Preparation of cellulose-based filtration membranes with stimuli-responsive properties

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2013

Department

Kemian laitos

Major/Subject

Polymeeriteknologia

Mcode

Kem-100

Degree programme

Language

en

Pages

vi + 64 + [7]

Series

Abstract

Membranes are major components of many water-intensive industrial processes. Fouling, one of membrane technology's main challenges, decreases permeability and increases the need for cleaning. Anti-fouling properties of membranes can be enhanced for example by surface treatment by chemical modification. Additionally, smart cleaning behaviour can be achieved by incorporating stimuli-responsive polymers onto filtration membrane surfaces. When fouling occurs, membrane pores can be temporarily and reversibly enlarged by an external stimulus to aid cleaning. In this study, polysaccharides were chemically modified by adding allylic double bonds to their backbone. Furthermore, these highly reactive double bonds were used for crosslinking and grafting poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) to integrate a temperature-responsive property. Hydrogel and membrane samples were prepared. <sup>13</sup>C NMR, SEM, chromatographic bromine analysis, DSC, elementary analysis and CR-filtration tests were used to characterize prepared samples. Results of this study demonstrated that cellulosic materials were modified into cellulosic derivatives containing moderate amounts of allyl double bonds. These derivatives were capable of crosslinking and could be grafted with PNIPAM with high grafting efficiencies. LCST of PNIPAM altered slightly depending on the matrix material. Commercial membranes and filter materials were modified by applying these cellulosic derivatives. Stable coatings that changed the surface morphologies were formed, but a temperature-response was not observed around the LCST of PNIPAM in permeability measurements.

Membraaneja käytetään teollisuudessa prosessivesien suodattamiseen. Membraanien ja suodattimien likaantuminen on yksi membraaniteknologian suurimmista haasteista. Suodattimen pinnalle kertyvä lika tukkii huokoset, pienentää läpivirtausta ja heikentää muita suodatinominaisuuksia. Kemiallisen muokkauksen avulla suodattimen pintaa voidaan muokata likaantumista estävien tai puhdistamista helpottavien ominaisuuksien parantamiseksi. Yksi tapa on käyttää suodattimissa heräteherkkiä polymeerejä, joiden avulla membraanin huokoskokoa voidaan säädellä ulkoisen ärsykkeen avulla. Tässä työssä polysakkarideja muokattiin kemiallisesti liittämällä niihin allyyliryhmiä. Näitä polysakkaridijohdannaisia käytettiin ristisilloittajina ja jatkomuokattiin oksastamalla niihin lämpöherkkää poly(N-isopropyyliakryyliamidia) (PNIPAM). Valmistettuja hydrogeeli- ja membraaninäytteitä analysoitiin <sup>13</sup>C NMR-, SEM-, DSC- ja CR-suodinkoemenetelmillä. Lisaksi analysoinnissa ja karakterisoinnissa käytettiin kromatografista bromianalyysia ja alkuaineanalyysia. Työn tulokset osoittivat, että valmistetut polysakkaridijohdannaiset sisälsivät allyyliryhmiä ja pystyivät ristisilloittumaan itsensä kanssa. Lisäksi niihin oli mahdollista oksastaa PNIPAM:ia tehokkaasti. PNIPAM:in lämpötilaherkkä alue muuttui hieman riippuen siitä, mihin matriisiin se oli oksastettu. Kaupallisia membraaneja ja suodatusmateriaaleja muokattiin valmistetuilla polysakkaridijohdannaisilla. Pysyvät pinnoitteet muuttivat suodatinmateriaalien pintarakennetta. PNIPAM-polymeeriin liittyvää lämpötilavastetta ei kuitenkaan havaittu virtausmittauksissa.

Description

Supervisor

Seppälä, Jukka

Thesis advisor

Setälä. Harri

Keywords

stimuli-responsive polymers, heräteherkät polymeerit, filtration membranes, suodatusmembraanit, cellulose, selluloosa, grafting, oksastus, surface functionalization, pintafunktionalisointi, PNIPAM

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122859539

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM