Разделение водонефтяных эмульсий на поверхностно-модифицированных капиллярных ультрафильтрационных мембранах

Введение. Накопление нефтесодержащих сточных вод в окружающей среде становится все более серьезной угрозой экосистеме и здоровью человека. Исследовали модификацию ультрафильтрационной PVDF мембраны с целью создания гидрофильного слоя на ее поверхности, повышения производительности и увеличения противообрастающих свойств при очистке водонефтяных эмульсий.

Материалы и методы. Использовались половолоконные капиллярные мембраны PVDF с порами диаметром 0,1 мкм. Мембраны были подвергнуты двухступенчатой модификации, которая включала обработку таниновой кислотой и последующее окисление перманганатом калия в различных буферных растворах. Для создания модельных водонефтяных эмульсий применялись масло моторное, керосин, дистиллированная вода и додецилсульфат натрия. Все эксперименты по разделению водонефтяных эмульсий проводили при поддержании постоянного давления фильтрации 1 бар на приготовленной фильтровальной ячейке в тупиковом режиме. Приготовленные модельные растворы выполнены с применением додецилсульфата натрия и содержали загрязняющие вещества — моторное масло или керосин. Фильтрат после мембраны отбирали для определения проницаемости и эффективности разделения растворов. Модификация поверхности оказала положительное влияние на эффективность задержания нефтепродуктов. При разделении эмульсии моторного масла эффективность достигала 99 %, содержание нефтепродуктов во всех пробах фильтрата было ниже 0,4 мг/л. В случае с разделением эмульсии керосина наблюдали незначительное снижение эффективности очистки до 95 %, содержание нефтепродуктов — ниже 1,15 мг/л.

Результаты. Полученные результаты показали значительное увеличение производительности и эффективности разделения. Удельная производительность мембраны увеличилась до 143 % при разделении моторного масла и до 67 % при разделении керосина.

Выводы. Модифицированные мембраны продемонстрировали высокую эффективность удаления нефтепродуктов, до 99 % для моторного масла и до 98 % для керосина, также обладали высокой степенью восстановления потока (FRR) до 91 %. Данные результаты могут быть перспективными для масштабирования.

1. Bensadok K., Belkacem M., Nezzal G. Treatment of cutting oil/water emulsion by coupling coagulation and dissolved air flotation. Desalination. 2007; 206(1-3):440-448. DOI: 10.1016/j.desal.2006.02.070

2. Wang L., Zhang J., Wang S., Yu J., Hu W., Jiao F. Preparation of a polystyrene-based super-hydrophilic mesh and evaluation of its oil/water separation performance. Journal of Membrane Science. 2020; 597:117747. DOI: 10.1016/j.memsci.2019.117747

3. Krebs T., Schroën C.G.P.H., Boom R.M. Separation kinetics of an oil-in-water emulsion under enhanced gravity. Chemical Engineering Science. 2012; 71:118-125. DOI: 10.1016/j.ces.2011.10.057

4. Sun Y., Zong Y., Yang N., Zhang N., Jiang B., Zhang L., Xiao X. Surface hydrophilic modification of PVDF membranes based on tannin and zwitterionic substance towards effective oil-in-water emulsion separation. Separation and Purification Technology. 2020; 234:116015. DOI: 10.1016/j.seppur.2019.116015

5. Nasrollahi N., Ghalamchi L., Vatanpour V., Khataee A., Yousefpoor M. Novel polymeric additives in the preparation and modification of polymeric membranes : a comprehensive review. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2022; 109:100-124. DOI: 10.1016/j.jiec.2022.02.036

6. Deng Y., Zhang G., Bai R., Shen S., Zhou X., Wyman I. Fabrication of superhydrophilic and underwater superoleophobic membranes via an in situ crosslinking blend strategy for highly efficient oil/water emulsion separation. Journal of Membrane Science. 2019; 569:60-70. DOI: 10.1016/j.memsci.2018.09.069

7. Sun Y., Lin Y., Fang L., Zhang L., Cheng L., Yoshioka T. et al. Facile development of poly(tetrafluoride ethylene-r-vinylpyrrolidone) modified PVDF membrane with comprehensive antifouling property for highly-efficient challenging oil-in-water emulsions separation. Journal of Membrane Science. 2019; 584:161-172. DOI: 10.1016/j.memsci.2019.04.071

8. Xu C., Yan F., Wang M., Yan H., Cui Z., Li J. et al. Fabrication of hyperbranched polyether demulsifier modified PVDF membrane for demulsification and separation of oil-in-water emulsion. Journal of Membrane Science. 2020; 602:117974. DOI: 10.1016/j.memsci.2020.117974

9. Tanudjaja H.J., Anantharaman A., Ng A.Q.Q., Ma Y., Tanis-Kanbur M.B., Zydney A.L. et al. A review of membrane fouling by proteins in ultrafiltration and microfiltration. Journal of Water Process Engineering. 2022; 50:103294. DOI: 10.1016/j.jwpe.2022.103294

10. Zhou Q., Zhao P., Xu R., Wang Z., Song W., Wang X. Porous graphene oxide surface-coated thin-film composite membrane for simultaneously increasing permeation performance and organic-fouling migration capacities. Journal of Membrane Science. 2022; 661:120942. DOI: 10.1016/j.memsci.2022.120942

11. El-badawy T., Othman M.H.D., Matsuura T., Bilad M.R., Adam M.R., Tai Z.S. et al. Progress in treatment of oilfield produced water using membrane distillation and potentials for beneficial re-use. Separation and Purification Technology. 2021; 278:119494. DOI: 10.1016/j.seppur.2021.119494

12. Valizadeh K., Heydarinasab A., Hosseini S.S., Bazgir S. Preparation of modified membrane of polyvinylidene fluoride (PVDF) and evaluation of anti-fouling features and high capability in water/oil emulsion separation. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2021; 126:36-49. DOI: 10.1016/j.jtice.2021.07.018

13. Wang Z., Feng G., Yan Z., Li S., Xu M., Wang C. et al. Improving the hydrophilicity and antifouling performance of PVDF membranes via PEI amination and further poly (methyl vinyl ether-alt-maleic anhydride) modification. Reactive and Functional Polymers. 2023; 189:105610. DOI: 10.1016/j.reactfunctpolym.2023.105610

14. Zhang X., He F., Yang Z., Xie M., Ren H., Wu D. et al. Engineering polyamide nanofiltration membrane with bifunctional terpolymer brushes for antifouling and antimicrobial properties. Desalination. 2023; 558:116642. DOI: 10.1016/j.desal.2023.116642

15. Wei C., Dai F., Lin L., An Z., He Y., Chen X. et al. Simplified and robust adhesive-free superhydrophobic SiO2-decorated PVDF membranes for efficient oil/water separation. Journal of Membrane Science. 2018; 555:220-228. DOI: 10.1016/j.memsci.2018.03.058

16. Zhu Y., Wang J., Zhang F., Gao S., Wang A., Fang W. et al. Zwitterionic Nanohydrogel Grafted PVDF Membranes with Comprehensive Antifouling Property and Superior Cycle Stability for Oil-in-Water Emulsion Separation. Advanced Functional Materials. 2018; 28(40). DOI: 10.1002/adfm.201804121

17. Yan L., Hong S., Li M.L., Li Y.S. Application of the Al2O3–PVDF nanocomposite tubular ultrafiltration (UF) membrane for oily wastewater treatment and its antifouling research. Separation and Purification Technology. 2009; 66(2):347-352. DOI: 10.1016/j.seppur.2008.12.015

18. Xu J., Xiong Q., Liu Q., Jiang Y., Yue X., Yang D. et al. Sustainable recycling of waste poly(vinylidene fluoride) and rational design of Janus membrane with superhydrophilic/hydrophobic asymmetric wettability for efficient separation of surfactant-stabilized water-in-oil and oil-in-water emulsions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2024; 684:133237. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2024.133237

19. Wang D., Gao Y., Gao S., Huang H., Min F., Li Y. et al. Antifouling superhydrophilic porous glass membrane based on sulfobetaine prepared by thiol−ene click chemistry for high-efficiency oil/water separation. Journal of Membrane Science. 2023; 670:121336. DOI: 10.1016/j.memsci.2022.121336

20. Meng J., Zhang J., Shen X., Xie J., Liao Q., He F. et al. Bio-inspired surface engineering of hydrophobic membranes with nano-structured hydrogel toward viscous oil-in-water emulsion separation. Chemical Engineering Journal. 2023; 473:145519. DOI: 10.1016/j.cej.2023.145519

21. Abuhasheesh Y.H., Hegab H.M., Wadi V.S., Marzooqi F., Banat F., Aljundi I.H. et al. Phase inverted hydrophobic polyethersulfone/iron oxide-oleylamine ultrafiltration membranes for efficient water-in-oil emulsion separation. Chemosphere. 2023; 337:139431. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.139431

22. Zhao X., Zhang R., Liu Y., He M., Su Y., Gao C. et al. Antifouling membrane surface construction: Chemistry plays a critical role. Journal of Membrane Science. 2018; 551:145-171. DOI: 10.1016/j.memsci.2018.01.039

23. Lee H., Dellatore S., Miller W., Messersmith P. Mussel-Inspired Surface Chemistry for Multifunctional Coatings. Science. 2007; 318(5849):426-430. DOI: 10.1126/science.1147241

24. Ryu J.H., Messersmith P.B., Lee H. Polydopamine surface chemistry: A decade of discovery. ACS Applied Materials & Interfaces. 2018; 10(9):7523-7540. DOI: 10.1021/acsami.7b19865

25. Li S., Wang X., Guo Y., Hu J., Lin S., Tu Y. et al. Recent advances on cellulose-based nanofiltration membranes and their applications in drinking water purification : a review. Journal of Cleaner Production. 2022; 333:130171. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.130171

26. Zhao J., Li D., Han H., Lin J., Yang J., Wang Q. et al. Hyperbranched zwitterionic polymer-functionalized underwater superoleophobic microfiltration membranes for oil-in-water emulsion separation. Langmuir. 2019; 35(7):2630-2638. DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b03231

27. Zhang X., Ma J., Zheng J., Dai R., Wang X., Wang Z. Recent advances in nature-inspired antifouling membranes for water purification. Chemical Engineering Journal. 2022; 432:134425 DOI: 10.1016/j.cej.2021.134425

28. Xia L., Hao Z., Vemuri B., Zhao S., Gadhamshetty V., Kilduff J.E. Improving antifouling properties of poly (ether sulfone) UF membranes with hydrophilic coatings of dopamine and poly(2-dimethylamino) ethyl methacrylate salt to enable water reuse. Separation and Purification Technology. 2022; 285:120300. DOI: 10.1016/j.seppur.2021.120300

29. Pandya A.K., Vora L.K., Umeyor C., Surve D., Patel A., Biswas S. et al. Polymeric in situ forming depots for long-acting drug delivery systems. Advanced Drug Delivery Reviews. 2023; 200:115003. DOI: 10.1016/j.addr.2023.115003

30. Xu Y., Hu J., Hu J., Cheng Y., Chen X., Gu Z. et al. Bioinspired polydopamine hydrogels: Strategies and applications. Progress in Polymer Science. 2023; 146:101740. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2023.101740

31. Sileika T.S., Barrett D.G., Zhang R., Lau K.H.A., Messersmith P.B. Colorless multifunctional coatings inspired by polyphenols found in tea, chocolate, and wine. Angewandte Chemie International Edition. 2013; 52(41):10766-10770. DOI: 10.1002/anie.201304922

32. Kana N., Olivier-Archambaud S., Devic T., Lestriez B. Tannic acid as a binder and electronic conductor precursor in silicon electrodes for Li-ion batteries. Electrochemistry Communications. 2023; 151:107495. DOI: 10.1016/j.elecom.2023.107495

33. Ong C., Shi Y., Chang J., Alduraiei F., Wehbe N., Ahmed Z. et al. Tannin-inspired robust fabrication of superwettability membranes for highly efficient separation of oil-in-water emulsions and immiscible oil/water mixtures. Separation and Purification Technology. 2019; 227:115657. DOI: 10.1016/j.seppur.2019.05.099

34. Luo C., Liu Q. Oxidant-induced high-efficient mussel-inspired modification on pvdf membrane with superhydrophilicity and underwater superoleophobicity characteristics for oil/water separation. ACS Applied Materials & Interfaces. 2017; 9(9):8297-8307. DOI: 10.1021/acsami.6b16206