Modifikace membrán s využitím nanotechnologií

Ing. Jan Dolina

Doctoral thesis

Membrane modifications through nanotechnology

Abstract:

Předložená disertační práce je zaměřena zejména na povrchové modifikace komerčně dostupných ultrafiltračních membrán a na přípravu polyethersulfonových ultrafiltračních membrán s tzv. smíšenou matricí. Komerční ultrafiltrační membrány byly modifikovány prostřednictvím tří různých metod; metodou založenou na difuzi iontů stříbra s jejich následnou redukcí a tepelnou stabilizací, metodou založenou na polyethyleniminové imobilizaci nanočástic stříbra do membránové struktury a metodou tepelně-tlakové laminace nanovlákenné vrstvy s obsahem nanočástic stříbra, jejíž příprava byla rovněž cílem této práce. Ačkoli se podařilo připravenou nanovlákenou vrstvu na membránový povrch zafixovat s dostatečnou pevností a minimální ztrátou morfologie, bylo pozorováno významné vyplavování stříbra z nanovláken. Optimalizací podmínek přípravy, zejména volbou vhodného prekurzoru nanočástic stříbra (disperze behenátu stříbrného), se podařilo minimalizovat vyplavování stříbra z nanovlákenné vrstvy, čímž byly zároveň prodlouženy antimikrobiální vlastnosti této vrstvy. S výjimkou modifikace membránového povrchu prostřednictvím nanovláken bylo dosaženo poklesu tendence k zanášení, tedy snížení adherace nežádoucích složek na povrch membrány. Ta představuje zásadní negativní jev membránových technologií při filtraci vod s obsahem organických látek, včetně mikroorganismů. Pro přípravu polyethersulfonových membrán se smíšenou matricí byly kromě nanočástic stříbra použity také nejrůznější komerční a disperzní nanočástice, u nichž se předpokládal antimikrobiální efekt. Zejména přídavek nanočástic oxidu měďnatého a disperzních nanočástic oxidu titaničitého s přídavkem stříbra v polymerní matrici, vedl k membránám vykazujícím nižší tendenci k zanášení membránového povrchu při zachování jejich selektivity. U těchto membrán bylo dále pozorováno zvýšení hydrofility a stabilita aditiv v polymerní matrici. Dosažené výsledky prezentované v této disertační práci naznačují aplikační potenciál těchto kompozitních a modifikovaných membrán, například pro filtrace odpadních vod s vysokým obsahem nerozpuštěných látek a mikroorganismů.

Abstract:

This thesis is focused on the surface modification of commercially available ultrafiltration membranes and on the preparation of mixed matrix polyethersulfone membranes for ultrafiltration. Commercial ultrafiltration membranes were modified by three different methods; one based on the diffusion of silver ions with their subsequent reduction and thermal stabilization; other based on polyethylenimine immobilization of silver nanoparticles in the membrane structure and the last method is based on thermal-pressure lamination of nanofibrous layers containing silver nanoparticles whose preparation is also an objective of this work. Although the nanofiber layer was fixed on the membrane surface with sufficient adhesion and minimum loss of morphology, significant leaching of silver from nanofibre layer was observed. By optimizing conditions of preparation, particularly the choice of a suitable precursor of silver nanoparticles (silver behenate dispersion), the silver leaching from nanofibrous layer was minimized and thereby antimicrobial properties were prolonged. Membranes used for the filtration of wastewater suffer from fouling by organic matter and microorganisms which limits the membrane performance significantly. With the exception of membranes with surface modified by nanofibers the surface modifications of commercially available membranes led to fouling mitigation, i.e. reducing adherence of undesirable components on the membrane surface. For mixed matrix polyethersulfone membranes preparation the addition of various commercially available and dispersed nanoparticles with antimicrobial properties was investigated. In particular, the addition of copper oxide nanoparticles and dispersed nanoparticles of titanium dioxide with the silver addition to polymer matrix led to membranes with lower tendency to surface fouling while maintaining their selectivity. These membranes exhibited improved hydrophilicity and stability of additives in the polymer matrix. Achieved results presented in this thesis indicate the application potential of these membrane composites and modified membranes, e.g. for the wastewater filtration with high content of suspended solids and microorganisms.

Keywords

Membrána, kompozity, nanovlákna, stříbro, nanočástice, disperze, antimikrobiální vlastnosti, hydrofilita, snížené zanášení.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 9. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 12. 9. 2017
• Supervisor: Ing. Tomáš Lederer, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Applied Science in Technology / Applied Science in Technology