Better understanding the synthesis-structure-performance relationships of polyamide membranes prepared via interfacial polymerization

Promovendus/a: Ines Nulens

Promotor(en): Prof. dr. ir. Ivo Vankelecom, Dhr. Alexey Kubarev

Water, het fundament van het leven op aarde, wordt steeds schaarser als gevolg van klimaatverandering, bevolkingsgroei, industrialisering en verontreiniging van de beschikbare zoetwatervoorraden. De uitdaging van onze tijd is voldoende water veilig te stellen, tegen betaalbare kosten, dat voldoet aan de normen voor allerlei toepassingen, variërend van afvalwaterbehandeling en hergebruik, over drinkwater, proceswater tot ultrapuur water. Membraangebaseerde ontzilting of omgekeerde osmose (RO), is een krachtige techniek om water van hoge kwaliteit te produceren uit een verscheidenheid aan voedingsstromen, zoals zeewater en brak (grond)water, maar ook allerlei zoetwaterbronnen. De huidige state-of-the-art RO-membranen zijn volledig aromatische polyamide (PA) dunne film composiet (TFC) membranen. PA TFC-membranen bestaan uit een dunne PA-toplaag om selectief ionen en kleine organische moleculen tegen te houden terwijl water er wel door kan. Het succes van dit type membranen wordt toegeschreven aan de hoge water-zoutselectiviteit in combinatie met een redelijke waterdoorlaatbaarheid en een relatief gemakkelijke en snelle fabricage. Om de waterkwaliteit in de toekomst te waarborgen en de duurzaamheid van op membranen gebaseerde waterzuivering te verbeteren, moeten de volgende generatie RO-membranen echter verschillende uitdagingen overwinnen. Wat duurzaamheid betreft, zijn een lagere neiging tot vervuiling, een verminderde gevoeligheid voor chloorgeïnduceerde oxidatie en een groenere membraanfabricage gewenst. Anderzijds moeten waterdoorlaatbaarheid en water-zoutselectiviteit zoveel mogelijk ontkoppeld worden en is er behoefte aan een betere retentie van toxische chemische stoffen. Gezien de verschillende voedings- en productsamenstellingen, moet de ontwikkeling van membranen evolueren naar een rationele benadering. Op deze manier kunnen geschikte membranen voor iedere toepassing op een efficiënte manier ontwikkeld worden. Daartoe moeten duidelijke relaties worden opgesteld tussen membraan synthese, structuur en scheidingsprestatie (SSP's). Dit kan alleen worden gerealiseerd door een beter begrip van de structuur, werking en het vormingsmechanisme van PA. Echter de ontwikkeling van SSPs wordt bemoeilijkt door de kleine afmetingen van de PA-laag (nanometerschaal) en de hoge vormingssnelheid (tijdens interfaciale polymerisatie (IP)). Daarom zijn innovatieve onderzoeksmethoden en meettechnieken nodig om gedetailleerde post-synthese en in-situ (d.w.z. real-time tijdens IP) karakterisering mogelijk te maken.

Met het oog op rationeel membraanontwerp voor waterzuivering richtte dit proefschrift zich op het vergroten van de kennis van IP om SSP's van PA TFC-membranen vast te stellen.

Hoofdstuk 1 is een inleiding tot PA TFC-membranen, IP, fluorescentiemicroscopie en microfluïdica. De noodzaak van SSP's en de sleutelrol van in-situ karakterisatie bij het opstellen ervan worden besproken. In hoofdstuk 2 werd een theoretisch kader ontwikkeld dat de relatie tussen de synthesecondities en de algemene vorm van PA beschrijft. Twee variabelen werden geïntroduceerd de vorm van PA bepalen. Een breed scala van syntheseparameters werd vervolgens geïnterpreteerd op basis van deze twee variabelen. Voorspellingen met betrekking tot de PA vorm gemaakt met ons theoretisch kader, komen overeen met uitgebreide literatuuranalyse. Hoofdstuk 3 onderzoekt de simultane invloed van monomeer concentraties en zes organische oplosmiddelen op de eigenschappen en scheidingsprestaties van het membraan. Met behulp van de resultaten werden twee nieuwe variabelen van de SSP’s geïntroduceerd die de monomeeraanvoer beschrijven. Kwalitatieve synthese-scheidingsprestatie relaties konden geformuleerd worden door analyse van de zelf-gegenereerde dataset aangevuld met een rigoureuze analyse van literatuurgegevens .

In het tweede deel van het proefschrift werden methoden ontwikkeld voor in-situ karakterisatie van IP. Om snelle, gedetailleerde en selectieve real-time metingen van IP mogelijk te maken, werd fluorescentiemicroscopie toegepast. Bovendien werd fluorescentiemicroscopie gecombineerd met een microfluïdische reactor zodat scheidingsprestaties eveneens beoordeeld konden worden. De optimalisatiestudie van het ontwerp van de microfluïdische reactor en het operationele protocol (hoofdstuk 4) benadrukte dat de volgende eigenschappen het belangrijkste zijn voor succesvolle IP in een microfluidische reactor: een stabiele vloeistof-lucht interface voorafgaand aan IP en gescheiden afvoer van beide monomeerstromen uit de reactor. Hierdoor blijft de interface tijdens IP stabiel om in-situ metingen mogelijk te maken en kunnen na IP filtratie-experimenten worden uitgevoerd in de reactor. Hoofdstuk 5 introduceert een eenvoudige, op druppels gebaseerde in-situ methode. Aanvankelijk werden zes fluorescerende kleurstoffen geselecteerd om de temperatuur, de pH en de monomeerreactie te meten, alsmede twee referentiekleurstoffen. Uit de analyse van de referentie-experimenten blijkt echter dat interacties optreden tussen bepaalde kleurstoffen en de solventen of de monomeren. Met de compatibele kleurstoffen konden de pH en de verdichting van de PA-film in real-time worden gemeten. Met behulp van deze methode werd afgeleid dat onmiddellijk na de start van IP, de pH daalde en moleculen werden verhinderd om naar de organische fase te gaan. Toch heeft de film 30-40 s nodig om volledig te groeien. Vervolgens werd in-situ karakterisatie van de gevormde film gerealiseerd door fluorescentiemicroscopie te combineren met microfluïdica (ontwikkeld in hoofdstuk 4). Op deze manier konden real-time gegevens worden gecombineerd met scheidingsprestatiegegevens om een mechanistische verklaring voor de SSP op te stellen in functie van veranderede TMC concentratie.

Dit proefschrift draagt bij aan het gebied van de membraankunde door de kennis van SSP's van PA-gebaseerde films, bereid via IP, te verdiepen. Het doet dit door de basis te leggen voor een kader voor de synthese-morfologie relatie, door twee nieuwe parameters te introduceren om de synthese-prestatie relatie te beoordelen met betrekking tot monomeerconcentraties en type oplosmiddel en door nieuwe methoden te ontwikkelen voor real-time monitoring van IP met behulp van fluorescentiemicroscopie (gecombineerd met microfluïdica).