Oil-water emulsion separation on surface-modified capillary ultrafiltration membranes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The accumulation of oily wastewater in the environment is becoming an increasing threat to the ecosystem and human health. The modification of ultrafiltration PVDF membrane was investigated in order to create a hydrophilic layer on its surface, to improve performance and increase antifouling properties in the purification of oil-water emulsions.Materials and methods. PVDF hollow-fibre capillary membranes with 0.1 μm diameter pores were used. The membranes were subjected to two-step modification, which included treatment with tannic acid and subsequent oxidation with potassium permanganate in various buffer solutions. Motor oil, kerosene, distilled water and sodium dodecyl sulfate were used to create model water-in-oil emulsions. All oil-water emulsion separation experiments were performed while maintaining a constant filtration pressure of 1 bar on a prepared filter cell, in dead-end mode. The prepared model solutions were made with sodium dodecyl sulfate and contained the pollutant motor oil or kerosene. The filtrate after the membrane was sampled to determine the permeability and separation efficiency of the solutions. Surface modification had a positive effect on the retention efficiency of petroleum products. In the case of motor oil emulsion separation, the efficiency reached 99 %, and the content of oil products in all filtrate samples was below 0.4 mg/l. In the case of separation of kerosene emulsion there was observed a slight decrease in the efficiency of purification up to 95 %, the content of oil products was below 1.15 mg/l.Results. The results obtained showed a significant increase in throughput and separation efficiency. The specific membrane performance increased up to 143 % for motor oil separation and up to 67 % for kerosene separation.Conclusions. The modified membranes showed high petroleum product removal efficiency, up to 99 % for motor oil and up to 98 % for kerosene, also had high flux recovery rate (FRR) up to 91 %. The results obtained may be promising for scaling up.

About the authors

A. S. Ilyinykh

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin (UrFU)

Email: as_ilinykh@mail.ru

E. V. Migalatiy

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin (UrFU)

Email: e.v.migalatiy@urfu.ru

A. V. Korneev

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin (UrFU)

Email: korneev1998@gmail.com

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

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».