Development of Thin Film Composite Nanofiltration Membranes With Layer by Layer Polyelectrolyte Deposition

Abstract

Nanofiltration (NF) membranes are usually prepared in thin film composite (TFC) structure through polymerization of various monomers or coating of previously synthesized polymer on porous support membranes. Layer by layer (LbL) deposition of polyelectrolytes on a porous support is a facile and convenient method for the sake of producing NF membranes. This study intends to manufacture TFC NF membrane via alternating polyelectrolyte deposition with limited number of layers on polysulfone/sulfonated polyethersulfone (PSF/SPES) porous support membrane. Polyethyleneimine (PEI) and alginate (ALG) were chosen as polyelectrolyte pairs. The support membranes with different pore sizes were prepared via nonsolvent induced phase inversion method by changing compositions and thickness of casting solution as well as composition of coagulation bath. The polyelectrolytes were deposited dynamically in a dead end filtration module at 1 bar. The influences of supporting electrolyte, polyelectrolyte pH and concentration as well as type of coating method on the membrane performances were investigated. The membranes were characterized by SEM, AFM, staining, and contact angle measurements. Stability and fouling tendency of produced membranes were determined. It was demonstrated that NF membrane (83% PEG1000 rejection) with a high flux (14 L/m2.h.bar) can be manufactured by depositing only a single layer of PEI. Further deposition of ALG on PEI-coated membrane resulted in water permeability of 15.5±0.3 L/m2.h.bar with 89.1±0.6% PEG1000 rejection by adjusting PSF:SPES ratio to 4:1.

Nanofiltrasyon membranları genellikle ince film kompozit (TFC) yapıları şeklinde çeşitli monomerlerin polimerleşmeleri ya da önceden sentezlenmiş polimerin, destek membranlarının üzerine kaplanmasıyla hazırlanır. Polielektrolitlerin gözenekli bir destek üzerine tabaka tabaka kaplanması, nanofiltrasyon membranları üretebilmek için kolay ve elverişle bir yöntemdir. Bu çalışma, gözenekli polisulfon/sülfonlanmış polietersülfon (PSF/SPES) destek membranı üzerine, sınırlı katman sayısı ve birbirini izleyen polielektrolit kaplama yöntemiyle TFC nanofiltrasyon membranı üretmeyi amaçlamıştır. Polietilenimin (PEI) ve alginat, polielektrolit çiftleri olarak seçildi. Çeşitli gözenek büyüklüklerine sahip destek membranları, döküm çözeltisinin bileşimi ve kalınlığının yanı sıra, koagulasyon banyosun bileşimini değiştirerek faz değiştirme yöntemiyle hazırlandı. Polielektrolitler, 1 bar’da sonlu filtre ünitesinde dinamik bir şekilde kaplandı. Kaplama yönteminin yanı sıra, polielektrolit pH ve konsantrasyonu ile destekleyici elektrolitin membran performansı üzerindeki etkileri incelendi. Membranlar taramalı elektron mikroskobu (SEM), atomik güç mikroskobu (AFM), boyama ve kontak açı yöntemleriyle karakterize edildi. Üretilen membranların stabilite ve kirlenme eğilimi belirlendi. Sadece tek katman PEI ile kaplayarak, yüksek akıya sahip (14 L/m2.h.bar) nanofiltrasyon membranının (83 % PEG1000 tutma) üretilebileceği gösterildi. PSF:SPES oranını 4:1’e ayarlayarak ve PEI ile kaplanmış membran üzerine alginat katmanını ilave ederek saf su geçirgenliği 15.5±0.3 L/m2.h.bar olan ve PEG1000 geçişini 89.1±0.6 % engelleyen membran üretilmiştir