PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF HIGH PERFORMANCE AND FOULING RESISTANT POLYSULFONE MEMBRANES BY USING PBIOH AS A HYDROPHILIC MODIFIER

Abstract

Ultrafiltration is one of the most widely used techniques for water purification. Polysulfone (PSf) is the most commonly used polymer in preparation of ultrafiltration membranes. Poly[2,2^’-(m-phenol)-5,5^’-benzimidazole] (PBIOH) is a hydrocarbon polymer which possess both proton donor (–NH-) and acceptor (–N=) groups. Through these groups, it has high hydrophilicity and good water adsorption capacity. Also PBIOH has higher hydrophilicity than other benzimidazole derivatives with OH groups in the structure. These excellent features make PBIOH a good additive for PSf membranes. Therefore, in this study novel hydrophilic PSf composite membranes were prepared by blending with PBIOH with PSf. Then performance properties were compared with the neat Polysulfone membrane results. When the results were analysed, equilibrium water content and porosity of the blended membranes were higher about 12% and 34% than neat PSf membrane respectively. Contact angle measurement results which performed to determine the membrane surface hydrophilicity, showed that contact angle of PSf membrane was decreased from 69° to 25° with PBIOH additive. Pure water fluxes of blended membranes increased from 228 to 532 L/ m².h with 1.0% PBIOH additive. Furthermore, BSA (Albumin) rejection performance of composite membranes improved by about 40%. The flux recovery ratio results of the membranes showed that PBIOH additive improved fouling resistance of the membranes.

Keywords

• Composite Membrane,PBIOH,Polysulfone,Hydrophilicty

PBIOH SU SEVER KATKISI KULLANILARAK YÜKSEK PERFORMANS VE KİRLENME DİRENÇLİ POLİSÜLFON MEMBRANLARIN HAZIRLANMASI VE KARAKTERİZASYONU

Abstract

Ultrafiltrasyon, su artımında en çok kullanılan tekniklerden biridir. Polisülfon (PSf) ise ultrafiltrasyon membranların hazırlanmasında sıkça kullanılan bir polimerdir. Poli[2,2^’-(m-fenol)-5,5^’-benzimidazol] (PBIOH), yapısında hem proton alıcı (–N=)  hem de proton verici (–NH-) gruplar barındırmaktadır. Sahip olduğu bu gruplar sayesinde yüksek su severlik ve su adsorplama kapasitesine sahip bir polimerdir. Ayrıca yapısındaki OH grubu, diğer benzimidazol türevlerine göre su severliğini daha da artırmaktadır. Bu mükemmel özellikler PBIOH’ı PSf membranlar için ideal bir katkı maddesi haline getirmektedir. Bu çalışmada, PSf içerisinde PBIOH katkısı kullanılarak, koagülasyon ortamında, daldırma ile çöktürme tekniği ile faz dönüşümü sonucunda, yeni, su sever yapılı kompozit membranlar, elde edilmiştir. Elde edilen membranların karakterizasyonu için FTIR, SEM, temas açısı, gözeneklilik ve gözenek boyutu analizleri gerçekleştirilmiştir. Membran performansları ise akış, dışlama ve akış geri kazanım oranları ile incelenmiştir. Membranların yapısal ve performans özellikleri ham PSf membrana ait sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar değerlendirildiğinde, PBIOH katkılı kompozit membranların denge su içeriği ve gözeneklilik özelliklerinin ham PSf membrana göre sırası ile %12 ve %34 oranlarında daha iyi olduğu görülmüştür. Membran yüzey su severliklerini belirlemek amacı ile gerçekleştirilen temas açısı ölçümlerinde ise ham PSf’nin temas açısı 69° iken PBIOH katkılı membranlarda bu açının 25° ye kadar azaldığı belirlenmiştir. Yine ham PSf membranda 228 (L/m².sa) olan saf su akışı, %1 oranında PBIOH katkısı ile 532 (L/m².sa) değerine kadar yükselmiştir. Albümin (BSA) ile gerçekleştirilen dışlama çalışmalarında da PBIOH katkısı ile dışlama performansının %40 oranında daha iyi hale geldiği görülmüştür. Akış geri kazanım oranı sonuçları ise PBIOH katkısı kullanılarak hazırlanan kompozit membranların ham PSf membrana göre daha yüksek kirlenme direncine sahip olduğunu göstermiştir.

Keywords

• Kompozit Membran,PBIOH,Polisülfon,Su severlik

References

1. [1] Cassano, A., Conidi, C. and Drioli, E., Physico-chemical parameters of cactus pear (Opuntia ficus-indica) juice clarified by microfiltration and ultrafiltration processes, Desalination, 250, 1101-1104 (2010).
2. [2] Urtiaga, A.M., Pérez, G., Ibáñez, R. and Ortiz, I., Removal of pharmaceuticals from a WWTP secondary effluent by ultrafiltration/reverse osmosis followed by electrochemical oxidation of the RO concentrate, Desalination, 331, 26–34 (2013).
3. [3] Kumar, R., Isloor, A.M., Ismail, A.F. and Matsuura, T., Performance improvement of polysulfone ultrafiltration membrane using N-succinylchitosan asadditive, Desalination, 318, 1-8 (2013).
4. [4] Zhang, W., Huang, G., Wei, J. and Yan, D., Gemini micellar enhanced ultrafiltration (GMEUF) process for the treatment of phenol wastewater, Desalination, 311-31-36 (2013).
5. [5] Ma, Y., Shi, F., Wang, Z., Wu, M., Ma, J. and Gao, C., Preparation and characterization of PSf/clay nanocomposite membranes with PEG 400 as a pore forming additive, Desalination, 286, 131-137 (2012).
6. [6] Kalaiselvi, G., Maheswari, P., Balasubramanian, S. and Mohan, D., Synthesis, characterization of polyelectrolyte and performance evaluation of polyelectrolyte incorporated polysulfone ultrafiltration membrane for metal ion removal, Desalination, 325, 65-65 (2013).
7. [7] Matin, A., Khan, Z., Zaidi, S.M.J. and Boyce, M.C., Biofouling in reverse osmosis membranes for seawater desalination: Phenomena and Prevention, Desalination, 281, 1-16 (2011).
8. [8] Xing, D.Y., Chan, S.Y. and Chung, T.S., Fabrication of porous and interconnected PBI/ P84 ultrafiltration membranes using [EMIM]OAc as the green solvent, Chem. Eng. Sci., 87, 194-203 (2013).

9. [9] Wang, Y., Gruender, M. and Chung, T.S., Pervaporation dehydration of ethylene glycol through polybenzimidazole (PBI)-based membranes, Journal of Memebrane Science, 363, 149–159 (2010).
10. [10] Eren, E., Sarihan, A., Eren, B., Gumus, H. and Kocak, F.O., Preparation, characterization and performance enhancement of polysulfone ultrafiltration membrane using PBI as hydrophilic modifier, Journal of Membrane Science, 475, 1-8 (2015).
11. [11] Ogunlaja, A.S., Sauyoy, C., Torto, N., Tshentu, Z.R., Design, fabrication and evaluation of intelligent sulfone-selective polybenzimidazole nanofibers, Talanta, 126, 61-72 (2014).
12. [12] Huang, J.Y., Xue, J.M., Xiang, K.W., Sun, S.D., Zhao, C.S., Surface modification of polyethersulfone membranes by blending triblock copolymers of methoxyl poly(ethylene glycol)-polyurethane-methoxyl poly(ethylene glycol), Colloid Surf B, 88, 315-24 (2011).
13. [13] Lee, W-J., Kim, K., Khan, S-B., Han, P., Seo, J., Jang, W., Han, H., Synthesis, Characterization, and Thermal and Proton Conductivity Evaluation of 2,5-Polybenzimidazole Composite Membranes, Hindawi Publishing Corporation Journal of Nanomaterials, Article ID 460232, (2014).