CZ30614U1 - A membrane module containing membranes in the form of hollow fibres of polyethersulfone surface-enriched with silver nanoparticles - Google Patents
A membrane module containing membranes in the form of hollow fibres of polyethersulfone surface-enriched with silver nanoparticles Download PDFInfo
- Publication number
- CZ30614U1 CZ30614U1 CZ2016-33204U CZ201633204U CZ30614U1 CZ 30614 U1 CZ30614 U1 CZ 30614U1 CZ 201633204 U CZ201633204 U CZ 201633204U CZ 30614 U1 CZ30614 U1 CZ 30614U1
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- membrane
- membranes
- silver
- pes
- silver nanoparticles
- Prior art date
Links
Landscapes
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Description
Oblast technikyTechnical field
Technické řešení se týká oblasti membránových modulů vhodných pro použití při filtraci vody s obsahem mikroorganismů, např. při filtraci povrchových či odpadních vod, konkrétně membránových modulů obsahujících membrány ve formě dutých vláken z polyethersulfonu povrchově obohacených o nanočástice stříbra.The invention relates to the field of membrane modules suitable for use in the filtration of water containing microorganisms, e.g. in the filtration of surface water or waste water, in particular membrane modules containing membranes in the form of hollow fibers of polyethersulfone surface enriched with silver nanoparticles.
Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION
Membrány se v současné době používají v celé řadě odvětví, například při zpracování technologických kapalin, pitné, mořské, užitkové a odpadní vody.Membranes are currently used in a wide range of industries, for example in the processing of process fluids, drinking, sea, service and waste water.
Jedním ze zásadních problémů spojených s používáním membrán je zanášení membránového povrchu, které představuje největší omezení membránových technologií. Nejen při filtraci biologicky kontaminované vody (povrchové či odpadní), ale napříč všemi aplikačními směry membránových technologií dochází k tomuto negativnímu jevu. Zanášení membránového povrchu je přitom způsobeno vzájemnou interakcí mezi povrchem membrány a složkami biologického, organického i anorganického původu přítomnými ve filtrované suspenzi. Zanášení membránového povrchu vede k poklesu permeability (průtoku jednotkovou plochou membrány vztaženému na gradient tlaku nutný pro filtraci). Tato skutečnost následně vede ke snížení ekonomické efektivnosti membránových procesů, jednak vlivem zvyšování provozních nákladů (zvyšování tlaku, menší množství přefiltrované vody - nutnost větší plochy membrán, větší nádrže aj.) a jednak potřebou častějšího chemického čištění membrán za účelem odstranění fixovaného znečištění.One of the major problems associated with the use of membranes is clogging of the membrane surface, which represents the greatest limitation of membrane technology. This is a negative phenomenon not only in the filtration of biologically contaminated water (surface or waste water), but across all application directions of membrane technologies. The fouling of the membrane surface is caused by the interaction between the membrane surface and the components of biological, organic and inorganic origin present in the filtered suspension. Clogging of the membrane surface results in a decrease in permeability (flow rate per unit area of the membrane relative to the pressure gradient required for filtration). This in turn leads to a decrease in the economic efficiency of the membrane processes, both due to increased operating costs (pressure increase, less filtered water - the need for larger membrane areas, larger tanks, etc.) and the need for more frequent chemical cleaning of membranes to remove fixed contamination.
Dva v současné době nej běžnější polymery používané pro výrobu membrán vhodných pro aplikace při filtracích vod s obsahem mikroorganismů jsou polyethersulfon (PES) a polyvinyldifluorid (PVDF). Pro tyto aplikace jsou membrány vyráběny ve dvou základních prostorových konfiguracích. Jedná se o tzv. dutá vlákna a deskové (ploché) membrány, přičemž PES se v současné době používá výhradně pro výrobu deskových membrán a PVDF pro výrobu membrán ve formě dutých vláken (Dvořák et al., 2015; Judd, 2011). Každá konfigurace má své výhody a nevýhody a její volba závisí na konkrétních podmínkách dané aplikace. Hlavní výhodou membrán ve formě dutých vláken oproti deskové konfiguraci je především vysoký specifický povrch, tj. povrch membrány vztažený na její objem (či objem celého membránového modulu) a dále možnost intenzivnějšího čištění pomocí tzv. zpětného proplachu. Ten je u tohoto typu membrány pravidelně aplikován za účelem odstranění některých složek ulpělých na povrchu a zodpovědných za pokles hydraulického výkonu membrány.The two most commonly used polymers currently used to produce membranes suitable for microorganism filtration applications are polyethersulfone (PES) and polyvinyldifluoride (PVDF). For these applications, the membranes are manufactured in two basic spatial configurations. These are hollow fibers and plate (flat) membranes, and PES is currently used exclusively for the production of plate membranes and PVDF for the production of hollow fiber membranes (Dvořák et al., 2015; Judd, 2011). Each configuration has its advantages and disadvantages and its choice depends on the specific conditions of the application. The main advantage of membranes in the form of hollow fibers compared to the plate configuration is mainly a high specific surface, ie the surface of the membrane in relation to its volume (or volume of the whole membrane module) and further the possibility of more intensive cleaning by so called backwashing. In this type of membrane, it is regularly applied in order to remove some of the components adhering to the surface and responsible for decreasing the hydraulic performance of the membrane.
Výhodou PES je jeho vysoká tepelná a rozměrová stálost i chemická odolnost, zejména vůči působení roztoků hydroxidů, což je v některých případech významná výhoda (Peters et al., 2000). Navíc se jedná o polární materiál (Branco et al., 2002) a může být tedy snadno modifikován prostřednictvím nejrůznějších metod Pearce et al., 2007). Naproti tomu PVDF vykazuje ve srovnání s PES vyšší odolnost vůči působení mnoha kyselin a oxidantů, včetně vysokých koncentrací sloučenin chlóru (Wu et al., 2010). Ačkoliv membrány ve formě dutých vláken vyrobené z PES nabízejí nesporné výhody, výrobců dodávajících tyto komerční mikrofiltraění/ultrafiltrační membrány je na trhu minimum.The advantage of PES is its high thermal and dimensional stability and chemical resistance, in particular to the action of hydroxide solutions, which is a significant advantage in some cases (Peters et al., 2000). Moreover, it is a polar material (Branco et al., 2002) and can thus be easily modified by a variety of methods (Pearce et al., 2007). In contrast, PVDF exhibits higher resistance to many acids and oxidants, including high concentrations of chlorine compounds, compared to PES (Wu et al., 2010). Although hollow fiber membranes made of PES offer indisputable advantages, manufacturers supplying these commercial microfiltration / ultrafiltration membranes are minimal on the market.
Doposud byla vyvíjena a testována řada metod povrchové modifikace PES membrán. Jelikož PES je materiál: hydrofobní povahy s relativně nízkou povrchovou energií a vysokým kontaktním úhlem (všechny uvedené faktory zvyšují tendenci k zanášení membránového povrchu a snižují hydraulický výkon membrány), cílem modifikačních metod je vytvořit více polární, tedy méně hydrofobní povrch, a tím minimalizovat zanášení membránového povrchu. Doposud testované metody povrchové modifikace PES membrán lze rozdělit celkem do 6 hlavních skupin: metoda „obalovací“ neboli také „nanášecí“ (coating), metoda míchací (blending), metoda kompozitní, chemická metoda, metoda roubování (grafting) a metody kombinované.Many methods of surface modification of PES membranes have been developed and tested. Since PES is a material: hydrophobic in nature with relatively low surface energy and a high contact angle (all these factors increase the tendency to clog the membrane surface and reduce the hydraulic performance of the membrane), the modification methods aim to create a more polar, less hydrophobic surface thereby minimizing clogging membrane surface. The methods of surface modification of PES membranes tested so far can be divided into 6 main groups: the method of coating, blending method, composite method, chemical method, grafting method and combined methods.
-1 CZ 30614 U1-1 CZ 30614 U1
Při metodě „nanášecí“ jsou z vhodného materiálu tvořeny slabé vrstvy, které jsou následně nekovalentně navázány na povrch původní membrány. Za tímto účelem jsou používány nej různější přístupy a podmínky, které je možné dále dělit (zpravidla do dalších několika podskupin) (Nady et al., 2011). Jako příklad vhodného materiálu používaného pro modifikaci prostřednictvím „nanášecí“ metody lze zmínit nejrůznější organické látky, např. polyetylén glykol diakrylát či sulfonovaný poly(2,6-dimethyl-l,4-fenylenoxid) (Hamza et al., 1997; Mu and Zhao, 2009).In the application method, thin layers are formed from a suitable material, which are then non-covalently bound to the surface of the original membrane. For this purpose, various approaches and conditions are used which can be further subdivided (usually into several subgroups) (Nady et al., 2011). As an example of a suitable material used for modification by the " deposition " method, a variety of organic substances can be mentioned, such as polyethylene glycol diacrylate or sulfonated poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) (Hamza et al., 1997; Mu and Zhao) (2009).
Při metodě míchací jsou dva a více polymery fyzikálně míchány za účelem zisku požadovaných vlastností. K základnímu polymeru PES jsou přidány organické látky jako např. polyetylenglykol, polyvinylpyrrolidon, acetát celulózy, ftalát acetát celulózy (Idrisa et al., 2007; Marchese et al., 2003, Lu et al., 2007; Rahimpour and Madaeni, 2007) a další složité organické sloučeniny (např. n-butyl methylakrylát (Su et al., 2008).In the blending method, two or more polymers are physically blended to obtain the desired properties. Organic substances such as polyethylene glycol, polyvinylpyrrolidone, cellulose acetate, cellulose acetate phthalate are added to the PES base polymer (Idrisa et al., 2007; Marchese et al., 2003; Lu et al., 2007; Rahimpour and Madaeni, 2007) and other complex organic compounds (eg n-butyl methyl acrylate (Su et al., 2008)).
Metoda kompozitní je založena na principu přípravy materiálu, který je složen ze dvou či více materiálů s rozdílnými fyzikálními a/nebo chemickými vlastnostmi. Materiály zůstávají oddělené i na makroskopické úrovni jasně patrné ve finální struktuře modifikované membrány. Jako příklad lze uvést roztok Ν,Ο-karboxymetyl chitosanu, do kterého byla ponořena PES membrána a zašito vána společně s glutaraldehydem (Zhao et al., 2003).The composite method is based on the principle of preparing a material that is composed of two or more materials with different physical and / or chemical properties. The materials remain separated, even at the macroscopic level, clearly visible in the final structure of the modified membrane. As an example, a solution of Ν, Ο-carboxymethyl chitosan in which the PES membrane has been immersed and sewn together with glutaraldehyde (Zhao et al., 2003).
Metoda chemická je založena na principu modifikace původního materiálu prostřednictvím nejrůznějších chemických činidel a reakcí, které vedou k tvorbě nových funkčních skupin generovaných přímo na povrchu původní membrány. Hlavní nevýhodou chemických metod modifikace je však skutečnost, že chemická činidla vedou k částečné blokaci pórů membrány, a tedy k nižším hydraulickým výkonům modifikovaných membrán (Nady et al., 2011). Rovněž možnost řídit průběh samotné reakce je mnohdy značně komplikovaná. Proto jsou v některých případech využívány modifikace prostřednictvím chemických činidel a reakcí již během přípravy membrány. To však může mít negativní vliv na samotný proces přípravy membrány, zejména membrány ve formě dutých vláken.The chemical method is based on the principle of modification of the original material by various chemical agents and reactions, which lead to the formation of new functional groups generated directly on the surface of the original membrane. However, the main disadvantage of chemical modification methods is that chemical agents lead to partial blockage of membrane pores and thus to lower hydraulic performance of modified membranes (Nady et al., 2011). Also, the possibility to control the course of the reaction itself is often very complicated. Therefore, in some cases, modifications through chemical reagents and reactions are already utilized during membrane preparation. However, this can have a negative effect on the membrane preparation process itself, especially the hollow fiber membrane.
Metoda roubování vede ke kovalentnímu navázání vhodných monomerů na původní povrch membrány. Aby došlo k navázání monomerů, je nutné reakci nejprve iniciovat, k čemuž se využívá opět několik způsobů: chemický, fotochemický a/nebo využití vysokoenergetické radiace, plazmatu či prostřednictvím enzymů. Volba konkrétního monomeru a iniciační metody je závislá na chemické struktuře membrány a požadovaných charakteristikách membránového povrchu po jeho modifikaci. Opět se však jedná o komplexní reakce, jejichž průběh musí být přesně a složitě kontrolován.The grafting method results in covalent attachment of suitable monomers to the original membrane surface. In order to bind the monomers, the reaction must first be initiated, again using several methods: chemical, photochemical and / or utilizing high energy radiation, plasma or enzymes. The choice of a particular monomer and initiation method is dependent upon the chemical structure of the membrane and the desired characteristics of the membrane surface after modification. Again, however, these are complex reactions, the course of which must be controlled accurately and complicatedly.
Poslední možností jsou kombinace výše uvedených technik, tedy např. míchání vhodného roztoku a následné „naroubování“ specifických složek na povrch membrány. Např. Bae et al. (2006) vystavili komerční PES membránu působení sulfonační reakce a následně ji ponořili do roztoku oxidu titaničitého. Tím došlo k vytvoření nových funkčních skupin na povrchu původní membrány. Takto modifikovaná membrána vykazovala nižší tendenci k zanášení než membrána nemodifikovaná. Jako další příklad kombinované metody lze uvést použití grafenoxidu. Na PES membrány byly nejprve pomocí iniciace UV zářením naroubovány allylaminy a následně přichycen právě grafenoxid (Igbinigun et al., 2016).The last option is a combination of the above techniques, eg mixing a suitable solution and then "grafting" specific components onto the membrane surface. E.g. Bae et al. (2006) exposed the commercial PES membrane to a sulfonation reaction and then immersed it in a titanium dioxide solution. This created new functional groups on the surface of the original membrane. The membrane thus modified showed a lower tendency to fouling than the unmodified membrane. Another example of a combined method is the use of graphene oxide. First, allylamines were grafted onto the PES membranes by UV initiation and subsequently grafted onto graphene oxide (Igbinigun et al., 2016).
Pro povrchovou modifikaci PES ultrafiltračních či mikro filtračních membrán tedy jsou ve většině případů použity organické sloučeniny a nej různější procesní podmínky, mnohdy s nezbytnou energeticky náročnou iniciací. Pokud jsou pro modifikace PES membrán použity anorganické látky, jedná se např. o oxid titaničitý, křemíkové částice, oxidy hliníku či stříbro. Tyto sloučeniny/částice jsou však inkorporovány do základního polymeru (či směsi) již před vlastní přípravou membrány. Nejedná se tedy o povrchovou modifikaci, respektive o dodatečnou modifikaci již vyrobené membrány. Ačkoliv přídavek výše uvedených složek může vést k požadovaným vlastnostem finálního membránového povrchu, modifikace základní polymemí matrice může negativním způsobem ovlivnit přípravu PES membrány do podoby dutého vlákna. I z tohoto důvodu se většina studií věnovala přípravě membrán z takto modifikovaných matric v deskové (ploché) konfiguraci.Thus, in most cases organic compounds and the most diverse process conditions, often with the necessary energy-intensive initiation, are used for surface modification of PES ultrafiltration or micro filtration membranes. If inorganic substances are used for modification of PES membranes, these are for example titanium dioxide, silicon particles, aluminum oxides or silver. However, these compounds / particles are incorporated into the base polymer (or blend) prior to membrane preparation. Thus, it is not a surface modification or an additional modification of an already manufactured membrane. Although the addition of the above components may lead to the desired properties of the final membrane surface, modification of the base polymer matrix may negatively affect the preparation of the PES membrane as a hollow fiber. For this reason, most studies have been devoted to the preparation of membranes from such modified matrices in a plate (flat) configuration.
-2 CZ 30614 Ul-2 CZ 30614 Ul
V oboru tedy existuje zřejmá poptávka po dalších řešeních, která by jednak splňovala podmínku výrazně zlepšených povrchových vlastností membrán a jejich permeability a která by byla relativně snadno uskutečnitelná, a to za příhodných ekonomických podmínek.Thus, there is a clear demand in the art for other solutions which both meet the condition of significantly improved surface properties of the membranes and their permeability and which are relatively easy to implement, under favorable economic conditions.
Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution
Původci předloženého technického řešení nyní neočekávaně zjistili, že k výrazné eliminaci výše uvedených problémů vede membránový modul obsahující jednu či více membrán ve formě dutých vláken z polyethersulfonu povrchově obohacených o nanočástice stříbra.The present inventors have now unexpectedly found that a membrane module comprising one or more membranes in the form of hollow fibers of polyethersulfone surface-enriched with silver nanoparticles results in a significant elimination of the above problems.
Membránový modul obsahuje jednu či více membrán ve formě dutých vláken vyrobených z polyethersulfonu (PES). Vnější průměr vláken je typicky okolo 1 až 2 mm a lineární vlákna jsou lineárně uspořádána v modulu o průměru několik cm. Jsou ale možné i jiné rozměry v závislosti na uvažované aplikaci.The membrane module comprises one or more membranes in the form of hollow fibers made of polyethersulfone (PES). The outer diameter of the fibers is typically about 1 to 2 mm and the linear fibers are linearly arranged in a module having a diameter of several cm. However, other dimensions are possible depending on the intended application.
Membrána ve formě dutých vláken vyrobených z polyethersulfonu (PES) se následně obohatí o nanočástice stříbra, které jsou generované in sítu na jejím povrchu, a to působením roztoku sloučeniny stříbra a redukčního činidla na membránu za vhodných procesních podmínek. Tímto působením dojde k povrchovému obohacení membrány o nanočástice stříbra, tj. k přítomnosti nanoěástic fixovaných na povrchu membrány, ale též k přítomnosti nanočástic stříbra uvnitř vrchní vrstvy polymemí matrice membrány. Nanočástice stříbra jsou homogenně distribuovány na celém povrchu membrány a netvoří aglomeráty.The hollow fiber membrane made of polyethersulfone (PES) is then enriched with silver nanoparticles that are generated in situ on its surface by treating the membrane with a silver compound solution and reducing agent under suitable process conditions. This effect results in surface enrichment of the membrane with silver nanoparticles, i.e. the presence of nanoparticles fixed on the membrane surface, but also in the presence of silver nanoparticles inside the top layer of the polymer matrix of the membrane. Silver nanoparticles are homogeneously distributed over the entire membrane surface and do not form agglomerates.
Pro popisovanou modifikaci membránového povrchu nejsou nutná žádná toxická ěi jinak nebezpečná činidla ani vysoké iniciační energie jako u některých metod povrchové modifikace zmíněných v kapitole Dosavadní stav techniky.No toxic or otherwise hazardous reagents or high initiation energies are required for the described membrane surface modification, as with some of the surface modification methods mentioned in the Prior Art chapter.
Přítomnost nanočástic stříbra na povrchu modifikované membrány lze prokázat pokročilými mikroskopickými technikami a také EDS analýzou, kterou lze rovněž stanovit obsah nanočástic stříbra na povrchu membrány.The presence of silver nanoparticles on the surface of the modified membrane can be demonstrated by advanced microscopic techniques as well as by EDS analysis, which can also determine the content of silver nanoparticles on the membrane surface.
Výhodně povrch membrány obsahuje 1 až 5 % hmotn. nanočástic stříbra, vztaženo na celkovou hmotnost všech prvků přítomných na povrchu.Preferably, the membrane surface comprises 1 to 5 wt. of nanoparticles of silver, based on the total weight of all elements present on the surface.
Ještě výhodněji povrch membrány obsahuje 2 až 4 % hmotn. nanočástic stříbra, vztaženo na celkovou hmotnost všech prvků přítomných na povrchu.Even more preferably, the membrane surface comprises 2 to 4 wt. of nanoparticles of silver, based on the total weight of all elements present on the surface.
Nejvýhodněji povrch membrány obsahuje 3 až 4 % hmotn. nanočástic stříbra, vztaženo na celkovou hmotnost všech prvků přítomných na povrchu.Most preferably, the membrane surface comprises 3 to 4 wt. of nanoparticles of silver, based on the total weight of all elements present on the surface.
V rámci jednoho výhodného provedení je membránovým modulem trubkový modul tvořený membránami ve formě dutých vláken.In one preferred embodiment, the membrane module is a tubular module formed of hollow fiber membranes.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Obrázek 1 představuje porovnání spekter (EDS analýza povrchu) prokazující přítomnost stříbra na povrchu modifikované membrány.Figure 1 represents a comparison of spectra (EDS surface analysis) demonstrating the presence of silver on the surface of the modified membrane.
Obrázek 2 vyjadřuje hydraulický výkon (flux) membrány z dutých vláken povrchově obohacených o nanočástice stříbra a totožné membrány před provedenou modifikací v závislosti na aplikovaném transmembránovém tlaku (TMP) během filtrace destilované vody.Figure 2 shows the hydraulic power (flux) of a hollow fiber membrane enriched with silver nanoparticles and an identical membrane prior to modification as a function of the applied transmembrane pressure (TMP) during distilled water filtration.
Obrázek 3 představuje časový vývoj hodnot permeabilit (K) vztažený na počáteční hodnotu permeability dané membrány (Ko) během filtrace biologicky kontaminované vody.Figure 3 shows the time evolution of permeability (K) values relative to the initial permeability value of a given membrane (K o ) during filtration of biologically contaminated water.
Obrázek 4 představuje procentuální rozdíl hodnot permeabilit modifikované membrány (dK) vůči referenční membráně (KREF) během filtrace biologicky kontaminované vody.Figure 4 represents the percentage difference of modified membrane permeability (dK) versus reference membrane (KREF) values during filtration of biologically contaminated water.
Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions
Rozumí se, že níže popsané příklady provedení technického řešení slouží pouze pro ilustraci a nemají za cíl.omezit technické řešení na tyto příklady. Odborník v daném oboru bude samozře-3CZ 30614 Ul jmě schopen za pomoci rutinního experimentování připravit ekvivalenty ke specifickým provedením technického řešení popsaným v tomto dokumentu. I tyto ekvivalenty jsou přitom zahrnuty do rozsahu ochrany vymezeného následujícími nároky na ochranu.It is to be understood that the examples described below are for illustrative purposes only and are not intended to limit the invention to these examples. Of course, one of ordinary skill in the art will be able to prepare equivalents to the specific embodiments described herein by routine experimentation. These equivalents are also included in the scope of protection defined by the following protection claims.
Příklad 1Example 1
Níže uvedeným způsobem byla připravena modifikovaná membrána ve formě dutých vláken vyrobených z polyethersulfonu (PES).A modified membrane in the form of hollow fibers made of polyethersulfone (PES) was prepared as follows.
Membrána ve formě dutých vláken z PES byla ponořena do 3,5 % hmotn. roztoku dusičnanu stříbrného (AgNO3) a v tomto roztoku byla loužena 4 h při laboratorní teplotě a za neustálého pomalého (0,2 l.min’1) proudění roztoku přímo v membránovém modulu. Následně byla membrána třikrát intenzivně opláchnuta destilovanou vodou. Redukce stříbra (in-situ geneze nanočástic stříbra) bylo dosaženo následným zapuštěním membrány 2 % hmotn. roztokem kyseliny askorbové (C6H8O6). Redukce stříbra probíhala po dobu 2 hodin. Poté byla membrána opět třikrát intenzivně opláchnuta destilovanou vodou. Následovalo zapuštění membrány čistou destilovanou vodou, zahřátí na 60 °C po dobu 2 hodin a neustálá recirkulace teplé vody v membránovém modulu. Poté byly membrány opláchnuty destilovanou vodou o laboratorní teplotě.The PES hollow fiber membrane was immersed in 3.5 wt. solution of silver nitrate (AgNO 3 ) and leached in this solution for 4 hours at room temperature and under continuous slow (0.2 l.min -1 ) flow of the solution directly in the membrane module. Subsequently, the membrane was rinsed intensively with distilled water three times. Silver reduction (in-situ genesis of silver nanoparticles) was achieved by subsequent embedding of the membrane with 2 wt. solution of ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ). The silver reduction was carried out for 2 hours. Then the membrane was again rinsed intensively with distilled water three times. This was followed by embedding the membrane with pure distilled water, heating to 60 ° C for 2 hours, and continuously recirculating the hot water in the membrane module. The membranes were then rinsed with distilled water at room temperature.
Příklad 2Example 2
K prokázání přítomnosti stříbra na povrchu modifikované membrány bylo provedeno porovnání spekter (EDS analýza), přičemž příslušný graf je vyjádřen na obrázku 1.A spectra comparison (EDS analysis) was performed to demonstrate the presence of silver on the surface of the modified membrane, with the corresponding graph being shown in Figure 1.
Zastoupení jednotlivých prvků na povrchu referenční membrány je znázorněno v tabulce 1.The representation of the individual elements on the surface of the reference membrane is shown in Table 1.
Zastoupení jednotlivých prvků na povrchu modifikované membrány připravené dle příkladu 1 je znázorněno v tabulce 2.The representation of the individual elements on the surface of the modified membrane prepared according to Example 1 is shown in Table 2.
Tabulka 1: Zastoupení jednotlivých prvků na povrchu referenční membrány.Table 1: Representation of individual elements on the surface of the reference membrane.
Tabulka 2: Zastoupení jednotlivých prvků na povrchu modifikované membrány.Table 2: Representation of individual elements on the surface of modified membrane.
Příklad 3Example 3
Byly změřeny průměrné kontaktní úhly (6 měření pro jednu hodnotu) modifikované membrány připravené podle příkladu 1 a referenční membrány. Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce 3.The average contact angles (6 measurements per value) of the modified membrane prepared according to Example 1 and the reference membrane were measured. The measurement results are shown in Table 3.
-4CZ 30614 Ul-4GB 30614 Ul
Tabulka 3. Průměrné hodnoty kontaktních úhlů modifikované a referenční membrány.Table 3. Mean values of contact angles of modified and reference membranes.
Modifikovaná membrána vykazovala mírně vyšší hydrofilitu povrchu v porovnání s membránou referenční, což je způsobeno přítomnosti nanočástic stříbra na povrchu této membrány.The modified membrane showed slightly higher surface hydrophilicity compared to the reference membrane, due to the presence of silver nanoparticles on the surface of the membrane.
Příklad 4Example 4
Byly provedeny filtrační testy s destilovanou vodou za různých transmembránových tlaků (TMP) a ustálených provozních podmínek, tj. konstantní TMP a konstantní hodnota tzv. cross-flow rychlosti. Cílem bylo zjistit stabilitu hodnot permeabilit (normovaný hydraulický výkon) za různých TMP, tedy vliv modifikace na hydraulické charakteristiky membrány. Z obrázku 2 je patrné, že provedená modifikace nevedla ke zhoršení hodnot permeabilit membrány připravené dle příkladu 1. Průměrné hodnoty fluxu (hydraulického výkonu) za různých TMP zjištěné pro modifikovanou membránu z dutých vláken povrchově obohacených o nanočástice stříbra a pro membránu neobohacenou byly téměř totožné.Filtration tests were performed with distilled water at various transmembrane pressures (TMP) and steady-state operating conditions, ie constant TMP and constant cross-flow rate. The aim was to determine the stability of permeability values (normalized hydraulic power) under different TMP, ie the effect of modification on the membrane hydraulic characteristics. It can be seen from Figure 2 that the modification did not lead to a deterioration in the permeability values of the membrane prepared according to Example 1. The average flux values at different TMPs found for the modified hollow fiber membrane enriched with silver nanoparticles and for the non-enriched membrane were almost identical.
Příklad 5Example 5
Byly provedeny filtrační testy se širokospektrálními konsorcii mikroorganismů. Jako nátok na membrány byl ve filtračním testu použit odtok z komunální čistírny odpadních vod. Filtrační test byl proveden za konstantní hodnoty TMP (0,15 bar) a při hodnotě cross-flow rychlosti udržované v rozmezí 0,9 až 1,1 l.min1. Test byl proveden za totožných podmínek s modifikovanou i referenční membránou za následujícího procesního protokolu: 24 h filtrace (TMP = 0,15 bar), lOminutový reverzní tok membránovým modulem (tj. opačný směr nátoku do membránového modulu) filtrátem při konstantním průtoku filtrátu 2 Emin'1.Filter tests were performed with broad-spectrum consortia of microorganisms. The outflow from the municipal sewage treatment plant was used as an inlet to the membranes. The filtration test was performed at a constant TMP (0.15 bar) and a cross-flow rate maintained between 0.9 and 1.1 l.min 1 . The test was performed under identical conditions with both the modified and reference membranes under the following process protocol: 24 h filtration (TMP = 0.15 bar), 10 min reverse flow through the membrane module (ie opposite direction of inflow to membrane module) through the filtrate at a constant filtrate flow of 2 Emin ' 1 .
Výsledky'jsou uvedeny na obrázku 3. V případě modifikované membrány z dutých vláken povrchově obohacených o nanočástice stříbra připravené podle příkladu 1 je patrný rychlý nárůst hodnot permeabilit v průběhu filtrace. To indikuje, že složky způsobující zanášení nebyly na povrchu modifikované membrány pevně fixovány a docházelo k jejich uvolňování a vymývání z modulu, na rozdíl od membrány referenční.The results are shown in Figure 3. In the case of a modified hollow fiber membrane surface enriched with silver nanoparticles prepared according to Example 1, a rapid increase in permeability values during filtration is seen. This indicates that the fouling components were not firmly fixed on the surface of the modified membrane and were released and eluted from the module, unlike the reference membrane.
Modifikovaná membrána navíc rychle dosáhla vyšších hodnot permeabilit než membrána referenční. Rovněž po provedeném reverzním toku (po 24 h testu) bylo pozorováno jednoznačně vyšší obnovení hodnot permeabilit, které v případě modifikované membrány bylo vyšší než původní hodnoty. V dalším průběhu testu se již hodnoty permeability modifikované membrány pohybovaly o přibližně 10 % výše než v případě membrány referenční.In addition, the modified membrane rapidly reached higher permeability values than the reference membrane. Also after reversed flux (after 24 h test) a clearly higher recovery of permeability values was observed, which in case of modified membrane was higher than original values. In the further course of the test, the permeability values of the modified membrane were already about 10% higher than in the case of the reference membrane.
Obrázek 4 znázorňuje procentuální rozdíl (zvýšení) hodnot permeabilit modifikované membrány vztažený vůči hodnotám permeabilit referenční membrány.Figure 4 shows the percentage difference (increase) of modified membrane permeability values relative to reference membrane permeability values.
Příklad 6Example 6
Byly provedeny testy permeability s destilovanou vodou před zahájením testu a po skončení filtračního testu s odtokem z čistírny odpadních vod. Pokles permeabilit vyjadřuje, jakou měrou se na povrchu membrány zachytily složky podílející se na procesu zanášení. Výsledky těchto testů jsou zaznamenány v Tabulce 4.Permeability tests with distilled water were performed before and after the test with a wastewater treatment effluent. The decrease in permeability expresses the extent to which the components involved in the fouling process are trapped on the membrane surface. The results of these tests are shown in Table 4.
Tabulka 4. Hodnoty permeability (K) modifikované membrána (dle příkladu 1) a referenční membrány naměřené během filtrace destilované vody před a po skončení filtračního testu s odtokem z čistírny odpadních vod, včetně procentuálního poklesu.Table 4. Modified membrane permeability (K) values (according to Example 1) and reference membranes measured during distilled water filtration before and after the end of the wastewater treatment effluent filtration test, including percent decrease.
MembránaMembrane
K před testem K po testu Pokles [l-m^-M-bar1] [l-m^-h^-bar4] [%]K before test K after test Drop [1m ^ -M-bar 1 ] [1m ^ -h ^ -bar 4 ] [%]
-5CZ 30614 U1-5GB 30614 U1
Separační schopnosti membrán, resp. retence organických látek (vyjádřených parametrem chemické spotřeby kyslíku - CHSKCr), nebyly provedenou modifikací negativně ovlivněny. Retence organických látek (CHSKcr) dosahovala v případě modifikované membrány 31 %, v případě referenční 28 %.Separation ability of membranes, resp. retention of organic compounds (expressed as chemical oxygen consumption parameter - COD Cr ) were not negatively affected by the modification. Organic retention (CODc r ) was 31% for the modified membrane and 28% for the reference membrane.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Membránové moduly obsahující jednu nebo více membrán ve formě dutých vláken vyrobených z polyethersulfonu (PES) povrchově obohacených o nanočástice stříbra vykázaly v testu s biologicky kontaminovanou vodou zlepšené tokové vlastnosti a nižší tendenci k zanášení filtračního povrchu než membrána referenční, tj. membrána neobohacená na povrchu o nanočástice stříbra. Navíc nanesení nanočástic stříbra kromě pozitivního vlivu na povrchové vlastnosti membrán neovlivnilo žádné další vlastnosti membrány, tj. nesnížilo její selektivitu (separační schopnosti), neovlivnilo vnitřní strukturu či mechanické vlastnosti.Membrane modules containing one or more hollow fiber membranes made of polyethersulfone (PES) surface enriched with silver nanoparticles showed improved flow properties and a lower tendency to clog the filter surface than the reference membrane, ie the membrane not enriched on the surface in the bio-contaminated water test. silver nanoparticles. Moreover, the deposition of silver nanoparticles in addition to the positive effect on the surface properties of the membranes did not affect any other properties of the membrane, i.e. it did not reduce its selectivity (separation ability), did not affect the internal structure or mechanical properties.
Membránové moduly obsahující jednu nebo více membrán ve formě dutých vláken vyrobených z polyethersulfonu (PES) povrchově obohacených o nanočástice stříbra tak naleznou uplatnění zejména při filtraci vody, včetně vody s obsahem mikroorganismů, tedy např. při filtraci povrchových či odpadních vod.Thus, membrane modules containing one or more hollow fiber membranes made of polyethersulfone (PES) surface enriched with silver nanoparticles will find particular application in the filtration of water, including water containing microorganisms, e.g. in the filtration of surface or waste water.
Seznam literaturyList of literature
Bae T. H., Kim I. C., Tak T. M. (2006). Preparation and characterization of fouling resistant TiO2 self-assembled nanacomposite membranes. Journal of Membrann Science, 275, 1-5.Bae TH, Kim IC, TakTM (2006). Preparation and characterization of TiO 2 self-assembled nanocomposite membranes. Journal of Membrann Science, 275, 1-5.
Basri H., Ismail A. F., Aziz M. (2011). Polyethersulfone (PES)-silver composite UF membrane: effect of silver loading and PVP molecular weight on membrane morphology and antibacterial aktivity. Desalination, 273, 72-80.Basri H., Ismail A.F., Aziz M. (2011). Polyethersulfone (PES) -silver composite UF membrane: effect of silver loading and PVP molecular weight on membrane morphology and antibacterial activity. Desalination, 273, 72-80.
Basri H., Ismail A. F., Aziz M., Nagai K., Matsuura T., Abdullah M. S., Ng B. C. (2010). Silverfilled polyethersulfone membranes for antibacterial applications-effect of PVP and TAP addition on silver dispersion. Desalination, 261, 264-271.Basri H., Ismail A.F., Aziz M., Nagai K., Matsuura T., Abdullah M. S., Ng B. C. (2010). Silverfilled polyethersulfone membranes for antibacterial applications-effect of PVP and TAP addition on silver dispersion. Desalination, 261,264-271.
Branco. L. C., Crespo. J. G., and Afonso. C. A. (2002). Studies on the selective transport of organic compounds by using ionic liquids as novel supported liquid membranes. Chemistry-A European Journal, 8, 3865-3871.Branco. L. C., Crespo. J.G., and Afonso. C.A. (2002). Studies on the selective transport of organic compounds by using ionic liquids as novel supported liquid membranes. Chemistry-A European Journal, 8, 3865-3871.
Cao X., Tang M., Liu F., Nie Y., Zhao C. (2010). Immobilization of silver nanoparticles onto sulfonated polyethersulfone membranes as antibacterial materials. Colloids Surface B, 81, 555562.Cao X., Tang M., Liu F., No Y., Zhao C. (2010). Immobilization of silver nanoparticles onto sulfonated polyethersulfone membranes and as antibacterial materials. Colloids Surface B, 81,555562.
Dvořák. L., Gómez. M., Dolina. J., Čemin. A., (2015). Anaerobic membrane bioreactors-a mini review with emphasis on industrial wastewater treatment: applications, limitations and perspectives. Desalination Water Treatment, 1-15.Dvořák. L., Gómez. M. Dolina. J., Cemin. A. (2015). Anaerobic membrane bioreactors - a mini review with emphasis on industrial wastewater treatment: applications, limitations and perspectives. Desalination Water Treatment, 1-15.
Hamza A., Chowdhury G., Matsuura T., Sourirajan S. (1997). Sulphonated póly (2,6- dimethylphenylene oxide)-polyethersulphone composite membranes: effects of composition of solvent systém, ušed for preparing casting solution, on membrane-surface structure and reverse osmosis performance. Journal of Membrane Science, 129, 55-64.Hamza A., Chowdhury G., Matsuura T., Sourirajan S. (1997). Sulfonated poles (2,6-dimethylphenylene oxide) -polyethersulphone composite membranes: effects of solvent system composition, prepared for casting solution, membrane-surface structure and reverse osmosis performance. Journal of Membrane Science, 129: 55-64.
Idrisa A., Zaina N. M., Noordin Μ. Y. (2007). Synthesis, characterization and performance of asymmetric polyethersulfone (PES) ultrafiltration membranes with polyethylene glycol of differentmolecular weights as additives. Desalination, 207, 324-339.Idrisa A., Zaina N. M., Noordin Μ. Y. (2007). Synthesis, characterization and performance of asymmetric polyethersulfone (PES) ultrafiltration membranes with polyethylene glycol of different molecular weights as additives. Desalination, 207: 324-339.
-6CZ 30614 U1-6GB 30614 U1
Igbinigun E., Fennell Y., Malaisamy R., Jones K. L., Morris V. (2016). Graphene oxide functionalized polyethersulfone membrane to reduce organic fouling. Journal of Membrane Science, 514,518526.Igbinigun E., Fennell Y., Malaisamy R., Jones K. L., Morris V. (2016). Graphene oxide functionalized polyethersulfone membrane to reduce organic fouling. Journal of Membrane Science, 514.518526.
Judd. S. (2011). The MBR book: principles and applications of membrane bioreactors for water and wastewater treatment. Elsevier.Judd. S. (2011). The MBR book: principles and applications of membrane bioreactors for water and wastewater treatment. Elsevier.
Lu S., Zhuang L., Lu J. (2007). Homogeneous blend membrane made from poly(ethersulphone) and poly(vinylpyrrolidone) and its application to water electrolysis. Journal of Membrane Science, 300, 205-210.Lu S., Zhuang L., Lu J. (2007). Homogeneous blend membrane made of poly (etherolphone) and poly (vinylpyrrolidone) and its application to water electrolysis. Journal of Membrane Science, 300, 205-210.
Marchese J., Ponce M., Ochoa N. A., Prádanos P., Palacio L., Hemández A. (2013). Fouling behavior of polyethersulfone UF membranes made with different PVP. Journal of Membrane Science, 211, 1-11.Marchese J., Ponce M., Ochoa N. A., Prádanos P., Palacio L., Hemández A. (2013). Fouling behavior of polyethersulfone UF membranes made with different PVP. Journal of Membrane Science, 211: 1-11.
Maximous N., Nakhla G., Wong K., Wan W. (2010). optimization of A12o3/PES membranes for wastewater filtration. Separation and Purification Technology, 73, 294-301.Maximous N., Nakhla G., Wong K., Wan W. (2010). optimization of A12o3 / PES membranes for wastewater filtration. Separation and Purification Technology, 73,294-301.
Mu L. J., Zhao W. Z. (2009). Hydrophilic modification of polyethersulfone porous membranes via a thermal-induced surface crosslinking approach. Applied Surface Science, 255, 7273-7278.Mu L. J., Zhao W. Z. (2009). Hydrophilic modification of polyethersulfone porous membranes via thermal-induced surface crosslinking approach. Applied Surface Science, 255: 7273-7278.
Nady N., Franssen M.C.R., Zuilhof H., Eldin M.S.M, Boom R., Schroěn K. (2011). Modification methods for poly(arylsulfone) membranes: A mini-review focusing on surface modification. Desalination, 275, 1-9.Nady N., Franssen M. C. R., Zuilhof H., Eldin M. S., Boom R., Schroen K. (2011). Modification methods for poly (arylsulfone) membranes: A mini-review focusing on surface modification. Desalination, 275, 1-9.
Pearce. G. (2007). Introduction to membranes: Membrane selection. Filtration & Separation, 44, 35-37.Pearce. G. (2007). Introduction to membranes: Membrane selection. Filtration & Separation, 44, 35-37.
Peters. E. N., Arisman. R. K. (2000). Engineering Thermoplastics. Elsevier. New York.Peters. E. N., Arisman. R.K. (2000). Engineering Thermoplastics. Elsevier. New York.
Rahimpour A., Madaeni S. S. (2007). Polyethersulfone (PES)/cellulose acetate phthalate (CAP) blend ultrafiltration membranes: preparation, morphology, performance and antifouling properties. Journal of Membrane Science, 305, 299-312.Rahimpour A., Madaeni S. S. (2007). Polyethersulfone (PES) / cellulose acetate phthalate (CAP) blend ultrafiltration membranes: preparation, morphology, performance and antifouling properties. Journal of Membrane Science, 305, 299-312.
Shen J., Ruan H., Wu L., Gao C. (2001). Preparation and characterization of PES-SiO2 organicinorganic composite ultrafiltration membrane for raw water pretreatment. Chemical Engineering Journal, 168, 1272-1278.Shen J., Ruan H., Wu L., Gao C. (2001). Preparation and characterization of PES-SiO 2 organic inorganic composite ultrafiltration membrane for raw water pretreatment. Chemical Engineering Journal, 168, 1272-1278.
Su Y., Li C., Zhao W., Shi Q., Wang H., Jiang Z., Zhu S. (2008). Modification of polyethersulfone ultrafiltration membranes with phosphorylcholine copolymer can remarkably improve the antifouling and permeation properties. Journal of Membrane Science, 322, 171-177.Su Y., Li C., Zhao W., Shi Q., Wang H., Jiang Z., Zhu S. (2008). Modification of polyethersulfone ultrafiltration membranes with phosphorylcholine copolymer can remarkably improve the antifouling and permeation properties. Journal of Membrane Science, 322: 171-177.
Wu. L., Sun. J., & He, C. (2010). Effects of solvent sort. PES and PVP concentration on the properties and morphology of PVDF/PES blend hollow fiber membranes. Journal of Applied Polymer science, 116, 1566-1573.Wu. L., Sun. J., & He, C. (2010). Effects of solvent sort. PES and PVP concentration on properties and morphology of PVDF / PES blend hollow fiber membranes. Journal of Applied Polymer Science, 116, 1566-1573.
Zhao Z. P., Wang W., Wang S. C. (2003). Formation, charged characteristic and BSA adsorption behavior of carboxymethyl chitosan/PES composite MF membrane. Journal of Membrane Science, 217, 151-158.Zhao Z. P., Wang W., Wang S. C. (2003). Formation, charged characteristic and BSA adsorption behavior of carboxymethyl chitosan / PES composite MF membrane. Journal of Membrane Science, 217: 151-158.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2016-33204U CZ30614U1 (en) | 2016-12-20 | 2016-12-20 | A membrane module containing membranes in the form of hollow fibres of polyethersulfone surface-enriched with silver nanoparticles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2016-33204U CZ30614U1 (en) | 2016-12-20 | 2016-12-20 | A membrane module containing membranes in the form of hollow fibres of polyethersulfone surface-enriched with silver nanoparticles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ30614U1 true CZ30614U1 (en) | 2017-05-02 |
Family
ID=58699671
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2016-33204U CZ30614U1 (en) | 2016-12-20 | 2016-12-20 | A membrane module containing membranes in the form of hollow fibres of polyethersulfone surface-enriched with silver nanoparticles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CZ (1) | CZ30614U1 (en) |
-
2016
- 2016-12-20 CZ CZ2016-33204U patent/CZ30614U1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Heidi Lynn et al. | Metal nanoparticle modified polysulfone membranes for use in wastewater treatment: a critical review | |
Ladewig et al. | Fundamentals of membrane bioreactors | |
Ghayeni et al. | Adhesion of waste water bacteria to reverse osmosis membranes | |
Padaki et al. | Membrane technology enhancement in oil–water separation. A review | |
Vatanpour et al. | Hyperbranched polyethylenimine functionalized silica/polysulfone nanocomposite membranes for water purification | |
TWI446956B (en) | Method of improving performance of ultrafiltration or microfiltration membrane processes in backwash water treatment | |
Shan et al. | Natural organic matter fouling behaviors on superwetting nanofiltration membranes | |
Nataraj et al. | Cellulose acetate-coated α-alumina ceramic composite tubular membranes for wastewater treatment | |
Eyvaz et al. | Forward osmosis membranes–a review: Part I | |
Liu et al. | High-hydrophilic and salt rejecting PA-g/co-PVP RO membrane via bionic sand-fixing grass for pharmaceutical wastewater treatment | |
CN106955603B (en) | Surface segregation functionalized anti-pollution polymer separation membrane and preparation method thereof | |
US11235291B2 (en) | Advanced filtration membranes using chitosan and graphene oxide | |
US20170225127A1 (en) | Method of Making Reaction Induced Phase Separation Membranes and Uses Thereof | |
Bagheripour et al. | Preparation of polyvinylchloride nanofiltration membrane: Investigation of the effect of thickness, prior evaporation time and addition of polyethylenglchol as additive on membrane performance and properties | |
Zhang et al. | Efficient metal cutting fluid wastewater separation of polyacrylonitrile ultrafiltration membranes enabled by metal ion cross-linking | |
Liu et al. | New antifouling and antibacterial membrane material for highly selective removal of nitrate and phosphate | |
CN112316748A (en) | Preparation method of antibacterial hollow fiber water purification membrane chromatographic material | |
Kazemi et al. | Microscale parallel-structured, cross-flow filtration system for evaluation and optimization of the filtration performance of hollow-fiber membranes | |
CZ30614U1 (en) | A membrane module containing membranes in the form of hollow fibres of polyethersulfone surface-enriched with silver nanoparticles | |
Gullinkala et al. | Membranes for water treatment applications–an overview | |
Yang et al. | Nanofibrous Kevlar Hydrogel Ultrafiltration Membrane with High Acid Resistance and Antifouling Properties for Wastewater Treatment | |
Van der Bruggen et al. | Nanofiltration of aqueous solutions: recent developments and progresses | |
Zhang et al. | Fouling of nanofiltration membrane by e ffl uent organic matter: Characterization using different organic fractions in wastewater | |
Bian et al. | Preparation, characterization and dyeing wastewater treatment of a new PVDF/PMMA five-bore UF membrane with β-cyclodextrin and additive combinations | |
JP2017018842A (en) | Hydrophilic polymer adsorbent material and water treatment method using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG1K | Utility model registered |
Effective date: 20170502 |
|
MK1K | Utility model expired |
Effective date: 20201220 |