اثر غلظت محلول پلی‌سولفون بر شکل‌شناسی لایه نگه‌دارنده در غشاهای کامپوزیتی لایه نازک

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده علوم پلیمر، گروه پلی‌یورتان و مواد پیشرفته، صندوق پستی 112-14975

چکیده

فرضیه: در بین فرایندهای غشایی مختلف، فرایند اسمز معکوس کاربرد گسترده­ای در نمک­‌زدایی، تصفیه آب و تهیه آب بسیار خالص دارد. غشاهای اسمز معکوس معمولاً از سه لایه تشکیل می­شوند. سه لایه تشکیل‌دهنده غشای اسمز معکوس عبارت از یک لایه کاغذ پلی‌استر بافته‌نشده، یک لایه نگه‌دارنده از جنس پلی‌­سولفون و یک لایه نازک از جنس پلی‌آمید است. لایه نگه‌دارنده در غشاهای کامپوزیتی لایه نازک، سطح مشترکی است که پلیمرشدن بین‌سطحی در آن رخ می‌دهد، بنابراین ضخامت لایه سطحی و اندازه تخلخل‌‌های لایه نگه‌دارنده اثر بسزایی بر تشکیل یکپارچه و بدون نقص لایه گزینشی پلی‌آمیدی دارد. اندازه حفره‌های بسیار کوچک می‌­تواند به تشکیل یک لایه گزینشی ناقص منجر شود، زیرا مونومرهای متافنیلن­ دی‌آمین به‌اندازه کافی در منافذ وارد نمی‌­شوند. از طرف دیگر، حفره‌ها نباید خیلی بزرگ باشند، زیرا در آن صورت لایه پلی‌­آمیدی به‌طور عمیق در حفره‌ها فرو رفته و به یک لایه گزینسی ناپایدار و غیریکنواخت منجر می­‌شود که در نهایت عملکرد غشای کامپوزیتی لایه نازک را تحت تأثیر قرار خواهد داد.
روش‌­ها: ابتدا از واکنش پلیمرشدن تراکمی جانشینی هسته‌دوستی آروماتیکی بیس‌­فنولA و بیس(٤-کلروفنیل سولفون)، پلی‌­سولفون سنتز شد. برای تهیه غشای متخلخل تخت از روش وارونگی فاز استفاده شد و پلی‌­سولفون سنتزی درحلال دی­‌متیل­‌استامید با غلظت‌­های مختلف ‌‌حل شد. رابطه غلظت محلول پل‌ی­سولفونی با شکل‌شناسی لایه متخلخل بررسی شد. برای تشکیل لایه پلی­‌آمیدی روی لایه نگه‌دارنده پلی­‌سولفونی از پلیمرشدن بین‌سطحی متا­فنیلن‌­دی‌­آمین و تری‌مزوئیل کلرید استفاده شد.
یافته­‌ها: ساختار پلی­‌سولفون سنتزی با طیف‌سنجی FT-IR و 1H-NMR تأیید شد. جرم مولکولی پلی‌سولفون سنتزی تعیین شد. شکل‌شناسی غشای متخلخل تهیه‌شده از محلول پلی­‌سولفونی با غلظت‌­های مختلف با SEM بررسی شد و در نهایت عملکرد غشای کامپوزیتی لایه نازک شامل شار آب و پس‌زنی نمک اندازه‌گیری شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Impact of Polysulfone Solution Concentration on the Morphology of the Support Layer in Thin-Film Composite Membranes

نویسندگان [English]

  • samal babanzadeh
  • shahram Mehdipour-Ataei
Department of Polyurethane and Advanced Materials, Faculty of Polymer Science, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box: 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Among different membrane processes, reverse osmosis is widely used in desalination, water treatment, and the preparation of ultra-pure water. Reverse osmosis membranes usually consist of three layers: a non-woven polyester, a porous polysulfone as a support layer, and a thin polyamide layer. The support layer of thin film composite membrane is an interface where interfacial polymerization occurs, therefore, the surface thickness and the porosity of the support layer have a significant effect on the formation of an integral and defect-free polyamide layer. Tiny pore size can lead to the formation of a defective polyamide layer, because of inadequate m-phenylenediamine monomers impregnated within the pores. On the other hand, the pore size cannot be very large, because when the polyamide layer goes down deeply into the pores, it could lead to an unstable and non-uniform selective layer that will eventually affect the performance of the thin film composite membrane
Methods: First, polysulfone was synthesized from bis(4-chlorophenylsulfone) aromatic nucleophilic substitution condensation polymerization reaction with bisphenol A. To prepare a flat porous membrane, phase inversion method was used and synthetic polysulfone was dissolved in dimethylacetamide solvent with different concentrations. The relationship between the concentration of polysulfone solution and the morphology of the porous layer was investigated. The interfacial polymerization of m-phenylenediamine and trimesoyl chloride was performed to form the polyamide layer on the polysulfone support layer
Findings: The structure of polysulfone was confirmed by FTIR and 1H-NMR spectroscopy. The molecular weight of PSF was determined. The morphology of the porous membrane prepared from polysulfone solution with different concentrations was examined by SEM, and finally, the performance of the thin film composite membrane, including water flux and salt rejection was measured

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polysulfone
  • Thin-film composite
  • Water flux
  • Rejection
  • Support layer

مراجع

  1. Bassyouni M., Abdel-Aziz M.H., Zoromba M.S., Abdel-hamid S.M.S., and Drioli E., A Review of Polymeric Nanocomposite
    Membranes for Water Purification, J. Ind. Eng. Chem., 73, 9-46, 2019.
  2. Liu B., Chen C., Zhao P., Li T., Liu C., Wang Q., Chen Y., and Crittenden J., Thin-Film Composite Forward Osmosis
    Membranes with Substrate Layer Composed of Polysulfone Blended with PEG or Polysulfone Grafted PEG Methyl Ether Methacrylate, Front Chem. Sci. Eng., 10, 562-574, 2016.
  3. Lee K.P., Arnot T.C., and Mattia D., A Review of Reverse
    Osmosis Membrane Materials for Desalination, Development to Date and Future Potential, J. Membr. Sci., 370, 1-22, 2011.
  4. Choi W., Jeon S., Kwon S.J., Park H., Park Y.I., Nam S.E., Lee P.S., Lee J.S., Choi J., Hong S., Chan E.P., and Lee J.H., Thin Film Composite Reverse Osmosis Membranes Prepared via Layered Interfacial Polymerization, J. Membr. Sci., 527, 121-128, 2017.
  5. Saleh T. and Gupta V., Membrane Classification and Membrane Operations, Nanomaterial and Polymer Membranes, Elsevier, 55-82, 2016.
  6. Baker R., Membrane Technology and Applications, John Wiley and Sons, New York, 5 and 73, 1996.
  7. Loeb S. and Sourirajan S., Sea Water Demineralization by Means of a Semipermeable Membrane, University of California,
    Department of Engineering, 117-132, 1963.
  8. Figueiredo A.S., Garcia A.R., Minhalma M., Ilharco L., and Pinho M.N., The Ultrafiltration Performance of Cellulose Acetate
    Asymmetric Membranes: A New Perspective on the Correlation
    with the Infrared Spectra, J. Membr. Sci. Res., 6, 70-80, 2020.                                                                
  9. Han G., Zhang S., Li X., Widjojo N., and Chung T-S., Thin Film Composite Forward Osmosis Membranes Based on
    Polydopamine Modified Polysulfone Substrates with Enhancements in Both Water Flux and Salt Rejection, Chem. Eng. Sci., 80, 219-231, 2012.
  10. Lim Y.J., Goh K., Kurihara M., and Wang R., Seawater
    Desalination by Reverse Osmosis: Current Development and Future Challenges in Membrane Fabrication-A Review, J. Membr. Sci., 629, 119292-119322, 2021.
  11. Lee K.P., Arnot T.C., and Mattia D., A Review of Reverse
    Osmosis Membrane Materials for Desalination-Development to Date and Future Potential, J. Membr. Sci., 370, 1-22, 2011.
  12. Baker R.W., Membrane Technology and Applications, 3th ed., John Wiley and Sons, 207-251, 2012.
  13. Son M., Choi H., Liu L., Celik E., Park H., and Choi H.,
    Efficacy of Carbon Nanotube Positioning in the Polyethersulfone
    Support Layer on the Performance of Thin-Film Composite Membrane for Desalination, Chem. Eng. J., 266, 376-384, 2015.
  14. Dmitrenko M., Sushkova X., Chepeleva A., Liamin V., Mikhailovskaya O., Kuzminova A., Semenov K., Ermakov S., and Penkova A., Modification Approaches of Polyphenylene Oxide Membranes to Enhance Nanofiltration Performance, Membranes, 13, 534-554, 2023.
  15. Zhu L., Jia W., Kattula M., Ponnuru K., Furlani E.P., and Lin H., Effect of Porous Supports on the Permeance of Thin Film Composite Membranes: Part I. Track-Etched Polycarbonate Supports, J. Membr. Sci., 514, 684-695, 2016.
  16. Padaki M., Isloor A.M., Fernandes J., and Prabhu K.N., New Polypropylene Supported Chitosan NF-Membrane for
    Desalination Application, Desalination, 280, 419-423, 2011.
  17. Kim H.I. and Kim S.S., Plasma Treatment of Polypropylene and Polysulfone Supports for Thin Film Composite Reverse Osmosis Membrane, J. Membr. Sci., 286, 193-201, 2006.
  18. Korikov A.P., Kosaraju P.B., and Sirkar K.K., Interfacially Polymerized Hydrophilic Microporous Thin Film Composite Membranes on Porous Polypropylene Hollow Fibers and Flat Films, J. Membr. Sci., 279, 588-600, 2006.
  19. Kim E-S., Kim Y.J., Yu Q., and Deng B., Preparation and
    Characterization of Polyamide Thin Film Composite (TFC) Membranes on Plasma-Modified Polyvinylidene Fluoride (PVDF), J. Membr. Sci., 344, 71-81, 2009.
  20. Zhao Y., Dai L., Zhang Q., Zhou S., and Zhang S., Chlorine-Resistant Sulfochlorinated and Sulfonated Polysulfone for Reverse Osmosis Membranes by Coating Method, J. Colloid Interface Sci., 541, 434-43, 2019.
  21. Mocanu A., Rusen E., Diacon A., Isopencu G., Mustățea G., and Şomoghi R., Antimicrobial Properties of Polysulfone Membranes Modified with Carbon Nanofibers and Silver Nanoparticles, Mater. Chem. Phys., 223, 39-45, 2019.
  22. Xu F., Chen S., You M., and Meng J., Water and Salt Transport Properties of Zwitterionic Poly(arylene ether ketone) for
    Desalination Membrane Applications, J. Membr. Sci., 687, 122055-122065, 2023.
  23. Khodami S., Babanzadeh S., and Mehdipour-Ataei S., Novel Pyridine-Based Polysulfone, Sulfonated Polysulfones, and
    Sonicated Sepiolite-Based Nanocomposites for Water
    Desalination, Micropor. Mesopor. Mater., 295, 109951-109962, 2020.
  24. Khodami S., Mehdipour-Ataei S., and Babanzadeh S., Preparation
    Characterization and Performance Evaluation of Sepiolite-Based Nanocomposite Membrane for Desalination, J. Ind. Eng. Chem., 82, 164-172, 2020.
  25. Ostovar Z., Babanzadeh S., and Mehdipour-Ataei S., Poly-
    sulfone/Sepiolite Nanocomposites and Disulfonated Polysulfone
    as Desalination Membranes, Chem. Eng. Res. Des., 198, 357-369, 2023.
  26. Ariono D., Aryanti P.T.P., Subagjo S., and Wenten I.G., The
    Effect of Polymer Concentration on Flux Stability of Poly-
    sulfone Membrane, International Conference on Engineering,
    Science and Nanotechnology.     2016 (ICESNANO 2016).
  27. Hamzah S., Ali N., Ariffin M.M., Ali A., and Mohammad A.W., High Performance of Polysulfone Ultrafiltration Membrane: Effect of Polymer Concentration, ARPN J. Eng. Appl. Sci., 9, 2543-2550, 2014.
  28. Ismail N.M., Jakariah N.R., Bolong N., Anissuzaman S.M., Nordin N.A.H.M., and Razali A.R., Effect of Polymer
    Concentrationon the Morphology and Mechanical Properties of Asymmetric Polysulfone (PSf) Membrane, J. Appl. Membr. Sci.
    Technol    ., 21, 33-41, 2017.
  29. Ghosh A.K. and Hoek E.M.V., Impacts of Support Membrane Structure and Chemistry on Polyamide-Polysulfone Interfacial Composite Membranes, J. Membr. Sci., 336,140-148, 2009.
  30. Zhou Y., Yu S., Gao C., and Feng X., Surface Modification of Thin Film Composite Polyamide Membranes by Electrostatic
    Self-Deposition of Polycations for Improved Fouling Resistance,
    Sep. Purif. Technol., 66, 287-94, 2009.
  31. Xie W., Geise G.M., Freeman B.D., Lee H.S., Byun G., and McGrath J.E., Polyamide Interfacial Composite Membranes Prepared from m-Phenylene Diamine, Trimesoyl Chloride and a New Disulfonated Diamine, J. Membr. Sci., 403-404, 152-161, 2012.
  32. Singh P.S., Joshi S.V, Trivedi J.J., Devmurari C.V., Rao A.P., and Ghosh P.K., Probing the Structural Variations of Thin Film Composite RO Membranes Obtained by Coating Polyamide Over Polysulfone Membranes of Different Pore Dimensions, J. Member. Sci., 278, 19–25, 2006.
  33. Peng L.E., Yang Z., Long L., Zhou S., Guo H., and Tang C.Y., A Critical Review on Porous Substrates of TFC Polyamide
    Membranes: Mechanisms, Membrane Performances, and Future
    Perspectives, J. Member. Sci., 641, 119871-119881, 2022.
  34. Ding C., Yin J., and Deng B., Effects of Polysulfone (PSf) Support
    Layer on the Performance of Thin-Film Composite (TFC) Membranes, J. Chem. Proc. Eng., 1, 1-8, 2014.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 37، شماره 1 - شماره پیاپی 189
فروردین و اردیبهشت 1403
صفحه 61-72

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار