Formation of Hybrid Membranes for Water Desalination by the Method of Membrane Distillation

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A method has been developed for the formation of hybrid membranes consisting of a hydrophilic microporous substrate and a hydrophobic nanofiber polymer layer deposited by electroforming. A track-etched membrane made of polyethylene terephthalate was used as a hydrophilic microporous substrate, on the surface of which a thin layer of titanium was applied by magnetron sputtering to ensure adhesion of the nanofiber layer. Simultaneously, the titanium coating was used to make a conductive track-etched membrane that served as a collector electrode. It is been shown that the application of this method for the formation of polymer coatings when used as a starting material for the formation of polyvinylidene fluoride nanofibers makes it possible to obtain a layer with highly hydrophobic properties, the water contact angle of the surface of which, depending on the deposition density, averages 143.3 ± 1.3°. A study of the morphology of the nanofiber coating shows that it has a microstructure typical of non-woven materials. The nanofibers forming the porous system of this layer have a wide range in size. The study of the molecular structure of the nanofiber layer by IR-Fourier spectroscopy and X-ray diffraction analysis showed that its structure is dominated by the β-phase, which is characterized by a maximum dipole moment. It is been shown that the hybrid membranes of the developed sample provide high separation selectivity when desalting an aqueous solution of sodium chloride with a concentration of 26.5 g/l by membrane distillation. The salt rejection coefficient for membranes with a nanofiber layer density from 20.7 ± 0.2 to 27.6 ± 0.2 g/m2 in the studied mode of the membrane distillation process is 99.97−99.98%. It has been established that the use of a highly hydrophobic nanofiber layer with a developed pore structure in combination with a hydrophilic microporous base makes it possible to increase the productivity of the membrane distillation process. The value of the maximum condensate flow through the membranes is on average 7.0 kg m2/h and its depends on the density of the deposited nanofiber layer.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. I. Vinogradov

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kravets@jinr.ru
Russian Federation, Дубна

N. A. Drozhzhin

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kravets@jinr.ru
Russian Federation, Дубна

L. I. Kravets

Объединенный институт ядерных исследований

Author for correspondence.
Email: kravets@jinr.ru
Russian Federation, Дубна

A. Rossouw

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kravets@jinr.ru
Russian Federation, Дубна

T. N. Vershinina

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kravets@jinr.ru
Russian Federation, Дубна

A. N. Nechaev

Объединенный институт ядерных исследований; Государственный университет “Дубна”

Email: kravets@jinr.ru
Russian Federation, Дубна; Дубна

References

  1. Curto D., Franzitta V., Guercio A. A review of the water desalination technologies // Appl. Sci. 2021. V. 11. P. 670. https://doi.org/10.3390/app11020670
  2. Брык М.Т., Нигматуллин Р.Р. Мембранная дистилляция // Успехи химии. 1994. Т. 63. № 12. С. 1114–1129.
  3. Drioli E., Ali A., Macedonio F. Membrane distillation: Recent developments and perspectives // Desalination. 2015. V. 356. P. 56–84. http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2014.10.028
  4. Essalhi M., Khayet M. Surface segregation of fluorinated modifying macromolecule for hydrophobic/hydrophilic membrane preparation and application in air gap and direct contact membrane distillation // J. Membr. Sci. 2012. V. 417–418. P. 163–173. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2012.06.028
  5. Khalifa A., Lawal D., Antar M., Khayet M. Experimental and theoretical investigation on water desalination using air gap membrane distillation // Desalination. 2015. V. 376. P. 94–108. http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2015.08.016
  6. Woo Yu.Ch., Tijing L.D., Park M.J., Yao M., Choi J.-S., Lee S., Kim S.-H., An K.-J., Shon H.K. Electrospun dual-layer nonwoven membrane for desalination by air gap membrane distillation // Desalination. 2017. V. 404. P. 187–198. http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2015.09.009
  7. Ulbricht M. Advanced functional polymer membranes // Polymer. 2006. V. 47. P. 2217–2262. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2006.01.084
  8. Blasco E., Sims M.B., Goldmann A.S., Sumerlin B.S., Barner-Kowollik C. 50th Anniversary perspective: polymer functionalization // Macromolecules. 2017. V. 50. P. 5215–5252. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b00465
  9. Makvandi P., Iftekhar S., Pizzetti F., Zarepour A., Zare E.N., Ashrafzadeh M., Agarwa T., Padil V.V.T., Mohammadinejad R., Sillanpaa M., Maiti T.K., Perale G., Zarrabi A., Rossi F. Functionalization of polymers and nanomaterials for water treatment, food packaging, textile and biomedical applications: A review // Envir. Chem. Let. 2021. V. 19. P. 583–611. https://doi.org/10.1007/s10311-020-01089-4
  10. Abegunde O.O., Akinlabi E.T., Oladijo O.Ph., Akinlabi S., Ude A.U. Overview of thin film deposition techniques // AIMS Materials Science. 2019. V. 6. P. 174–199. https://doi.org/10.3934/matersci.2019.2.174
  11. Liu F., Wang L., Li D., Liu Q., Deng B. A review: the effect of the microporous support during interfacial polymerization on the morphology and performances of a thin film composite membrane for liquid purification // RCS Adv. 2019. V. 9. P. 35417–35428. https://doi.org/10.1039/c9ra07114h
  12. Anis Sh. F., Hashaikeh R., Hilal N. Functional materials in desalination: A review // Desalination. 2019. V. 468. P. 114077. https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.114077
  13. Assad M. El Haj, Bani-Hanib E., Al-Sawafta I., Issa S., Hmida A., Gupta M., Atiqure R.S.M., Hidouri K. Applications of nanotechnology in membrane distillation: A review study // Desalination and Water Treatment. 2020. V. 192. P. 61–77. https://doi.org/10.5004/dwt.2020.25821
  14. Farahbakhsh J., Vatanpour V., Khoshnam M., Zargar M. Recent advancements in the application of new monomers and membrane modification techniques for the fabrication of thin film composite membranes: A review // Reactive and Functional Polymers. 2021. V. 166. P. 105015. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2021.105015
  15. Кравец Л.И., Алтынов В.А., Ярмоленко М.А., Гайнутдинов Р.В., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Осаждение на поверхности трековых мембран гидрофобных полимерных покрытий из активной газовой фазы // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 2. С. 151–162. https://doi.org/10.1134/S2218117222020079
  16. Fan W., Qian J., Bai F., Li Y., Wang C., Zhao Q.-Z. A facile method to fabricate superamphiphobic polytetrafluoroethylene surface by femtosecond laser pulses // Chem. Phys. Lett. 2016. V. 644. P. 261–266. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2015.12.010
  17. Yong J., Chen F., Yang Q., Jiang Z., Hou X. A review of femtosecond-laser-induced underwater superoleophobic surfaces // Adv. Mater. Interfaces. 2018. V. 5. P. 1701370. https://doi.org/10.1002/admi.201701370
  18. Satulu V., Mitu B., Pandele A.M., Voicu S.I., Kravets L., Dinescu G. Composite polyethylene terephthalate track membranes with thin teflon-like layers: preparation and surface properties // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 476. P. 452–459. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.109
  19. Ju Y., Ai L., Qi X., Li J., Song W. Review on hydrophobic thin films prepared using magnetron sputtering deposition // Materials. 2023. V. 16. P. 3764. https://doi.org/10.3390/ma16103764
  20. Michels A.F., Soave P.A., Nardi J., Jardim P.L.G., Teixeira S.R., Weibel D.E., Horowitz F. Adjustable, (super)hydrophobicity by e-beam deposition of nanostructured PTFE on textured silicon surfaces // J. Mater. Sci. 2016. V. 51. P. 1316–1323. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9449-3
  21. Grytsenko K., Ksianzou V., Kolomzarov Y., Lytvyn P., Birgit Dietzel B., Schrader S. Fluoropolymer film formation by electron activated vacuum deposition // Surfaces. 2021. V. 4. P. 66–80. https://doi.org/10.3390/surfaces4010009
  22. Кравец Л.И., Ярмоленко М.А., Рогачев А.А., Гайнутдинов Р.В., Гильман А.Б., Алтынов В.А., Лизунов Н.Е. Формирование на поверхности трековых мембран супергидрофобных покрытий методом электронно-лучевого диспергирования полимеров в вакууме // Перспективные материалы. 2019. № 11. С. 59–74. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2019-11-59-74
  23. Кравец Л.И., Ярмоленко М.А., Рогачев А.В., Гайнутдинов Р.В., Алтынов В.А., Лизунов Н.Е. Формирование на поверхности трековых мембран гидрофобных и супергидрофобных покрытий с целью создания композиционных мембран для опреснения воды // Коллоидный журнал. 2022. Т. 84. № 4. С. 433–452. https://doi.org/ 10.31857/S0023291222040085
  24. Khayet M., Garcia-Payo M.C., Garcia-Fernandez L., Contreras-Martinez J. Dual-layered electrospun nanofibrous membranes for membrane distillation // Desalination. 2018. V. 426. P. 174–184. http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2017.10.036
  25. Huang Y., Huang Q.-L., Liu H., Zhang Ch.-X., You Y.-W., Li N.-N., Xiao Ch.-F. Preparation, characterization, and applications of electrospun ultrafine fibrous PTFE porous membranes // J. Memb. Sci. V. 523. P. 317–326. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2016.10.019
  26. Tijing L.D., Choi J.S., Lee S., Kim S.H., Shon H.K. Recent progress of membrane distillation using electrospun nanofibrous membrane // J. Membr. Sci. 2014. V. 453. P. 435–462. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.11.022
  27. Subrahmanya T.M., Arshad A.B., Lin P.T., Widakdo J., Makari H.K., Austria H.F.M., Hu Ch.-Ch., Lai J.Y., Hung W.-S. A review of recent progress in polymeric electrospun nanofiber membranes in addressing safe water global issues // RSC Adv. 2021. V. 11. P. 9638–9663. https://doi.org/10.1039/d1ra00060h
  28. Nayl A.A., Abd-Elhamid A.I., Awwad N.S., Abdelgawad M.A., Wu J., Mo X., Gomha S.M., Aly A.A., Brase S. Review of the recent advances in electrospun nanofibers applications in water purification // Polymers. 2022. V. 14. P. 1594. https://doi.org/10.3390/polym14081594
  29. Khatri M., Francis L., Hilal N. Modified electrospun membranes using different nanomaterials for membrane distillation // Membranes. 2023. V. 13. P. 338. https://doi.org/10.3390/membranes13030338
  30. Филатов Ю.Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-Процесс). Москва. 2001, 297 с.
  31. Колобков А.С. Электроформование синтетических волокон и их применение (обзор) // Наноиндустрия. 2022. Т.15. № 2. С. 118–127. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.118.127
  32. Виноградов И.И., Петрик Л., Серпионов Г.В., Нечаев А.Н. Композитная мембрана на основе трековой мембраны и нанокаркаса хитозана // Мембраны и мембранные технологии. 2021. Т. 11. № 6. С. 447–459. https://doi.org/10.1134/S2218117221060092
  33. Виноградов И.И., Андреев Е.В., Н. Юшин Н.С., Сохацкий А.С., Алтынов В.А., Густова М.В., Вершинина Т.Н., Зиньковская И., Нечаев А.Н., Апель П.Ю. Гибридная мембрана для одновременной селективной сорбции цезия в ионной и коллоидной форме // Теоретические основы химической технологии. 2023. Т. 57. № 4. С. 479–492. https://doi.org/10.31857/S0040357123040176
  34. Pereao O., Uche C., Bublikov P.S., Bode-Aluko C., Rossouw A., Vinogradov I.I., Nechaev A.N., Opeolu B., Petrik L. Chitosan/PEO nanofibers electrospun on metallized track-etched membranes: fabrication and characterization // Mater. Today Chem. 2021. V. 20. P. 100416. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2020.100416
  35. Rossouw A., Olejniczak A., Olejniczak K., Gorberg B., Vinogradov I., Kristavchuk O., Nechaev A., Petrik L., Perold W., Dmitriev S. Ti and TiO2 magnetron sputtering in roll-to-roll fabrication of hybrid membranes // Surf. Interf. 2022. V. 31. P. 101975. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2022.101975
  36. Demina T.S., Frolova A.A., Istomin A.V., Kotova S.L., Piskarev M.S., Bardakova K.N., Yablokov M.Y., Altynov V.A., Kravets L.I., Gilman A.B., Akopova N.A., Timashev P.S. Coating of polylactide films by chitosan: Comparison of methods // Journal of Applied Polymer Science. 2020. V. 137. № 3. P. 48267. https://doi.org/10.1002/app.48287
  37. Apel P.Yu., Dmitriev S.N. Micro- and nanoporous materials produced using accelerated heavy ion beams. // Adv. Natur. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 2011. V. 2. P. 013002. https://doi.org/10.1088/2043-6262/2/1/013002
  38. Almarzooqi F.A., Bilad M.R., Arafat H.A. Development of PVDF membranes for membrane distillation via vapour induced crystallisation // Eur. Polym. J. 2016. V. 77. P. 164–173. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2016.01.031
  39. Huhtamäki T., Tian X., Korhonen J.T., Ras R.H.A. Surface-wetting characterization using contact angle measurements // Nature Protocols. 2018. V. 13. P. 1521–1538. https://doi.org/10.1038/s41596-018-0003-z
  40. Essalhi M., Khayet M. Self-sustained webs of polyvinylidene fluoride electrospun nanofibers at different electrospinning times: 1. Desalination by direct contact membrane distillation // J. Memb. Sci. 2013. V. 433. P. 167–179. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2013.11.056
  41. Larkin P.J. Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation. Waltham: Elsevier. 2011, 228 p.
  42. Россоу А., Виноградов И.И., Серпионов Г.В., Горберг Б.Л., Молоканова Л.Г., Нечаев А.Н. Композитная трековая мембрана, получаемая методом магнетронного напыления нанослоя титана // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 3. С. 200–213. https://doi.org/10.31857/S2218117222030038
  43. Lovinger A.J. Poly(vinylidene fluoride). In Developments in Crystalline Polymers // Springer Dordr. 1982. P. 195–273. https://doi.org/10.1007/978-94-009-7343-5_5
  44. Liu F., Hashim N.A., Liu Y., Abed M.R.M., Li K. Progress in the production and modification of PVDF membranes // J. Memb. Sci. 2011. V. 375. P. 1–27. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.03.014
  45. Kang G.-D., Cao Y.-M. Application and modification of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes – A review // J. Memb. Sci. 2014. V. 463. P. 145–165. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2014.03.055
  46. Martins P., Lopes A.C., Lanceros-Mendez S. Electroactive phases of poly(vinylidene fluoride): Determination, processing and applications // Prog. Polym. Sci. 2014. V. 39. P. 683–706. http://dx.doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2013.07.006
  47. Kumarasinghe H.U., Bandara L.R.A.K., Bandara T.M.W.J., Senadeera G.K.R., Thotawatthage C.A Fabrication of β-phase poly (vinylidene fluoride) piezoelectric film by electrospinning for nanogenerator preparations // Ceylon J. Sci. 2021. V. 50. P. 357–363. https://doi.org/10.4038/cjs.v50i5.7925
  48. Lei T., Cai X., Wang X., Yu L., Hu X., Zheng G., Lv W., Wang L., Wu D., Sun D., Lin L. Spectroscopic evidence for a high fraction of ferroelectric phase induced in electrospun polyvinylidene fluoride fibers // RSC Adv. 2013. V. 3. P. 24952–24958. https://doi.org/10.1039/c3ra42622j
  49. Quere D. Wetting and roughness // Ann. Rev. Mater. Res. 2008. V. 38. P. 71–99. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.38.060407.132434
  50. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Усп. хим. 2008. Т. 77. № 7. С. 619–638.
  51. Racz G., Kerker S., Kovacs Z., Vatai G., Ebrahimi M., Czermak P. Theoretical and experimental approaches of liquid entry pressure determination in membrane distillation processes // Per. Pol. Chem. Eng. 2014. V. 58. № 2. P. 81–91. https://doi.org/10.3311/PPch.2179
  52. Liao Y., Wang R., Tian M., Qiu Ch., Fane A.G. Fabrication of polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofiber membranes by electro-spinning for direct contact membrane distillation // J. Memb. Sci. 2013. V. 425–426. P. 30–39. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2012.09.023

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the laboratory setup for the membrane distillation process

Download (117KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Surface images of membrane samples obtained by SEM: a - TM (Ti) + PVDF (10); b - PVDF, Merck; c - TM (Ti)

Download (249KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. FT-IR spectrum (a) and X-ray diffraction (b) of PVDF nanofibre layer on the surface of TM (Ti) membrane

Download (146KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Wetting angle of water wetted surface of TM (Ti), PVDF Merck, TM (Ti) + PVDF membrane samples (10)

Download (68KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Time variation of condensate flux during CBM process (a) and salt retention coefficient (b) using TM (Ti) + PVDF (V) membrane samples with different density of deposited nanofibre layer and PVDF Merck membrane

Download (168KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».