< Terug naar vorige pagina

Project

PVDF membranen voor filtraties in water en solvent media

Membraan technologie is een gevestigde technologie voor het behandelen van verschillende afvalwaterstromen. Echter, membraan vervuiling blijft vaak een probleem, terwijl sommige afvalwaterstromen daarnaast agressieve solventen, onzuiverheden, een extreme pH of een verhoogde temperatuur bevatten, waardoor een meer stabiel membraan type vereist is. Om deze vervuiling- en stabiliteitsproblemen op te lossen, werden 2 benaderingen onderzocht in dit onderzoek: (i) verminderen van de vervuiling door het toepassen van membraan vibratie via het magnetisch geïnduceerde membraan vibratie (MMV) systeem, en (ii) optimalisatie van de stabiliteit en toepassingsgebied (microfiltratie (MF), ultrafiltratie (UF) en nanofiltratie (NF)) van een poly(vinylideendifluoride) (PVDF) membraan.

In het eerste deel van deze thesis, werden PVDF membranen geoptimaliseerd om specifiek te werken in combinatie met het MMV systeem. PVDF membranen werden bereid via fase scheiding door het toevoegen van poly(ethyleen glycol) (PEG), als porie-vormend agens in verschillende concentraties en met verschillende moleculaire gewichten (MW), en het aanpassen van de polymeer concentratie in de polymeeroplossing. De totale performantie van de gemodificeerde membranen werd geëvalueerd via filtratie indices (FIs) en een gemodificeerde kritische flux (CF) filtratie methode. Zo kon de flux voor anaerobe membraan bioreactoren (AnMBRs) van 6 L/m².u, volgens de huidige stand van de zaken, verbeterd worden met meer dan 60%. Parameters zoals de oppervlakte poriën grootte en de membraan bulk porositeit werden geïdentificeerd als twee belangrijke parameters voor het optimaliseren van membranen voor vibratie systemen. Ten tweede werd het MMV systeem opnieuw ontworpen tot een meer dynamisch en energie efficiënt systeem, met alternerend bewegingen en instelbare frequentie, amplitude en intermodule afstand. Dit 2de generatie systeem werd gevalideerd in een aerobe membraan bioreactor (AeMBR) en dan verder onderzocht voor AnMBRs. Voor beide membraan bioreactoren (MBRs) was het MMV systeem zeer capabel in het drastisch verlagen van de vervuiling snelheid, tot een factor 10 voor AnMBRs. Het verder combineren van het MMV systeem met een terug was cyclus, resulteerde in een AnMBR die in staat was om continue te werken voor 10 dagen aan 20 L/m².u.

In het tweede deel werden de PVDF membranen verder aangepast om bestand te zijn tegen extreme condities. De huidige solventresistente nanofiltratie (SRNF) membranen missen nog steeds (i) stabiliteit tegen extreme pH of bepaalde solvent types (vb. agressieve polair protische solventen), (ii) missen optimalisatie mogelijkheden om tot een gewenst moleculair gewicht cut-off (MWCO) te komen, of (iii) hebben een relatief lage solvent permeantie. PVDF is een membraan materiaal dat uitvoerig gebruikt wordt voor de behandeling van afvalwaterstromen als een MF of UF membraan en heeft opmerkelijke mechanische, chemische en thermische stabiliteit eigenschappen. Desondanks is dit materiaal niet gemakkelijk te tunen naar een MWCO in het NF gebied via fase scheiding, alsook is het nooit gebruikt onder extreme condities.

Door het accuraat afstellen van de fase scheidingsparameters zoals de polymeer concentratie en evaporatietijd voor coagulatie, werd een integraal asymmetrisch (ISA) NF-membraan gemaakt. Aangezien het geproduceerde membraan in staat was om kleine componenten (327 Da) met meer dan 80% tegen te houden, moest de stabiliteit naar solventen nog verbeterd worden. Dit werd gerealiseerd door een reactie van het polymeer met een crosslinker. Het crosslinken van het PVDF membraan via een één-pot reactie waarin dehydrofluoreren en crosslinken gecombineerd wordt, gebruikmakend van p-xyleendiamine (XDA), werd bestudeerd. In tegenstelling tot oorspronkelijk PVDF, toonde het optimale membraan een zeer hoge stabiliteit voor extreme pH (5M HCl of NaOH) en verschillende solventen (polair protisch, polair aprotisch en apolair). Daarnaast werd een opmerkelijk solventactivatie effect waargenomen dat de permeantie van het membraan booste met een factor 11 als gevolg van het vrijmaken van poriën volume door het verwijderen van reactanten en zwak gecrosslinkt polymeer, zonder hierbij de membraan retentie te veranderen. De retentie kon op zijn beurt verder verbeterd worden (met 10-50%) door het drogen van de membranen. Tijdens dit droogproces werd de polymeer matrix verder gecrosslinkt via de vrije amine groepen van XDA moleculen die slechts éénmalig gereageerd hadden tijdens de initiële crosslinksreactie. Beide effecten, de solventactivatie en het drogen, hebben hierdoor het toepassingsgebied van PVDF voor SRNF significant verbeterd. De veelzijdigheid van de aanpak werd verder bewezen door het XL-PVDF membraan te optimaliseren voor het UF werkgebied waarbinnen het succesvol gebruikt werd voor het opzuiveren van een metal organic framework dat gesynthetiseerd wordt in een zeer uitdagende organisch solvent medium in combinatie met sterke zuren.

Datum:1 okt 2014  →  24 sep 2018
Trefwoorden:AnMBR
Disciplines:Analytische chemie, Macromoleculaire en materiaalchemie
Project type:PhD project