Synthesis of hybrid membranes for the removal of organic pollutants from water

Abstract

This study investigates the development of novel hybrid membranes for the removal of organic pollutants from water. More specifically, this work aims at the synthesis of highly functional materials with respect to detection sensitivity and selectivity toward persistent and highly toxic water pollutants. The contaminants selected to be examined are pesticides (e.g., atrazine, simazine and desmetryn) and Bisphenol-A, all of them considered as endocrine disruptors. The presence of these substances in the aquatic environment, even in trace concentrations, poses a significant environmental threat to mankind and biodiversity. Additionally, the extensive usage of these chemicals has contributed to secondary pollution as some of their by-products and metabolites could have similar adverse effects on the ecosystem and human health as the parent compounds. Initially, sandwich-type composite membranes were prepared by the confinement of specific functional nanoparticles between two microfiltration membranes. The highly specific nanoparticles were synthesized via precipitation and mini-emulsion polymerization methods. An extensive experimental study was realized in order to assess the effect of important process parameters both on physical properties of the synthesized materials (size, morphology and particle strength/resistance) and also their specificity and adsorption properties. Sandwich-type composite membranes were subsequently prepared, which consisted of middle packed layer of the specific nanoparticles confined between two microfiltration membranes. Additionally, ceramic composite membranes were synthesized. These membranes consisted of a thin polymeric film, acting as a highly selective layer, deposited on a high permeability alumina support membrane. To control the final pore size (i.e., permeability) and the specific surface area (i.e., binding capacity) of the synthesized composite membrane, different ceramic substrates with different morphologies were employed. The adsorption efficiency of the synthesized membranes toward the organic pollutant was initially tested in batch-wise guest binding experiments. Subsequently, the synthesized membranes were tested in dead-end filtration experiments to assess their ability to specifically adsorb the organic pollutant from water samples, at very low concentrations (i.e., down to 1 ppb). A series of experiments were also carried out for the assessment of the adsorption capacity of the regenerated composite membranes and their long-term performance.

Αντικείμενο μελέτης της παρούσας εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη καινοτόμων υβριδικών μεμβρανών για την απομάκρυνση επικίνδυνων οργανικών ρυπαντών από το νερό. Στόχος είναι η σύνθεση υβριδικών μεμβρανών, οι οποίες αποτελούνται από ειδικά προσροφητικά υλικά που φέρουν χαρακτηριστικές/λειτουργικές ομάδες ικανές να αναπτύσσουν ισχυρούς δεσμούς με τους επιβλαβείς οργανικούς ρυπαντές. Οι οργανικοί ρυπαντές που επιλέγονται να εξεταστούν είναι από τα παρασιτοκτόνα η ατραζίνη, η σιμαζίνη και η ντεσμετρίνη και από τους άλλους ενδοκρινικούς διαταράκτες η δισφαινόλη Α. Η ανάπτυξη των υβριδικών μεμβρανών πραγματοποιείται με δύο μεθόδους: α) με τη χρήση πολυμερικών νανοσωματιδίων και β) με τη χρήση κεραμικών υποστρωμάτων. Αρχικά, λαμβάνει χώρα σύνθεση υβριδικών μεμβρανών με τη χρήση βελτιστοποιημένων πολυμερικών νανοσωματιδίων, τα οποία εναποτίθενται ανάμεσα σε δύο υποστηρικτικές μεμβράνες μικροδιήθησης. Τα πολυμερικά νανοσωματίδια παρασκευάζονται χρησιμοποιώντας τις τεχνικές του πολυμερισμού καθίζησης και του πολυμερισμού μινιγαλακτώματος. Ακολουθεί λεπτομερής χαρακτηρισμός των παραγόμενων νανοσωματιδίων ως προς τη μορφολογία τους και εξετάζονται σε στατικά πειράματα ισορροπίας ως προς την ικανότητά τους να προσροφούν τους οργανικούς ρυπαντές από διαλύματα πολικών διαλυτών (ακετονιτρίλιο, νερό). Στη συνέχεια, παρασκευάζονται οι υβριδικές μεμβράνες με την εναπόθεση των βελτιστοποιημένων πολυμερικών νανοσωματιδίων μεταξύ δύο πολυαμιδικών υποστηρικτικών μεμβρανών. Η δεύτερη μέθοδος παρασκευής έγκειται στην εναπόθεση ενός λεπτού πολυμερικού φιλμ σε κεραμικό υπόστρωμα. Για τη δημιουργία σταθερού πολυμερικού φιλμ, ικανού να προσροφά επιλεκτικά τους οργανικούς ρυπαντές, στην επιφάνεια των κεραμικών υποστρωμάτων χρησιμοποιούνται κεραμικές μεμβράνες αλούμινας (Αl2O3) δύο διαφορετικών διαμέτρων (25 και 44 mm), καθώς και με ή όχι επίστρωση διοξειδίου του τιτανίου (TiO2). Στη συνέχεια, οι υβριδικές μεμβράνες που συντίθενται εξετάζονται ως προς την ικανότητά τους να προσροφούν τους οργανικούς ρυπαντές από υδατικά διαλύματα. Ο προσδιορισμός της προσροφητικής ικανότητας των μεμβρανών πραγματοποιείται αρχικά σε στατικά πειράματα ισορροπίας και στη συνέχεια με τη διεξαγωγή κατά μέτωπο διήθησης. Με βάση τα αποτελέσματα προκύπτει ότι οι υβριδικές μεμβράνες παρουσιάζουν αυξημένη προσροφητική ικανότητα κατά τη διήθηση υδατικών διαλυμάτων ατραζίνης και ντεσμετρίνης διαφορετικών συγκεντρώσεων (π.χ. 1000, 500, 100, 10 και 1 ppb) και μεγαλύτερου όγκου (έως 800 ml) και επιτυγχάνουν απομάκρυνση των παρασιτοκτόνων από το νερό ακόμη και σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις. Τέλος, λαμβάνει χώρα εξέταση των παραγόμενων υβριδικών μεμβρανών όσον αφορά στην ικανότητα αναγέννησής τους έτσι ώστε να είναι εφικτή η επαναχρησιμοποίηση τους. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι αναγεννημένες υβριδικές μεμβράνες απομακρύνουν την ίδια ποσότητα οργανικού ρυπαντή και επομένως διατηρούν την προσροφητική τους ικανότητα και είναι εφικτό να επαναχρησιμοποιούνται.