Optimization of the thin-film composite membrane using various monomers in the aqueous phase

Vipin Kumar Veeramuthu

Master's thesis

Abstract:

This thesis presents an in-depth investigation into the optimization and performance evaluation of thin-film composite (TFC) membranes fabricated via interfacial polymerization, utilizing piperazine (PIP), m-phenylenediamine (MPD), and 1,3,5-Benzenetricarbonyl trichloride (TMC) as key monomers. The study aims to enhance the understanding of membrane-based filtration processes and improve the efficiency of water desalination and purification systems. The PIP-TMC membrane demonstrated exceptional performance with a 97% rejection rate for divalent salts (MgSO4) and a flux rate of 8.6 L/m?h. The MPD-TMC membrane, while achieving a 74% rejection rate for monovalent salts (NaCl), exhibited a lower flux rate of 0.42 L/m?h. The influence of pH variations in the feedwater on membrane performance was also examined, revealing that increased pH levels enhance rejection rates with minimal impact on flux. Surface morphology analysis, contact angle measurements, and chemical composition analysis provided insights into the membranes structural and surface properties. The PIP-TMC membrane moderate hydrophilicity, indicated by its contact angle, contributed to its high permeability and fouling resistance. In contrast, the MPD-TMC membrane exhibit less hydrophilicity, reflected in its contact angle, suggested robust structural integrity and selective ion rejection. The findings underscore the critical role of monomer selection and polymerization conditions in determining membrane properties and performance. The study concludes that optimizing TFC membranes for specific filtration applications can significantly improve their efficiency and effectiveness, paving the way for advancements in water treatment technologies.

Abstract:

Tato práce představuje hloubkový výzkum optimalizace a hodnocení výkonu tenkovrstvých kompozitních membrán (TFC) vyrobených pomocí mezifázové polymerizace s využitím piperazinu (PIP), m-fenylendiaminu (MPD) a 1,3,5-Benzenetrikarbonyltrichloridu (TMC) jako klíčových monomerů. Cílem studie je zlepšit porozumění filtračním procesům na bázi membrán a zlepšit účinnost systémů odsolování a čištění vody. Membrána PIP-TMC prokázala výjimečný výkon s 97% mírou rejekce dvojmocných solí (MgSO4) a průtokem 8,6 l/m?h. Membrána MPD-TMC sice dosáhla 74% míry rejekce monovalentních solí (NaCl), ale vykazovala nižší průtok 0,42 l/m?h. Byl také zkoumán vliv změn pH v přívodní vodě na výkonnost membrány, přičemž se ukázalo, že zvýšené hodnoty pH zvyšují míru rejekce s minimálním dopadem na průtok. Analýza morfologie povrchu, měření kontaktního úhlu a analýza chemického složení umožnily získat informace o strukturálních a povrchových vlastnostech membrán. Mírná hydrofilita membrány PIP-TMC, indikovaná jejím kontaktním úhlem, přispěla k její vysoké propustnosti a odolnosti proti zanášení. Naproti tomu membrána MPD-TMC vykazovala menší hydrofilitu, která se odráží v jejím kontaktním úhlu, což naznačuje robustní strukturní integritu a selektivní odmítání iontů. Tato zjištění zdůrazňují rozhodující úlohu výběru monomeru a polymeračních podmínek při určování vlastností a výkonu membrán. Studie dochází k závěru, že optimalizace TFC membrán pro specifické filtrační aplikace může významně zlepšit jejich účinnost a efektivitu, což otevírá cestu k pokroku v technologiích úpravy vody.

Keywords

Tenkovrstvé kompozitní membrány, mezifázová polymerace, odsolování vody, optimalizace membrán, filtrační výkon, morfologie povrchu, měření kontaktního úhlu.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 5. 2024

Thesis defence

• Supervisor: doc. Fatma Yalcinkaya, MSc. Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Master programme / field:
Textile Engineering / Nonwovens and Nanofiber Materials