van verschillende zware metalen uit zeer zout water.