Συμβολή στον χαρακτηρισμό των μεμβρανών: εκτίμηση της υδροφοβικότητας με χρησιμοποίηση διαλυμάτων επιφανειακά ενεργών ουσιών

Abstract

In the present thesis, the characterisation of UF membranes is investigated using surfactants at concentration above CMC. The phenomena involved in UF separation are examined and the interactions developed at membrane - surfactant system interface are determined. In ultrafiltration of surfactant micelles and in MEUF, where solubilization takes place, the classification of membranes based on their interaction behaviour is possible. Particularly, this research work consists of three experimental sections: adsorption of non - ionic surfactants on various polymeric ultrafiltration membranes, solubilization of alachlor (pesticide) in non-ionic surfactant micelles,ultrafiltration of aqueous micellar solutions of non - ionic surfactants and aqueous micellar solutions of non - ionic surfactants - alachlor (MEUF). In the above three experimental sections, two homologue series of non - ionic surfactants are used. The investigation of adsorption includes static adsorption experiments on a variety of polymeric ultrafiltration membranes with the same cut - off (20000) but with different chemical structure. Surfactant solutions are used at concentrations above CMC. Adsorption isotherms are derived from the experimental results for each system of membrane - surfactant species. The data are fitted to the Langmuir model. The adsorption effectiveness is related to the hydrophilicity - hydrophobicity ratio of surfactants, which determines mainly the type of developed interactions at the interface of membrane - surfactant species (monomers and micelles). It is observed an alteration in the adsorption behaviour of the membranes tested which is attributed to the different chemical structure of the membrane and the non specified modifications during their manufacturing process. The morphology of the membrane surface is examined by applying Atomic Force Microscopy. The AFM images reveal a significant change of membrane surface. In solubilization experimental section, the capability of non-ionic surfactant micelles to dissolve Alachlor pesticide is studied. The rate of solubilization of Alachlor is recorded in solutions containing surfactant at various concentrations. The experimental data were fitted to a first order kinetic model. The rate constant, saturation concentration and enhancement factor are estimated for each surfactant system.The more hydrophilic Neodol series was proved more efficient in alachlor solubilization than Triton series. In ultrafiltration experimental section, crossflow ultrafiltration experiments are performed using micellar solutions of single surfactant and micellar solutions of surfactant containing alachlor pesticide. The membrane used for the ultrafiltration experiments is a commercially available polyethersulphone with 10000 nominal molecular weight cut-off. Flux reduction, flux recovery, concentration polarization and the effectiveness of MEUF for the removal of alachlor are examined. The effect of surfactant hydrophilic to hydrophobic ratio as well as the variation of the surfactant concentration on the flux behaviour characteristics are studied. The observed flux decline and flux recovery values are high and the effect is not due to concentration polarization. The rejection of alachlor achieved is in the range 78 - 89 %.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με το αντικείμενο του χαρακτηρισμού των μεμβρανών υπερδιήθησης με τη χρησιμοποίηση επιφανειακά ενεργών ουσιών. Έτσι εξετάζονται τα φαινόμενα τα οποία πιθανόν να υπεισέρχονται κατά το διαχωρισμό μέσω υπερδιήθησης και δίνεται ερμηνεία μέσω των αλληλεπιδράσεων οι οποίες αναπτύσσονται στην διεπιφάνεια μεμβράνης - συστήματος τασιενεργού. Γίνεται δυνατή η ταξινόμηση των μεμβρανών ως προς την υδροφοβικότητα με βάση τη διαφοροποίηση της συμπεριφοράς τους κατά την υπερδιήθηση μικυλίων τασιενεργών και κατά την ενισχυμένη υπερδιήθηση μέσω μικυλίων όπου υπεισέρχεται και το φαινόμενο της διαλυτοποίησης. Ειδικότερα η μεθοδολογία αποτελείται από τρία διακεκριμένα τμήματα:την:α)την διερεύνηση της προσρόφησης μη ιοντικών τασιενεργών σε ποικιλία μεμβρανών υπερδιήθησης, β)την εξέταση της διαλυτοποίησης της οργανικής τοξικής ένωσης Alachlor σε μικύλια μη ιοντικών τασιενεργών, γ)τη μελέτη της υπερδιήθησης υδατικών διαλυμάτων μικυλίων μη ιοντικών τασιενεργών και της υπερδιήθησης συγκροτημάτων μη ιοντικών τασιενεργών - alachlor. Κοινό στοιχείο είναι η χρήση δύο ομόλογων σειρών μη ιοντικών τασιενεργών. Η προσρόφηση των τασιενεργών πραγματοποιείται σε έναν αριθμό μεμβρανών με διαφορετική χημική δομή αλλά με το ίδιο cut - off (20000). Η μελέτη της προσρόφησης συνίσταται σε στατικά πειράματα προσρόφησης από διαλύματα μικυλίων των μη ιοντικών τασιενεργών, στην κατασκευή των ισόθερμων προσρόφησης και την εξέταση της μορφολογίας της επιφάνειας της μεμβράνης πριν και μετά την προσρόφηση με την μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων. Η έκταση της προσρόφησης στη μεμβράνη υπερδιήθησης επηρεάζεται από το λόγο υδροφοβικότητας - υδροφιλικότητας των τασιενεργών. Παρατηρείται διαφοροποίηση στη συμπεριφορά των εξεταζομένων μεμβρανών που αποδίδεται αφενός στη διαφορετική δομή και αφετέρου σε άγνωστες τροποποιήσεις στη δομή κατά την κατασκευή τους.Τα πειραματικά δεδομένα της προσρόφησης φαίνεται γενικά να ικανοποιούν το μαθηματικό μοντέλο της ισόθερμης τύπου Langmuir.Η μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων αποκαλύπτει σημαντική τροποποίηση της μορφολογίας της άνω επιφάνειας της μεμβράνης. Στην εργασία της διαλυτοποίησης μελετάται η ικανότητα των μικυλίων μη ιοντικών τασιενεργών να διαλυτοποιούν το φυτοφάρμακο alachlor. Καταγράφεται ο ρυθμός διαλυτοποίησης μιας επαρκούς ποσότητας alachlor (για κορεσμό) σε υδατικά διαλύματα που περιέχουν τα μικύλια των μη ιοντικών τασιενεργών σε διάφορες συγκεντρώσεις. Τα πειραματικά δεδομένα προσαρμόζονται σε ένα κινητικό μοντέλο πρώτης τάξης. Η σταθερά του ρυθμού, η συγκέντρωση κορεσμού, και ο παράγοντας ενίσχυσης εκτιμώνται για κάθε σύστημα τασιενεργού. Η εξέταση της υπερδιήθησης περιλαμβάνει πειράματα υπερδιήθησης εφαπτομενικής ροής με διαλύματα μικυλίων κάθε τασιενεργού και διαλύματα μικυλίων τασιενεργού περιέχοντα το φυτοφάρμακο alachlor.Η μεμβράνη που χρησιμοποιείται είναι πολυαιθεροσουλφόνη με ονομαστικό cut - off 10000. Διερευνώνται η μείωση ροής, η ανάκτηση ροής, η εμφάνιση του φαινομένου πόλωσης συγκέντρωσης και η αποτελεσματικότητα της διεργασίας ενισχυμένης υπερδιήθησης μέσω μικυλίων για την απομάκρυνση του φυτοφαρμάκου alachlor. Συσχετίζεται η επίδραση του λόγου υδροφιλικότητας - υδροφοβικότητας, η μεταβολή της συγκέντρωσης με τη συμπεριφορά της ροής. Οι παρατηρούμενες τιμές μείωσης ροής και ανάκτησης της είναι υψηλές και δεν παρουσιάζεται το φαινόμενο της πόλωσης συγκέντρωσης στις συνθήκες διεξαγωγής των πειραμάτων. Ο συντελεστής συγκράτησης του alachlor κυμαίνεται από 78 % έως 89 %.