< Terug naar vorige pagina

Project

Chloorresistente Omgekeerde Osmose en Nanofiltratie Membranen

Tegen 2050 zal de helft van de wereldbevolking wonen in gebieden met een enorm tekort aan water. Eén van de belangrijkste uitdagingen van de 21ste eeuw is daarom het vinden van oplossingen om waterschaarste te overwinnen, bijvoorbeeld door met behulp van membraantechnologie zee- en rivierwater te ontzilten. Membranen zijn semipermeabele materialen die water doorlaten, maar zouten en andere opgeloste componenten tegenhouden. De ontziltingsmembranen die momenteel worden gebruikt, behalen uitstekende waterfluxen en zoutretenties dankzij hun polyamide-gebaseerde selectieve toplaag. Deze dunne en dense toplaag is echter ook de achilleshiel van het membraan, omdat zij gevoelig is voor chloor, afkomstig van het desinfectans dat vóór de membraanbehandeling wordt toegevoegd. Zelfs al wordt het chloor actief verwijderd, lage concentraties kunnen toch ongewenst het membraan bereiken. Dit kan het membraan aantasten, en deze aantasting leidt op haar beurt tot een daling van de scheidingscapaciteit, de vroegtijdige vervanging en afvoer van de membraanmodules, een verhoogde kostprijs en een algemeen productiviteitsverlies van de waterzuiveringsinstallatie. Bovendien is het nog niet volledig duidelijk welk mechanisme precies ten grondslag ligt aan de verandering van de membraanprestatie door chloor.

Het doel van dit doctoraat was om de duurzaamheid van membraan-gebaseerde waterzuivering te verbeteren door de chloorgevoeligheid van commerciële polyamide-gebaseerde membranen op nano- en macroschaal te onderzoeken, en performante chloorresistente membranen te ontwikkelen.

Chlorinatie van polyamidemembranen is een complex proces dat afhankelijk is van de chloorconcentratie, de contacttijd en de pH. Dit doctoraat heeft als eerste de chlorinatie van commerciële membranen op industriële schaal onderzocht als functie van de pH, met lage chloorconcentraties en korte contacttijd. Tegen de verwachtingen in, verbeterden de onderzochte condities de membraanretentie, en was er daarentegen sprake van retentieverslechtering bij langdurige blootstelling aan chloor in een waterzuiveringsinstallatie. Chlorinatie kan de membraanprestatie dus zowel positief als negatief beïnvloeden, afhankelijk van de omstandigheden, en kan bijgevolg gebruikt worden als goedkope en makkelijke manier om de membraanprestatie op industriële schaal te verbeteren. De veranderingen in de fysicochemische eigenschappen van de membranen door chlorinatie stonden echter niet rechtstreeks in verhouding tot de gewijzigde membraanprestatie. Dit toont aan dat een eenduidig verband tussen de membraanstructuur, de eigenschappen en de prestatie ontbreekt. Bovendien lopen deze studie en andere laboschaalstudies sterk uiteen, wat wijst op een grote behoefte aan beter experimenteel ontwerp in de academische wereld en aan meer onderzoek op industriële schaal.

Om de eerder genoemde relatie tussen structuur, eigenschap en prestatie van membranen beter te begrijpen, werd Elastic Recoil Detection (ERD) geïntroduceerd als nieuwe karakteriseringstechniek in membraanonderzoek. ERD laat toe om elementaire diepteprofielen van dunne films te maken met nanoschaalresolutie en een ppm-gevoeligheid. ERD overwint daardoor de beperkingen van traditionele karakteriseringstechnieken. Het bepalen van de volledige elementaire samenstelling als functie van membraandikte liet toe om de membraanheterogeniteit te onderzoeken, de dikte van de polyamidelaag te bepalen en overblijfselen van de synthesecondities analytisch te kwantificeren. Door het toepassen van ERD op gechloreerde membranen werd eveneens nieuwe informatie verkregen met betrekking tot de chloorprofielen in het membraan.

Om de intrinsieke chloorgevoeligheid van polyamide-gebaseerde membranen aan te pakken, en de daarmee gepaard gaande economische en ecologische verliezen te beperken, werden epoxides geïntroduceerd als een nieuwe platformchemie voor de synthese van chloorresistente membranen. De kennis van homogene epoxidebulkpolymerisatie, breed toegepast in de auto- en vloerindustrie, werd overgebracht naar de interfaciale synthese van dunne, vernette poly(epoxyether)films. Dankzij de intrinsieke chemische stabiliteit van etherverbindingen, zijn deze membranen chloor-, zuur- en baseresistent, en behalen ze zowel een hoge zoutretentie als een hoge waterflux. Deze epoxide-gebaseerde membranen leggen daarom het fundament voor een nieuwe generatie van extreem stabiele membranen voor scheidingen in een brede waaier aan complexe en agressieve media.

In dit doctoraat werd dus enerzijds de chloorgevoeligheid van de actuele ontziltingsmembranen op industriële en nanoschaal onderzocht, en anderzijds een nieuwe generatie van performante chloorresistente membranen ontwikkeld. De behaalde resultaten maken de weg vrij voor een succesvolle en duurzame implementatie van membraantechnologie in bestaande en nieuwe toepassingen onder veeleisende omstandigheden waarin huidige membranen zouden falen.

Datum:31 aug 2015  →  31 dec 2020
Trefwoorden:Membrane technology, Thin Film Composite Membranes, Chlorine-resistance
Disciplines:Analytische chemie, Macromoleculaire en materiaalchemie
Project type:PhD project