Polyamidezeolitic imidazolate framework-8polysulfone thin film nanocomposite membrane for the treatment of produced water via forward osmosis / Beh Jyh Jiunn
Penggunaan membran osmosis hadapan (FO) untuk rawatan air terhasil telah menghadapi cabaran seperti isipadu air sisa yang tinggi dan kestabilan kimia membran yang rendah terhadap air terhasil. Oleh itu, membran nanokomposit filem tipis (TFN) poliamida/kerangka imidazolat zeolitik-8 (ZIF-8) yang mempunyai kebolehtelapan air dan kestabilan kimia yang lebih baik dibangunkan dalam kajian ini. Partikel ZIF-8 bersaiz nano dan mempunyai taburan saiz unimodal berjaya disintesiskan pada suhu tindak balas yang rendah (5 °C) dengan menggunakan kepekatan ion zink (0.20 M) dan 2-metilimidazol (1.60 M) yang tinggi. Ia didapati bahawa salutan poli(natrium 4-stirenasulfonat) (PSS) menstabilkan partikel ZIF-8 daripada pelarutan dalam air dan seterusnya membolehkan pemuatannya melalui fasa berair semasa pempolimeran antaramuka. Pada masa yang sama, membran komposit filem tipis (TFC) yang mempunyai kememilihan NaCl yang tinggi disintesiskan dengan membentukkan filem poliamida di atas membran sokongan polisulfon (PSf) melalui pempolimeran antaramuka. Filem poliamida yang disediakan dengan menggunakan kepekatan m-fenilendiamina setinggi 3 w/v%, kepekatan trimesoil klorida setinggi 0.10 w/v% dan tempoh tindak balas sepanjang 60 s adalah nipis dan padat. Ia dicirikan melalui ujian penurasan osmosis berbalik dan mencapai kememilihan NaCl setinggi 0.673 bar-1. Membran TFC ini selanjutnya disempurnakan secara pengubahan nisbah PSf/ polivinilpirolidon (PVP) dan penggunaan pelarut bersama semasa penyediaan dop polimer untuk menambah baik kebolehbasahan permukaan membran sokongan dan pembentukkan filem poliamida di atasnya. Membran sokongan yang disediakan dengan menggunakan nisbah PSf/PVP setinggi 0.941 tanpa pelarut bersama mempunyai permukaan yang mempunyai kebolehbasahan yang baik, saiz liang yang seragam dan kekasaran yang sederhana (52.9 nm). Ia menambah baik kememilihan NaCl membran TFC ke 0.691 bar-1 berbanding dengan membran TFC yang disediakan di atas membran sokongan PSf tanpa pengubahsuaian dop polimer. Keadaan membran sokongan dan keadaan tindak balas membran TFC ini digabungkan dengan partikel ZIF-8 bersalut PSS untuk membangunkan membran TFN. Kebolehtelapan air tulen membran TFN yang disintesiskan dengan menggunakan trietilamina (TEA) (2.506 L/m2∙h∙bar) nyata sekali bertambah baik berbanding dengan kebolehtelapan air tulen membran TFC (1.110 L/m2∙h∙bar) dan membran TFN yang disintesiskan tanpa TEA (1.159 L/m2∙h∙bar). Peningkatan pengangkutan air membran TFN turut dipamerkan oleh fluks air yang lebih tinggi bagi membran TFN berbanding dengan membran TFC dalam penurasan air terhasil sintetik dan sebenar yang mempunyai kepekatan minyak setinggi 500 dan 377.8 ppm masing-masing melalui proses FO. Tambahan pula, membran TFN menunjukkan ketahanan pengampulan dan kestabilan kimia yang lebih baik terhadap air terhasil berbanding dengan membran TFC disebabkan partikel ZIF-8 yang stabil terhadap bahan kimia seperti hidrokarbon. Kesimpulannya, kajian ini berjaya membangunkan membran TFN poliamida/ZIF-8 yang mempunyai kebolehtelapan air yang tinggi, kestabilan kimia yang baik terhadap air terhasil serta penyingkiran minyak setinggi 99 % untuk rawatan air terhasil melalui proses FO. __________________________________________________________________________
Produced water treatment using forward osmosis (FO) membrane has faced challenges such as high volume of wastewater and poor membrane chemical stability against produced water. Hence, a polyamide/zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) thin film nanocomposite (TFN) membrane with improved water permeability and chemical stability was developed in this work. Nanosized ZIF-8 particles with unimodal size distribution were successfully synthesized at low reaction temperature (5 °C) by using high zinc ion (0.20 M) and 2-methylimidazole (1.60 M) concentrations. Poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) coating was found to stabilize the ZIF-8 particles against dissolution in water, which enabled them to be dosed in via aqueous phase during interfacial polymerization. Concurrently, a thin film composite (TFC) membrane with high NaCl selectivity was synthesized by forming polyamide film above a polysulfone (PSf) support membrane via interfacial polymerization. The polyamide film prepared at 3 w/v% m-phenylenediamine concentration, 0.10 w/v% trimesoyl chloride concentration and 60 s reaction duration was thin and dense. It achieved high NaCl selectivity of 0.673 bar-1 as characterized via reverse osmosis filtration test. This TFC membrane was further refined by adjusting PSf/ polyvinylpyrrolidone (PVP) ratio and using co-solvent in preparing the polymer dope to improve support membrane surface wettability and polyamide film formation above it. The support membrane prepared at PSf/PVP ratio of 0.941 without co-solvent had a surface with good wettability, regular pore size and moderate roughness (52.9 nm). This improved the TFC membrane NaCl selectivity to 0.691 bar-1 compared to that prepared on PSf support membrane without polymer dope modification. The support and reaction conditions of this TFC membrane were combined with the PSS-coated ZIF-8 particles to develop the TFN membrane. The pure water permeability of TFN membrane synthesized with triethylamine (TEA) (2.506 L/m2∙h∙bar) improved significantly over that of both TFC membrane (1.110 L/m2∙h∙bar) and TFN membrane synthesized without TEA (1.159 L/m2∙h∙bar). The enhanced water transport of TFN membrane was further manifested by its higher water flux relative to TFC membrane in filtering both synthetic and real produced water with oil concentration of 500 and 377.8 ppm respectively using FO process. Moreover, due to the chemically stable ZIF-8 particles against hydrocarbons, the TFN membrane demonstrated improved swelling resistance and chemical stability against produced water than the TFC membrane. In conclusion, this work successfully developed a polyamide/ZIF-8 TFN membrane with high water permeability, good chemical stability against produced water and high oil rejection of more than 99 % for produced water treatment using FO process.
Polyamidezeolitic imidazolate framework-8polysulfone thin film nanocomposite membrane for the treatment of produced water via forward osmosis / Beh Jyh Jiunn
Polyamidezeolitic imidazolate framework-8polysulfone thin film nanocomposite membrane for the treatment of produced water via forward osmosis_Beh Jyh Jiunn_K4_2019_MYMY