Separacja wybranych mikrozanieczyszczeń organicznych na membranie ultrafiltracyjnej modyfikowanej nanorurkami węglowymi

• Autorzy: Kamińska G. , Bohdziewicz J.

Warianty tytułu

EN

Separation of selected organic micropollutants using the ultrafiltration membrane modified with carbon nanotubes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Porównano właściwości oraz potencjał separacyjny i podatność na zjawisko blokowania trzech membran ultrafiltracyjnych. Przedmiotem badań były membrana komercyjna UE50 oraz dwie wytworzone w warunkach laboratoryjnych membrany – polieterosulfonowa (PES) oraz polieterosulfonowa modyfikowana nanorurkami węglowymi z grupami hydroksylowymi (PES-SWCNT-OH). Potencjał separacyjny membran określono względem wybranych mikrozanieczyszczeń organicznych – kofeiny, bisfenolu A i pentachlorobenzenu. Wykazano, że stopień eliminacji tych związków zależał głównie od ich właściwości fizyczno-chemicznych. Skuteczność usuwania związków o wysokiej hydrofobowości, tj. bisfenolu A i pentachlorobenzenu była zdecydowanie większa niż hydrofilowej kofeiny. Ponadto stwierdzono, że za efekt separacji mikrozanieczyszczeń odpowiadało zjawisko adsorpcji na membranie modyfikowanej nanorurkami węglowymi, które zwiększały jej pojemność adsorpcyjną. Wszystkie badane membrany ultrafiltracyjne charakteryzowały się mniejszą skutecznością separacyjną wraz ze wzrostem ciśnienia transmembranowego. Przy wyższych ciśnieniach transport masy przez membranę był szybszy, co skutkowało krótszym czasem kontaktu mikrozanieczyszczeń z membraną. Badania wykazały, że powierzchnia modyfikowanej membrany ultrafiltracyjnej ulegała mniejszemu blokowaniu niż powierzchnia membrany komercyjnej UE50. Za przyczynę lepszej odporności modyfikowanej membrany na to zjawisko uznano większą chropowatość jej powierzchni objawiającą się występowaniem licznych wypustek, co utrudniało powstawanie równomiernej warstwy osadu. Za istotny należy również uznać fakt, że membrana była modyfikowana nanorurkami węglowymi z grupami tlenowymi, co nadało jej bardziej hydrofilowy charakter. Właściwość ta ograniczała podatność membrany na blokowanie, gdyż zmniejszała siłę oddziaływań hydrofobowych między powierzchnią a usuwanymi zanieczyszczeniami.

EN

This study compares retention characteristics and retention potential as well as antifouling properties of three ultrafiltration membranes. The commercial membrane UE50 and two membranes produced under laboratory conditions – polyethersulfone membrane (PES) and polyethersulfone membrane modified with hydroxyl-functionalized carbon nanotubes (PES-SWCNT-OH) – were selected for the research. Retention potential was determined for selected organic micropollutants, i.e. caffeine, bisphenol A and pentachlorobenzene. It was determined that removal degree of micropollutants depended mainly on their physicochemical properties. Removal efficacy of highly hydrophobic substances, i.e. bisphenol A and pentachlorobenzene was significantly higher than of hydrophilic caffeine. Furthermore, it was found that adsorption played a key role in the micropollutant removal and the process was more intense on the modified membrane as nanotubes enhanced sorption capacity of the membrane. For all the ultrafiltration membranes studied, the retention of micropollutants decreased with an increase of the transmembrane pressure. At higher pressures, mass transport through the membrane was faster and resulted in shorter contact time between the micropollutants and membrane. Moreover, the modified ultrafiltration membrane had better antifouling properties compared to the commercial membrane UE50. It was an effect of its rougher surface with multiple protrusions, which interfered with even sediment layer formation. Importantly, the membrane was modified with hydroxyl-functionalized carbon nanotubes, which added to its hydrophilic character. The same it improved the antifouling properties of the membrane by weakening the hydrophobic interactions between the membrane surface and target pollutants.

Słowa kluczowe

PL

ultrafiltracja; blokowanie powierzchni; mikrozanieczyszczenia; bisfenol A; pentachlorbenzen; kofeina; membrany nanokompozytowe; nanorurki węglowe; adsorpcja

EN

ultrafiltration; fouling; micropollutants; bisphenol A; pentachlorobenzene; caffeine; nanocomposite membranes; carbon nanotube; adsorption

• Wydawca: Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski
• Czasopismo: Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 40, nr 4
• Strony: 37--42
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kamińska G.

• Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Zakład Chemii Środowiska i Procesów Membranowych, ul. S. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice

autor

Bohdziewicz J.

• Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Zakład Chemii Środowiska i Procesów Membranowych, ul. S. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice

Bibliografia

• 1. M. BODZEK, K. KONIECZNY: Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody. Projprzem-EKO, Bydgoszcz 2005.
• 2. Y. YOON, P. WESTERHOFF, S. SNYDER, E. WERT: Nanofiltration and ultrafiltration of endocrine disrupting compounds, pharmaceuticals and personal care products. Journal of Membrane Science 2006, Vol. 270, pp. 88–10.
• 3. J. L. ACERO, F. J. BENITEZ, F. TEVA, A. I. LEAL: Retention of emerging micropollutants from UP water and municipal secondary effluent by ultrafiltration and nanofiltration. Chemical Engineering Journal 2010, Vol. 163, pp. 264–272.
• 4. F. J. BENITEZ, J. L. ACERO, F. J. REAL, C. GARCIA: Removal of phenyl-urea herbicides in ultrapure water by ultrafiltration and nanofiltration processes. Water Research 2009, Vol. 43, No. 2, pp. 267–276.
• 5. M. GÓMEZ, G. GARRALÓN, F. PLAZA, R. VILCHE, E. HONTORIA, M. A. GÓMEZ: Rejection of endocrine disrupting compounds (bisphenol A, bisphenol F and triethyleneglycol dimethacrylate) by membrane technologies. Desalination 2007, Vol. 212, pp. 79–91.
• 6. J. YIN, B. DENG: Polymer-matrix nanocomposite membranes for water treatment. Journal of Membrane Science 2015, Vol. 479, pp. 256–275.
• 7. R. SARANYA, G. ARTHANAREESWARAN, D. DIONYSIOU: Treatment of paper mill effluent using polyethersulfone/functionalised multiwalled carbon nanotubes based nanocomposite membranes. Chemical Engineering Journal 2014, Vol. 236, pp. 369–377.
• 8. D. KOSEOGLU-IMER: The determination of performances of polysulfone (PS) ultrafiltration membranes fabricated at different evaporation temperatures for the pretreatment of textile wastewater. Desalination 2013, Vol. 316, pp. 110–119.
• 9. N. GHAEMI, S. MADAENI, A. ALIZADEH, H. RAJABI, P. DARAEI: Preparation and characterization and performance of polyethersulfone/organically modified montmorillonite nanocomposite membranes in removal of pesticides. Journal of Membrane Science 2011, Vol. 382, pp. 135–147.
• 10. X. ZHANG, D. WANG, D. LOPEZ, J. DINIZ da COSTA: Fabrication of nanostructured TiO2 hollow fiber photocatalytic membrane and application for wastewater treatment. Chemical Engineering Journal 2014, Vol. 236, pp. 314–322.
• 11. J. BOHDZIEWICZ, G. KAMIŃSKA: Polymer membranes modified with carbon nanomaterials. In: K. KONIECZNY, I. KORUS [Eds.]: Membranes and Membrane Processes in Environmental Protection. Monographs of the Environmental Engineering Committee, Polish Academy of Sciences 2014, No. 118, Vol. 1, pp. 197–208.
• 12. V. VATANPOUR, S. MADAENI, R. MORADIAN, S. ZINADINI, B. ASTINCHAP: Fabrication and characterization of novel antifouling nanofiltration membrane prepared from oxidized multiwalled carbon nanotube/polyethersulfone nanocomposite. Journal of Membrane Science 2011, Vol. 375, pp. 284–294.
• 13. E. KUDLEK, D. SILVESTRI, S. WACŁAWEK, V. V. T. PADIL, M. STUCHLÍK, L. VOLESKÝ, P. KEJZLAR, M. ČERNÍK: TiO2 immobilised on biopolymer nanofibers for the removal of bisphenol A and diclofenac from water. Ecological Chemistry and Engineering S 2017, Vol. 24, No. 3, pp. 417–429.
• 14. X. JIN, J. HU, M. TINT, S. ONG, Y. BIRYULIN, G. POLOTSKAYA: Estrogenic compounds removal by fullerene-containing membranes. Desalination 2007, Vol. 214, pp. 83–90.
• 15. M. DUDZIAK, E. BURDZIK-NIEMIEC: Ultrafiltracja przez modyfikowane membrany w oczyszczaniu ścieków zawierających 17 Beta-estradiol i bisfenol A (Ultrafiltration in the treatment of 17 Beta-estradiol and bisphenol A-containing wastewaters through modified membranes). Przemysł Chemiczny 2017, nr 2, ss. 448–452.
• 16. G. KAMINSKA, J. BOHDZIEWICZ, J. I. CALVO, P. PRÁDANOS, L. PALACIO, A. HERNÁNDEZ: Fabrication and characterization of polyethersulfone nanocomposite membranes for the removal of endocrine disrupting micropollutants from wastewater. Mechanisms and performance. Journal of Membrane Science 2015, Vol. 493, pp. 66–79.
• 17. K. NIEDERGALL, M. BACH, T. HIRTH, G. TOVAR, T. SCHIESTEL: Removal of micropollutants from wastewater by nanocomposite membrane adsorbers. Separation and Purification Technology 2014, Vol. 131, pp. 60–68.
• 18. P. DARAEI, S. MADAENI, N. GHAEMI, M. KHADIVI, B. ASTINCHAP, R. MORADIAN: Enhancing antifouling capability of PES membrane via mixing with various types of polimer modified multi-walled carbon nanotube. Journal of Membrane Science 2013, Vol. 444, pp. 184–191.
• 19. A. PŁATKOWSKA-SIWIEC, J. WISZNIOWSKI, M. BODZEK: DRIFT characterization of foulants and the derived effect on the contact angles of ultrafiltration membranes. Desalination 2012, Vol. 286, No. 1, pp. 87–93.
• 20. G. KAMIŃSKA, M. DUDZIAK, J. BOHDZIEWICZ, E. KUDLEK: Effectiveness of removal of selected biologically active micropollutants in nanofiltration. Ecological Chemistry and Engineering A 2016, Vol. 23, No. 2, pp. 185–198.
• 21. I. MUSBAH, D. CICÉRON, A. SABONI, S. ALEXANDROVA: Retention of pesticides and metabolites by nanofiltration by effects of size and dipole moment. Desalination 2013, Vol. 313, pp. 51–56.
• 22. J. BOHDZIEWICZ, G. KAMIŃSKA: Kinetics and equilibrium of the sorption of bisphenol A by carbon nanotubes from wastewater. Water Science Technology 2013, Vol. 68, pp. 1306–1314.
• 23. G. KAMIŃSKA, J. BO HDZIEWICZ, L. PALACIO, A. HERNÁNDEZ, P. PRÁDANOS: Polyacrylonitrile membranes modified with carbon nanotubes: Characterization and micropollutants removal analysis. Desalination and Water Treatment 2016, Vol. 53, pp. 1344–1353.
• 24. H. ZHAO, S. QIU, L. WU, L. ZHANG, H CHEN, C. GAO: Improving the performance of polyamide reverse osmosis membrane by incorporation of modified multi-walled carbon nanotubes. Journal of Membrane Science 2014, Vol. 450, pp. 249–256.
• 25. W.-F. CHAN, H.-Y. CHEN, A. SURAPATHI, M. G. TAYLOR, X. SHAO, E. MARAND, J.K. JOHNSON: Zwitterion functionalized carbon nanotube/polyamide nanocomposite membranes for water desalination. ACS Nano 2013, Vol. 7, No. 6, pp. 5308–5319.
• 26. A. CARVALHO, F. MAUGERI, V. SILVA, A. HERNÁNDEZ, L. PALACIO, P. PRADANOS: AFM analysis of the surface of nanoporous membranes: Application to the nanofiltration of potassium clavulanate. Journal of Membrane Science 2011, Vol. 46, pp. 3356–3369.