Nanofiltrační membrány vyrobené za použití nanovlákených materiálů

Baturalp Yalcinkaya, M.Sc.

Disertační práce

Nanofiltration Membranes Based on Nanofibrous Material

Abstract:

Fabrication of nanofibrous material has been become the center of attraction by the researchers due to their unique physical properties for instance high porosity and super thin fiber diameter. Electrospinning of various polymers has gained advanced chemical properties to the nanofibrous materials such as permeability besides physical ones. During the last decade, the interest in the use of the nanofibrous material, in particular, has emerged in water treatment. However, even now, the main limitation of using nanofibrous material, especially in liquid filtration, is their weak properties and low adhesion to the other surface. Hence, the motivation of this thesis was to overcome the mechanical properties issue of nanofibers layer and prepare them as a nanofiltration membrane for separation of salt. The main goal of this dissertation was fabrication and optimization of thin film composite membranes based on laminated nanofibrous and nonwoven composite materials and investigation of their filtration performance against to mono and divalent salt solution. The best filtration (selectivity and flux) by the active barrier layer was achieved by optimizing four parameters: the monomer solution concentration, the reaction time for monomer polymerization, the drying time and the post-treatment temperature (Chapter 3). At each step of the process, one of the optimum conditions, indicated by filtration performance, was selected and the investigation proceeded to the next step. The filtration performance of the fabricated thin film nanofibrous composite (TFNC) membranes was compared to the performance of reference samples, including commercial ones. The TFNC (2) membrane based on m-phenylenediamine monomers showed a higher rejection of NaCl salt ions (93.57%) at a lower flux when compared to commercial NF90 membranes. The flux performances of the piperazine monomer-based TFNC (1) and (3) membranes, were about 10 and 100% higher, respectively, than that of a commercial NF270 membrane, while maintaining the same MgSO4 salt rejection rate (95.6 and 93.5%, respectively). Once, the optimization of thin film nanofibrous composite membrane was done for liquid filtration and salt separation, the enhancement of filtration performance carried out using additives (Chapter 4). Surfactants were used to increase hydrophilicity and flux performance of TFNC membranes whereas acid acceptors were used to increase salt rejection performance. The filtration performance was performed using four different salt solutions with dead-end filtration cell in chapter 4. Piperazine monomer-based membranes that were prepared by adding acid acceptor were able to reject 98.8 % MgSO4 and 97.4% Na2SO4 with high flux 40.5 L m-2 h-1 and 23.2 L m-2 h-1 respectively. The rejection rates of monovalent salts were lower than divalent salts using PIP-based membranes such as 25.9 % CaCl2 and 18.3 % NaCl. M-phenylenediamine monomer-based membranes, which were prepared by adding surfactants and acid acceptor, showed higher rejection performance in four kinds of salts solutions in comparison with PIP based membranes. The rejection rates of MgSO4, Na2SO4, CaCl2 and NaCl salts solution were 98.5 %, 98.3 %, 97.4 % and 96.3 % respectively while the flux performance was increased four times higher, than that of TFNC (2). The filtration of real seawater showed that the combination of prepared PIP and MPD based TFNC membranes were performed good salt ions rejection from seawater. However, to retain the salt ions from the seawater was impossible all at once. The first filtration attempt was not able retained sufficient amount of salt ions from seawater. For this reason, filtered permeate seawater was used again as a feed water and circulated six times with same PIP-based membrane and two times with same MPD-based membrane.

Abstract:

Tato práce se zabývá studiem procesů odsolování roztoků solí pomocí vodné filtrace. Konkrétně se zabývá konstrukcí a výrobou filtračních membrán s využitím nanovlákenných materiálů. Výroba a použití nanovlákenných materiálů se stala díky svým vlastnostem, jako je například porózita, zájmem vědců v mnoha oblastech. Během poslední doby je jednou z oblastí zájmu také problematika úpravy vlastností vody. Avšak, do této doby hlavním problémem použití nanovlákenných materiálů pro filtraci vody, jsou špatné mechanické vlastnosti zmíněných materiálů. Proto motivací této práce bylo zlepšení mechanických vlastností nanovlákenných materiálů a příprava nanovlákenných membrán vhodných pro filtraci vody, konkrétně pro odsolování vody. Hlavním cílem práce byla příprava a optimalizace kompozitních membrán, složených z nanovlákenných materiálů, netkané textilie a tenkého polymerního filmu. U takto připravených filtračních membrán byla studována a sledována schopnost filtrovat jednomocné a dvojmocné soli z vodního roztoku. Nejlepších filtračních vlastností připravovaných membrán, bylo dosaženo optimalizací vlastností polymerního filmu, který lze nazvat jako aktivní bariérová vrstva. Toho bylo dosaženo optimalizací čtyř základních parametrů: koncentrací roztoků monomerů, reakčním časem polymerizace, časem sušení a teplotou, které jsou membrány vystaveny po sušení. Každý z těchto parametrů měl vliv na konečné vlastnosti membrány a optimální parametry byly stanovovány krok po kroku. Vlastnosti všech připravených membrán, nanovlákenných kompozitů s tenkým polymerním filmem ( TFNC), byly porovnány s komerčně dostupnými membránami, které sloužily jako referenční vzorky. Jako solné roztoky byly použity roztoky Mg SO4, Na2SO4, CaCl2, NaCl. TFNC membrána vyrobená za použití monomerů m- fenyl diaminu vykazovala vyšší efektivitu záchytu NaCl iontů a vyšší průtok než komerční membrána NF90. Dosažený průtok membrán s polymerním filmem připraveným z monomerů piperazinu byl o 10-100% vyšší než u komerční membrány NF 270 při zachování podobné efektivity záchytu soli Mg SO4. Pro dosažení ještě lepších výsledků, zvýšení efektivity záchytu a většího průtoku, bylo přidáváno několik typů aditiv do roztoků monomerů před mezifázovou polymerizací. Touto úpravou je dosaženo až 96 % záchytů iontů NaCl. Výsledky jsou uvedeny v práci. V experimentální části se práce dále zabývá problematikou odsolováním skutečné mořské vody. Výsledkem je membrána TFNC, která je schopna odstranit 80 % iontů soli z mořské vody. Práce se také zabývá opakovaným použitím membrán a jejich mechanickými vlastnostmi.

Keywords

Nanofiltrace, Nanovlákna, reversní osmóza, polyamid, laminace, odsolování vody, kompozit, mezifázová polymerizace

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 16. 11. 2016

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 13. 4. 2017
• Vedoucí: Ing. Jiří Chaloupek, Ph.D.

Technická univerzita v Liberci

Fakulta textilní

Doktorský studijní program / obor:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering