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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-19072016-114431
Document
Author
Full name
Raphael Rodrigues
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2015
Supervisor
Committee
Mierzwa, José Carlos (President)
Borges, Cristiano Piacsek
Diaz, Francisco Rolando Valenzuela
Ferreira, Carlos Arthur
Teixeira, Antonio Carlos Silva Costa
Title in English
Synthesis and characterization of polysulfone/nanoclay/polyethylene oxide composite ultrafiltration membranes.
Keywords in English
Nanoclay
Polyethylene oxide
Polymeric membranes
Polysulfone
Water and waterwater treatment
Abstract in English
Membrane structure modification is a common approach to enhance membrane properties and performance. For example, the addition of dopants to the membrane casting solution has been observed to increase hydrophilicity, alter surface and internal pore structure, increase thermal and mechanical resistance, and impart anti-fouling properties. In this study, it was evaluated how the addition of individual and simultaneous nanoclay and polyethylene oxide (PEO) dopants affected the structure and performance of polysulfone (PSU) ultrafiltration membranes. Membrane performance was evaluated in the cross-flow configuration. The pure water permeability of the neat PSU membrane was 15 L/m².h.bar and at the optimal dosage of the individually doped membranes was 1.5% weight nanoclay to PSU and 5% weight PEO to PSU resulting in permeability of 56 and 237 L/m².h.bar, respectively. Simultaneous doping using the optimal individual weight percentages had a lower effect resulting in a permeability of 192 L/m².h.bar, in contrast the simultaneous addition of 4.5% nanoclay and 5% PEO had a higher effect resulting in a permeability of 319 L/m².h.bar. The control membrane was compared to the referred membranes and with the 4.5% nanoclay membrane (best permeability only when combined with PEO). These membranes were further examined to determine dopant effects on pore microstructure, superficial charge, separation performance, and fouling susceptibility. In general, doping with nanoclay improved membrane thermal/mechanical resistance and permeability with minimal loss in rejection. Doping with PEO resulted in a greater permeability as compared to nanoclay; however, PEO doping decreased rejection, mechanical resistance, and increased irreversible fouling. Thus, both advantageous and disadvantageous effects should be considered when selecting a dopant to optimize membrane performance.
Title in Portuguese
Síntese e caracterização de membranas compósitas de polisulfona para ultrafiltração modificadas com nanoargila e polióxido de etileno.
Keywords in Portuguese
Efluentes (Tratamento)
Membranas poliméricas
Nanoargila
Polióxido de etileno
Polisulfona
Tratamento de água e esgotos
Ultrafiltração
Abstract in Portuguese
A modificação da estrutura de membranas é uma abordagem utilizada para melhorar as propriedades de membranas e desempenho de um sistema. Por exemplo, a adição de dopantes na solução de síntese da membrana permite aumentar a hidrofilicidade, alterar a estrutura de poros superficiais e internos e conferir propriedades anti-depósitos. Neste estudo, foi avaliada como a adição de óxido de polietileno e de nano-argila afetam a estrutura e desempenho de membranas de ultrafiltração de polisulfona (PSU). O desempenho da membrana foi avaliado na configuração de fluxo paralelo (cross-flow). A permeabilidade média à água pura da membrana de PSU pura foi de 15 L/m2.h.bar. As dosagem ótimas das membranas dopadas individualmente foram de 1,5% em massa de PSU para nano-argila e 5% em massa de PSU para PEO, resultando em permeabilidades médias de 56 e 237 L/m2.h.bar, respectivamente. A dopagem simultânea usando ambas as percentagens individuais ótimas teve um efeito menor do que o esperado, resultando em uma permeabilidade média de 192 L/m2.h.bar. Em contraste, verificou-se que a adição simultânea de 4,5% de nano-argila combinada com 5% de PEO teve um efeito maior do que o uso isolado dos aditivos, resultando em uma permeabilidade média de 319 L/m2.h.bar. Desta forma, a membrana de controle foi comparada com as referidas membranas e com membranas compostas somente por nano-argila a 4,5. Estas membranas foram ainda examinadas em detalhes para determinar os efeitos dos dopantes na microestrutura dos poros, cargas superficiais, desempenho da separação, sensibilidade à formação de depósitos, rugosidade superficial e propriedades térmicas e mecânicas. Verificou-se que a dopagem com nano-argila melhora a resistência térmica e mecânica e a permeabilidade das membranas, com uma perda mínima na rejeição. A dopagem com PEO resultou em um aumento notável de permeabilidade em comparação com a adição individual de nano-argila. No entanto, a capacidade de rejeição e resistência térmica e mecânica destas membranas diminuem e a formação de depósitos irreversíveis aumenta. Desta forma, avalia-se que para a utilização de mais de um tipo de dopante os efeitos vantajosos e desvantajosos devem ser considerados individualmente e em conjunto no esforço de se otimizar o desempenho de sistemas de membranas.
 
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Publishing Date
2016-07-19
 
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