Optimization of pervaporation separation of isopropanol-water mixture using novel membranes based on sodium alginate modified with fullerene derivatives and polyelectrolytes

Abstract

В рамках данной работы с целью оптимизации процесса первапорационной дегидратации изопропанола были разработаны новые композиционные мембраны из альгината натрия (АН) с применением различных стратегий для улучшения транспортных свойств: (I) выбор пористой подложки для нанесения тонкого селективного АН слоя; (II) объемная модификация путем введения 5 масс.% водорастворимых производных фуллерена (фуллеренола и производного фуллерена с L-аргинином) в АН матрицу; (III) поверхностная модификация методом ионного наслаивания путем нанесения 5 бислоев полиэлектролитных (ПЭЛ) пар (полистиролсульфонат (ПСС)/хитозан, ПСС/полиаллиламин гидрохлорид (ПАГ), ПСС/АН и полиакриловая кислота (ПАК)/АН). Структура разработанных мембран были изучены методами ИК-Фурье спектроскопии, сканирующей электронной (СЭМ) и атомно-силовой (АСМ) микроскопии. Транспортные свойства разработанных мембран были оценены в первапорации для разделения смеси вода/изопропанол в широком концентрационном диапазоне (12–70 масс. % воды). Сшитая хлоридом кальция композиционная мембрана с тонким селективным слоем из АН/фуллеренол (5%) композита, нанесенным на пористую подложку из полиакрилонитрила (ПАН), и поверхностно модифицированная 5 бислоями ПСС/АН продемонстрировала улучшенные транспортные свойства: самая высокая удельная производительность (0,68-1,8 кг/м2ч) при сохранении высокой селективности по отношению к воде (не менее 99,7 масс. % воды в пермеате) при первапорационной дегидратации изопропанола (12-70 масс. % воды) при 22 °C. Таким образом, было показано, что совместное применение объемной и поверхностной модификаций существенно улучшает характеристики мембраны при первапорационной дегидратации. Данная мембрана является перспективной для промышленного применения с целью оптимизации процессов первапорационной дегидратации.In this work, to optimize the pervaporation dehydration of isopropyl alcohol, novel supported membranes based on sodium alginate (SA) were developed using various strategies to improve transport properties: (I) porous support selection for deposition of a thin selective SA layer; (II) bulk modification by introducing 5 wt.% water-soluble fullerene derivatives (fullerenol and fullerene derivative with L-arginine) into the SA matrix; (III) surface modification by layer-by-layer technique with the deposition of 5 bilayers of polyelectrolyte (PEL) pairs (polystyrenesulfonate (PSS)/chitosan, PSS/polyallylamine hydrochloride (PAH), PSS/SA and polyacrylic acid (PAA)/SA). The structure of the developed membranes was studied by IR-Fourier spectroscopy, scanning electron (SEM) and atomic force (AFM) microscopy. The transport properties of the developed membranes were evaluated in pervaporation separation of a water/isopropyl alcohol mixture in a wide concentration range (12–70 wt.% water in the feed). A cross-linked by calcium chloride supported membrane with a thin selective layer based on SA/fullerenol (5%) composite deposited onto the porous polyacrylonitrile (PAN) substrate and surface-modified with 5 PSS/SA bilayers demonstrated improved transport properties: the highest permeation flux (0.68-1.8 kg/(m2h)) maintaining high selectivity to water (not less than 99.7 wt.% water in the permeate) during pervaporation dehydration of isopropyl alcohol (12-70 wt.% water) at 22 °C. Thus, it was shown that the combined use of bulk and surface modifications significantly improved the characteristics of the membrane during pervaporation dehydration. This membrane is promising for industrial use in order to optimize the processes of pervaporation dehydration.