Optimisation of pervaporation and ultrafiltration processes by novel membranes based on polyphenylene isophtalamide/titanium oxide(IV) composite

Abstract

В настоящее время мембранные технологии пользуются большой популярностью в связи с тем, что они обладают такими преимуществами как непрерывность процесса, возможность его автоматизации, безопасность, низкое энергопотребление, компактное оборудование и экологичность. В дипломной работе рассматриваются два мембранных процесса, применяемых для разделения жидких смесей – ультрафильтрация и первапорация. Ультрафильтрация применяется во многих отраслях промышленности благодаря её способности отделять высокомолекулярные компоненты растворов от низкомолекулярных и также является перспективным методом для удаления загрязняющих веществ (например, масло) из воды. Первапорация, в основном, применяется для разделения органических и водно-органических смесей, состоящих из низкомолекулярных компонентов. В ряд её преимуществ входит возможность разделения азеотропных и изомерных смесей, близкокипящих и термически неустойчивых веществ. Однако, быстрое развитие мембранных процессов требует поиска новых материалов и создания высокоэффективных мембран на их основе. Введение в мембранную матрицу различных оксидов (диоксид титана, оксид цинка и графена) рассматривается как перспективный способ улучшения транспортных свойств мембран и повышения их устойчивости к загрязнению. В данной работе был выбран поли(м-фениленизофталамид) (ПА) в качестве мембранного материала. Данный полимерный материал отличается высокой теплостойкостью, химической и механической устойчивостью и высокой производительностью. В качестве мембранного модификатора был использован диоксид титана (TiO2) – коммерчески доступный гидрофильный материал с фотокаталитическими свойствами. Разработка мембран для ультрафильтрации и первапорации на основе композитов ПА/TiO2 с улучшенными транспортными характеристиками и повышенной устойчивостью к загрязнению является актуальной задачей и перспективным направлением исследований в области мембранных технологий. Таким образом, целью данной работы является оптимизация процессов первапорации и ультрафильтрации посредством разработки новых мембран на основе композитов поли(м-фениленизофталамид)/TiO2.

Membrane technology is nowadays growing in popularity because of its advantages: it is a continuous, safe process that can be automated, requires only compact equipment, and is eco-friendly due to its low energy consumption. Two membrane processes used for separating liquids are studied in this graduate work – ultrafiltration and pervaporation. Ultrafiltration is used in many industry sectors because of its ability to separate components of a solution by molecular weight. Ultrafiltration is also a promising method for removing contaminants (for example, oil) from water. Pervaporation is mostly used to separate low molecular weight organic and mixed aqueous-organic solutions. Pervaporation also has the benefit of providing a possibility to separate azeotropic and isomeric solutions as well as close-boiling and thermally unstable components. However, the rapid development of membrane technology requires the search for new materials for the development of highly efficient membranes. Insertion of various oxides (titanium dioxide, zinc and graphene oxide) into the membrane matrix is considered a promising method for the improvement of membrane transport properties and fouling resistance. In this work, poly(m-phenyleneisophtalamide) (PA) was chosen as a membrane material. PA is a high-performing polymer material with high thermal, chemical and mechanical stability. Titanium dioxide (TiO2) was chosen as a membrane modificator. Titanium dioxide is a commercially available, hydrophilic material with photocatalytic properties. The development of ultrafiltration and pervaporation membranes based on PA/TiO2 composites with improved transport properties and fouling resistance is a topic of current interest and a promising research area in membrane technology. Consequently, the aim of this work is the optimization of pervaporation and ultrafiltration processes by developing new membranes based on PA/TiO2 composites.