In situ Preparative Strategy for Novel Nano-enhanced Membrane with Improved Antifouling Performance

Promovendus/a: Xin Li

Promotor(en): Prof. dr. ir. Bart Van der Bruggen

Water is een kritische hulbron in het dagelijks leven. Zuiverheid en beschikbaarheid van water zijn direct gerelateerd met volksgezondheid, de productie van energie, en economische ontwikkeling. Hoewel belangrijke vooruitgang werd geboekt in het domein van waterzuivering in de 20ste eeuw, lijkt de effectieve beschikbaarheid van zuiver water op wereldvlak in de verkeerde richting te gaan. De World Water Council schat dat 3.9 miljard mensen wereldwijd in waterschaarse gebieden zullen wonen tegen 2030. Ongeveer 1.2 miljaard mensen hebben geen toegang tot veilig drinkwater. Membraantechnologie is een snel groeiende industrie, die substantieel bijdraagt aan de vooruitgang in waterzuivering en een antwoord kan bieden op de watercrisis. Hoewel een zeker succes werd bereikt met de ontwikkeling van traditionele membraantechnologieën in waterzuivering, blijft membraanvervuiling een hinderpaal bij verdere ontwikkeling van deze technologieën.

Veel pogingen werden ondernomen om de weerstand van membranen tegen vervuiling te verbeteren, door het aanpassen van membraankarakteristieken. Van deze methoden is de toevoeging van nanodeeltjes bij de membraansynthese het onderwerp geweest van vele studies, met telkens betere technische bevindingen en een exponentiële stijging van de kennis in dit domein. De membranen met dergelijke verbeteringen op nanoschaal hebben opvallende verbeteringen in membraaneigenschappen, zoals permeabiliteit, selectiviteit, mechanische sterkte en hydrofiliciteit. Niettemin beperken de aggregatie en het uitlogen van nanodeeltjes verdere ontwikkelingen binnen deze strategie.

In deze thesis werd een in situ bereidingsmethode ontwikkeld voor het design van innovatieve nano-verbeterde membranen waarvoor de aggregatie en uitloging van nanodeeltjes onder controle kunnen worden gehouden. Door het integreren van de vorming van zowel nanodeeltjes als het membraan zelf in een samengesteld systeem, kon de morfologie en microstructuur van de membranen worden gestuurd. Daardoor kon de vervuilingsweerstand van de verkregen membranen worden verbeterd. Gedetailleerde besluiten zijn als volgt:

1) In situ chemische reductie en het in situ sol-gel proces werden ontwikkeld voor de bereiding van innovatieve nanoverbeterde membranen. AgNO3, NiCl2, TBT en Zn(NO3)2 werden gebruikt als precursoren voor Ag, Ni, TiO2 en ZnO nanodeeltjes, respectievelijk. Deze methode levert bijzondere opportuniteiten voor het ontwikkelen van watervoorzieningssystemen van de volgende generatie.

2) De in situ bereidingstechniek levert een goede dispersie van nanodeeltjes in de oplossing voor casting zowel als in de membraanmatrix, wat effectief was voor het beperken van de aggregatie van nanodeeltjes. De grootte van in situ gevormde nanodeeltjes kan worden gestuurd in de orde van 10 nm.

3) Het uitlogen van nanodeeltjes uit de membraanmatrix kan worden beperkt met het in situ sol-gel proces. Voor de aanmaak van een zelf-assemblage nanoverbeterd membraan met TiO2 nanodeeltjes verhoogden de waterstofbruggen tussen -OH groepen van TiO2 nanodeeltjes het PEO segment van F127 de stabiliteit van sol-gel gevormde TiO2 nanodeeltjes tijdens de filtratie.

4) De in situ toevoeging van nanodeeltjes versnelde de ontmenging van de casting oplossing, wat de gemiddelde poriegrootte en porositeit verhoogde, zodat de morfologie van de verkregen membranen kan worden gestuurd. De oppervlaktehydrofiliciteit en zuiver water flux van de membranen waren eveneens verbeterd. De weerhouding van BSA bleef daarbij op een aanvaardbaar niveau (hoger dan 90%).

5) De in situ bereidingstechniek was effectief voor het verbeteren van de weerstand van de membranen tegen vervuiling (zoals bacteriële activiteit, biologische vervuiling en organische vervuiling) voor composietmembranen. Door het meten van de intermoleculaire adhesiekrachten tussen vervuilende componenten en het membraan en tussen vervuilende componenten onderling via AFM toonde de vervuilingsmechanismen van de composietmembranen aan. Verder werd door modellering van de filtratie aangetoond dat standaard blokkage en cake filtratie de belangrijkste factoren waren die leidden tot membraanvervuiling.