Boron-selective membranes by surface functionalization with affinity hydrogel
The conventional reverse osmosis (RO) membranes in the one-pass RO configuration have limited competence to remove boron efficiently from seawater. They have only around 80 % of boron rejection, while the projected boron rejection should exceed 90 % in order to meet the requirements for using the water in irrigation. One promising approach is to diminish the boron concentration before the RO stage, which can be achieved in the RO pretreatment step. Upon this context, a membrane adsorber that integrated membrane-based separation with selective boron adsorption can be used in the pretreatment step for boron polishing.
In this work, commercial ultrafiltration (UF) and microfiltration (MF) polyethersulfone (PES) membranes have been modified to integrate specific boron binding property. First, an active coating can be formed in the support layer of the UF membrane by infiltrating a reactive polymer and a cross-linker, and a subsequent post-functionalization endows the active coating with boron affinity. In the other alternative strategies, the commercial UF or MF membranes can be pre-modified by a tertiary amine containing layer via macromolecular adsorption or a two-step surface treatment. And the polymeric boron affinity coating can be constructed on such premodified surface via a graft-from approach or an integrated initiation system of combining graft-from and graft-through approaches. The modified membranes show specific boron binding and a trade-off between water permeability and boron binding capacity.
Furthermore, the parameters that affect the final filtration performance and boron binding performance have been systematically studied. And the parameter optimization has been done to screen for the membrane adsorber with good potential for practical application. Finally, the cost estimation has been done to evaluate the feasibility of using the tailored membrane adsorber in the pretreatment step considering aspects of modification cost and regeneration cost.Die konventionellen Umkehrosmose (RO)-Membranen in der Ein-Pass-RO-Konfiguration haben eine begrenzte Kompetenz, Bor aus Meerwasser effizient zu entfernen. Sie haben nur eine Bor-Rückhaltung von ca. 80 %, während die Bor-Rückhaltung mehr als 90 % betragen sollte, um die Anforderungen für die Verwendung des Wassers in der Bewässerung zu erfüllen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verringerung der Borkonzentration vor der RO-Stufe, was im RO-Vorbehandlungsschritt erreicht werden kann. In diesem Zusammenhang kann ein Membranadsorber, der eine membranbasierte Trennung mit selektiver Boradsorption integriert, im Vorbehandlungsschritt zur Reduzierung des Bor-Gehalts eingesetzt werden.
In dieser Arbeit wurden kommerzielle Ultrafiltrations- (UF) und Mikrofiltrations- (MF) Polyethersulfon (PES) Membranen modifiziert, um eine spezifische Bor-Bindungseigenschaft zu integrieren. Zunächst kann eine aktive Beschichtung in der Trägerschicht der UF-Membran durch Infiltration eines reaktiven Polymers und eines Vernetzers gebildet werden, und eine anschließende Nachfunktionalisierung verleiht der aktiven Beschichtung eine Bor-Affinität. Bei den anderen alternativen Strategien kann die kommerzielle UF- oder MF-Membran mit einer Schicht mit tertiären Aminogruppen über makromolekulare Adsorption oder eine zweistufige Oberflächenbehandlung vormodifiziert werden. Und die polymere Bor-Affinitäts-Beschichtung kann auf einer solchen vormodifizierten Oberfläche über einen „Pfropf-von“-Ansatz oder ein integriertes Initiierungssystem aus einer Kombination von „Pfropf-von“- und „Pfropf-durch“-Ansätzen aufgebaut werden. Die modifizierten Membranen zeigen eine spezifische Bor-Bindung und einen Kompromiss zwischen Wasserpermeabilität und Bor-Bindungskapazität.
Außerdem wurden die Parameter, die die endgültige Filtrationsleistung und die Bor-Bindungsleistung beeinflussen, systematisch untersucht. Und die Optimierung der Parameter wurde durchgeführt, um den Membranadsorber mit gutem Potential für die praktische Anwendung zu finden. Schließlich wurde eine Kostenabschätzung durchgeführt, um die Machbarkeit der Verwendung des maßgeschneiderten Membranadsorbers in der Vorbehandlungsstufe unter dem Aspekt der Modifikations- und Regenerationskosten zu bewerten.