Polyarylsulfon-basierte amphiphile Blockcopolymere als Additive für verbesserte Ultrafiltrationsmembranen
Die Anwendung von Membrantechnik bietet im Hinblick auf die weltweite Wasserkrise eine vielversprechende Technologie. Nach aktuellem Bericht der vereinten Nationen hat etwa ein fünftel der Weltbevölkerung keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser.
Ein Problem in der Anwendung von Membranen in der Trinkwasseraufbereitung ist das Fouling durch natürliche organische Materie (NOM). Dies führt zur Herabsenkung der Filtrationsleistung über die Filtrationsdauer, macht Reinigungsschritte notwendig und vermindert so die Nachhaltigkeit des Verfahrens.
In dieser Arbeit wurden 24 Polyarylsulfon-basierte Blockcopolymere als mögliche Membranadditive untersucht. Ausgehend von den beiden Basismembranpolymeren Polyethersulfon (PES) und Polyphenylensulfon (PPSU) wurden Blockcopolymere mit Lutensol AT80, Pluronic F127 und Pluriol E8000 mit variablen PES/PPSU-Blocklängen untersucht.
Interessant war die Einführung von PPSU als mögliches Membranmaterial für die Wasseraufbereitung. Unter vergleichbaren Fällbedingungen bildet PPSU dichtere Membranen im Vergleich zu PES und ist daher bisher noch nicht etabliert worden. Der Vergleich der chemischen Struktur zwischen PES und PPSU legt aber nahe, dass PPSU aufgrund der fehlenden SO2-Gruppe eine höhere chemische Stabilität aufweist und so vorteilhaft in der Anwendung ist.
Die Additive wurden hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Gießlösungseigenschaften, die Membranporenstruktur und -oberfläche sowie das Foulingverhalten gegenüber Blumenerdeextrakt als Modellsubstanz für Oberflächenwasser untersucht.
Dabei wurde deutlich, dass die PPSU-basierten Lösungen aufgrund der höheren Hydrophobie des Polymers empfindlicher auf die Additivzugabe reagieren. Für PPSU, vor allem in der Lutensol AT80 Kombination, wurde eine Verbesserung der UF-Leistung erreicht. PES-Lösungen reagieren weniger stark auf die Additivzugabe, daher wurde für längere PES-Segmente in der Lutensol AT80 Kombination eine Erniedrigung der UF-Leistung gefunden.
Alle Additive senken den Wasser-Kontaktwinkel und erhöhen demnach die Oberflächenhydrophilie. Das Zeta-Potential der Membranen liefert vor allem für PPSU Hinweise auf eine Additivanreicherung an der Oberfläche.
Insgesamt kann unterschieden werden zwischen der Wirkung als Porenbildner und der Wirkung an der Oberfläche. In Kombination führen diese Effekte zur erfolgreichen Reduktion des Membranfoulings durch Blumenerdeextrakt. Die Unterschiede zwischen PES und PPSU konnten erfolgreich herausgearbeitet werden und die Einführung von PPSU als Membranmaterial in der Wasseraufbereitung ist vielversprechend.
The application of membranes offers a promising technology regarding the global water crisis. According to the latest United Nations report, about one fifth of the world's population has no access to clean drinking water.
The main problem during the application of membranes for drinking water treatment is fouling by natural organic matter (NOM). This causes a reduction in filtration performance over the filtration period and necessitates cleaning steps, which reduces the overall sustainability.
In this work, 24 polyarylsulfone based block copolymers are investigated and presented as possible membrane additives. Starting from two base membrane polymers polyethersulfone (PES) and polyphenylenesulfone (PPSU), block copolymers with Lutensol AT80, Pluronic F127 and Pluriol E8000 in variable PES/PPSU-Block lengths were investigated.
The introduction of PPSU as a possible membrane material for water treatment was also interesting. Under similar precipitation conditions, PPSU tends to form denser membranes and therefore could not be used so far. However, the comparison of the chemical structure between PES and PPSU suggests that PPSU has a higher chemical stability due to the missing SO2 group and is thus advantageous in the application.
The additives were investigated in terms of their effect on the casting solution, 3-dimensional and 2-dimensional membrane structure, and fouling behavior against flower soil extract as a model substance for surface water.
It became clear that the PPSU based solutions were more sensitive to additive addition due to the increased hydrophobicity of the polymer. It was possible to obtain an improvement in ultrafiltration performance for PPSU especially for the Lutensol AT 80 based membranes. PES solutions react less destabilizing to additive addition, therefore a decrease in UF performance was found for longer PES-Blocks in combination with Lutensol AT80.
All additives lower the water contact angle and consequently increase the surface hydrophilicity. The zeta potential of the membranes shows hints to of additive enrichment at the membrane surface, especially for PPSU.
Overall, a distinction can be made between the effect as a pore-forming agent and the effect at the membrane surface due to enrichment. In combination, these effects lead to the successful reduction of membrane fouling by flower soil extract.In this context, PPSU is more sensitive to the additive addition. Blockcopolymers containing a longer PPSU-Block length led to a successful fouling reduction with simultaneous increase of UF performance. The differences between PES and PPSU could be successfully worked out and the introduction of PPSU as membrane material in water treatment is promising.