Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Prevention of surface membrane biofouling

Łukasz Ambryszewski

Abstract

70% of the Earth's surface is covered with water, however, fresh water that is available for humans and the ecosystem accounts for only 0.01% of the total quantity of water resources. According to estimates by the United Nations, in 2025 1.8 billion people will be living in regions with absolute water deficiency, and two thirds of the world population may live in conditions of water stress. The availability of fresh water in the world per capita has decreased suddenly as a result of an increasing demand related to economic development and population growth. A partial solution to the problem of limited access to water is the implementation of technologies used for water treatment. Therefore, more and more often water treatment processing systems are equipped with newer unit processes, enabling the removal of all kinds of pollution that is found in surface water, groundwater and wastewater. This group of processes includes membrane separation. In the membrane separation process, the separation of components on the membrane takes place in a purely physical way. The essence of membrane separation is separation or concentration of a particular component without completely eliminating it. A common feature for all membrane separation processes is the fact that it takes place due to the presence of the membrane. With time, however, membrane fouling and biofouling occur, which involve a process where substance or microorganisms found in the water deposit onto a membrane surface. In the case of biofouling, the surface fouls due to living microorganisms colonizing. Fouling can be reversible if the deposit formed on the membrane surface can be completely removed and thus restore its initial efficiency. Irreversible coating occurs inside the membrane pores and therefore mechanical, and even chemical, cleaning does not always yield good results. It was decided to modify the membrane surface in such a way that the newly formed surface be resistant to biofouling and be self-cleaning. In order to achieve it, the membrane surface was coated with hydrogels. A synthesis of hydrogels containing poly(vinyl alcohol), poly(ethylene glycol dimethacrylate), poly(N-isopropylacrylamide), poly(acrylic acid) and a hydrophilic SiO2 was carried out. Poly(N-isopropylacrylamide) and poly(acrylic acid) belong to polymers, which are characterized by stimuli-responsive properties, that is they react (correspond) to change of the stimulus coming from the external environment. Poly(N-isopropylacrylamide) is sensitive to a change in temperature, which in practice leads to swelling or shrinkage of the hydrogel containing this polymer, depending on the temperature. On the other hand, a hydrogel containing poly(acrylic acid) swells or shrinks due to changes in pH. It was decided to use the above-mentioned properties to membrane self-cleaning. For this purpose, capillary membranes were coated with synthesized hydrogels by moving them through a U-tube filled with hydrogel, whose viscosity in relation to water was pre-determined. Later on, photomicrographs of membrane surfaces covered with different hydrogels were taken, then collected and compared. Hydrogel-coated membranes were soaked in deionized water in order to check what quantity of monomer did not react. It turned out that part of the monomer is washed from the hydrogel. The membranes were also soaked so as to take photomicrographs of their surfaces to see how the hydrogel layer behaves in contact with water. The tightness of the hydrogel layer on the surface of polypropylene capillary membranes was examined and compared with each other. It was found that for certain hydrogels, layers are not tight. Polypropylene membranes were coated with hydrogels in the form of nonwoven fabric, and then the permeability of layers formed in this way was examined. Hydrogel samples were prepared by putting hydrogel on silicon wafers and sent for AFM microscopy study in one of the institutes in Slovenia in order to examine the degree of swelling and stimuli-responsive properties of synthesized hydrogels. The degree of swelling was also studied using a quartz microbalance. Finally, the studied capillaries were placed into activated sludge where they remained for a period of three months in order to investigate the resistance of their surface on fouling. After removing the capillaries from the sludge, photomicrographs of the studied surfaces were taken, collected and compared. Regardless of the presented study results, it should be emphasized that self-cleaning membrane technology can be a cheap and easy way to improve membrane separation techniques, significantly prolonging the lifetime and lowering operating costs. It is therefore recommended to continue studies on this innovative technology.
Record ID
WUTc234f6f7307e44f1aec46e2f8643577b
Diploma type
Master of Science
Author
Łukasz Ambryszewski Łukasz Ambryszewski,, Undefined Affiliation
Title in Polish
Zapobieganie biofoulingowi powierzchni membranowych
Supervisor
Wojciech Fabianowski (FC/CPCT) Wojciech Fabianowski,, Chair Of Polymer Chemistry And Technology (FC/CPCT)Faculty of Chemistry (FC)
Certifying unit
Faculty of Chemistry (FC)
Affiliation unit
Chair Of Polymer Chemistry And Technology (FC/CPCT)
Study subject / specialization
, Technologia Chemiczna
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
20-12-2012
Issue date (year)
2012
Keywords in Polish
-
Keywords in English
-
Abstract in Polish
Powierzchnia Ziemi w 70% pokryta jest wodami, jednak słodka woda dostępna dla człowieka i ekosystemu stanowi zaledwie 0,01% całkowitej ilości zasobów wód. Według szacunkowych danych Organizacji Narodów Zjednoczonych w 2025 roku 1,8 miliarda ludności będzie mieszkać w regionach z absolutnym niedoborem wody, a 2/3 światowej populacji może żyć w warunkach stresu wodnego. Dostępność wody słodkiej na świecie per capita spadła gwałtownie w wyniku rosnącego zapotrzebowania związanego z rozwojem gospodarczym i wzrostem populacji. Częściowym rozwiązaniem problemu ograniczonego dostępu do wody jest wdrażanie technologii służących oczyszczaniu wód. Dlatego też do układów technologicznych uzdatniania wody wprowadza się coraz to nowsze procesy jednostkowe, pozwalające na usunięcie z wody różnego rodzaju zanieczyszczeń występujących zarówno w wodach powierzchniowych, podziemnych oraz ściekach. Do tej grupy procesów zalicza się procesy separacji membranowej. W procesach separacji membranowej rozdzielanie składników na membranie przebiega na sposób czysto fizyczny. Istotą separacji membranowej jest wydzielenie lub zatężenie danego składnika bez jego całkowitej eliminacji. Wspólną cechą dla wszystkich procesów separacji membranowej jest to, że proces zachodzi dzięki obecności membrany. Z czasem dochodzi jednak do foulingu oraz biofoulingu membran czyli odkładania się na ich powierzchni substancji oraz mikroorganizmów znajdujących się w wodzie. W przypadku biofoulingu dochodzi do zarastania powierzchni na skutek jej kolonizacji przez mikroorganizmy żywe. Fouling może mieć charakter odwracalny jeżeli utworzony na powierzchni membrany osad można całkowicie usunąć i w ten sposób odtworzyć początkową jej wydajność. Nieodwracalne powlekanie występuje natomiast wewnątrz porów membrany i dlatego mechaniczne, a nawet chemiczne czyszczenie nie zawsze daje dobre wyniki. Dlatego postanowiono zmodyfikować powierzchnię membran w ten sposób aby nowo utworzona, była odporna na biofouling oraz samoczynnie oczyszczała się. W tym celu powierzchnię membran pokryto hydrożelami. Przeprowadzono syntezę hydrożeli zawierających w swoim składzie poli(alkohol winylowy), poli(dimetakrylan glikolu etylenowego), poli(N-izopropyloakryloamid), poli(kwas akrylowy) oraz SiO2 hydrofilowy. Poli(N-izopropyloakryloamid) oraz poli(kwas akrylowy) należą do polimerów charakteryzujących się właściwościami stimuli responsive tzn. reagują (odpowiadają) na zmianę bodźca pochodzącego ze środowiska zewnętrznego. Poli(N-izopropyloakryloamid) jest wrażliwy na zmianę temperatury, co w praktyce sprowadza się do pęcznienia bądź kurczenia hydrożelu zawierającego ten polimer, w zależności od temperatury w jakiej się znajduje. Natomiast hydrożel zawierający poli(kwas akrylowy) pęcznieje bądź kurczy się na skutek zmiany pH. Powyższe właściwości postanowiono wykorzystać do samooczyszczania się membran. W tym celu kapilarne membrany polipropylenowe pokryto zsyntetyzowanymi hydrożelami, przeciągając je przez U-rurkę wypełnioną hydrożelem, którego lepkość wcześniej wyznaczono względem wody. Wykonano następnie zdjęcia mikroskopowe powierzchni membran pokrytych różnymi hydrożelami, zestawiono ze sobą i następnie porównano. Pokryte hydrożelem membrany moczono w wodzie zdemineralizowanej celem sprawdzenia jaka ilość monomeru nie przereagowała. Okazało się, że część monomeru zostaje wymyta z hydrożelu. Membrany moczono również w celu wykonania zdjęć mikroskopowych powierzchni aby sprawdzić jak hydrożelowa warstwa zachowuje się w kontakcie z wodą. Zbadano szczelność warstw hydrożelowych na powierzchni polipropylenowych membran kapilarnych i porównano je ze sobą. Okazało się, że dla niektórych hydrożeli warstwy te nie są szczelne. Hydrożelami pokryto polipropylenową membranę w postaci włókniny, a następnie sprawdzono przepuszczalność utworzonych w ten sposób warstw. Sporządzono próbki hydrożeli poprzez nałożenie na płytki krzemowe i następnie wysłano do badania mikroskopią AFM w jednym z instytutów w Słowenii, celem zbadania stopnia spęcznienia oraz właściwości stimuli responsive zsyntetyzowanych hydrożeli. Stopień spęcznienia badano również za pomocą mikrowagi kwarcowej. Na koniec badane kapilary umieszczono w osadzie czynnym, gdzie przebywały przez okres 3 miesięcy, celem zbadania odporności ich powierzchni na zjawisko biofouling. Po wyjęciu kapilar z osadu czynnego wykonano zdjęcia mikroskopowe badanych powierzchni, zestawiono ze sobą i następnie porównano. Niezależnie od zaprezentowanych wyników badań należy podkreślić, że technologia samooczyszczających się membran może być tanim i prostym sposobem usprawnienia membranowych technik rozdziału, w znacznym stopniu wydłużającym żywotność oraz obniżającym koszty eksploatacji. Wskazane jest więc kontynuowanie badań nad tą nowatorską technologią.
File
  • File: 1
    Praca Magisterska Łukasz Ambryszewski Zapobieganie biofoulingowi powierzchni membranowych.doc
Request a WCAG compliant version

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUTc234f6f7307e44f1aec46e2f8643577b/
URN
urn:pw-repo:WUTc234f6f7307e44f1aec46e2f8643577b

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page