Development of nanofiltration membranes through surface modification of polysulfone based ultrafiltration membranes

Abstract

Stimuli responsive membranes have been used for suppressing fouling and regulating selectivity in different applications. These types of membranes are usually manufactured in thin film composite structure by either polymerizing stimuli-responsive monomer or coating stimuli-responsive polymer on a support. Responsiveness is due to their characteristic features which rely on reversible changes in mass transfer and interfacial properties as a result of changes in external environment such as pH, temperature and ionic strength. In this study, a pentablock copolymer (PBC) which consists of temperature responsive Pluronic F127 (PEO-b-PPO-b-PEO) in the middle block and pH responsive poly(N,N-(diethylamino)ethyl methacrylate) (PDEAEM) in the end blocks was used for designing a new type of thin film composite (TFC) nanofiltration membrane. The support of the composite membrane was prepared from a blend of polysulfone/sulfonated polyethersulfone using nonsolvent induced phase separation and the PBC was attached to the support via electrostatic interaction. The conformation of grafted PBC chains was determined by adsorption studies. The effects of PDEAEM block length, concentration of the copolymer and adsorption time on the adsorbed amount were investigated. Among three copolymer samples investigated (15, 20 and 25 kDa), the 25 kDa PBC displayed the highest responsiveness, thus, rejection properties were determined for the membranes prepared only from this sample. The influences of operation pH and temperature on the structure integrity of the membrane were investigated with pure water permeability measurements and the change in pore size was assessed by determining rejection of neutral solutes by the membranes. The membranes were further characterized with SEM, AFM, contact angle, XPS and zeta potential measurements. It was demonstrated that a new pH and temperature responsive, high flux TFC NF membrane was manufactured.

Dış uyarıcılara tepki veren membranlar, farklı uygulamalarda kirlenmenin önlenmesi ve seçiciliğin düzenlenmesi için kullanılmaktadır. İnce film kompozit membranlar genellikle bir uyarıcıya tepki veren monomerin yüzeyde polimerizasyonu veya uyarıcıya tepki veren bir polimerin yüzeye kaplanması ile üretilmektedir. Dış etkilere duyarlılık, polimerin pH, sıcaklık ve iyonik kuvvet gibi dış ortamdaki değişiklikler sonucunda kütle transferi ve ara yüzey özelliklerindeki değişikliklerden kaynaklanmaktadır. Bu çalışmada orta blok olarak sıcaklığa duyarlı Pluronik F127 (PEO-b-PPO-b-PEO) ve uç bloklar olarak pH'a cevap veren poli(N, N- (dietilamino) etil metakrilat) (PDEAEM) içeren bir pentablok kopolimer yeni bir ince film kompozit (TFC) nanofiltrasyon membranı tasarımı için kullanılmıştır. Kompozit membranın desteği, polisülfon/sülfonlanmış polietersülfon karışımı ile çözücü olmayan faz ayrımı ile hazırlanmıştır ve PBC, elektrostatik etkileşim yoluyla desteğe tutturulmuştur. Aşılanmış PBC zincirlerinin konformasyonu, adsorpsiyon çalışmaları yoluyla tespit edilmiştir. PDEAEM blok uzunluğu, kopolimer konsantrasyonu ve adsorpsiyon süresinin adsorbe olan PBC miktarı üzerine olan etkileri araştırılmıştır. İncelenen üç kopolimer numunesi (15, 20 ve 25 kDa) arasında pH ve sıcaklığa karşı en fazla cevabı 25 kDa’lık örnek verdiğinden daha sonraki çalışmalarda bu örnekle hazırlanmış membranların PEG tutma özellikleri belirlenmiştir. pH ve sıcaklığın membranın yapısı üzerindeki etkileri, saf su akısı ölçümleri ve nötr bileşiklerin membranlar tarafından tutulma düzeylerinden gözenek boyutundaki değişimi belirleyerek incelenmiştir. Membranlar ayrıca SEM, AFM, temas açısı, XPS ve zeta potansiyeli ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Bu çalışmada pH ve sıcaklığa duyarlı, yüksek akıya sahip, yeni bir ince film kompozit nanofiltrasyon membranı üretilebileceği gösterilmiştir.