Enhancing microbial resistance of cellulosic ultrafiltration membrane via polyelectrolyte coatings
Liukkonen, Alma (2024)
Diplomityö
2024
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024040915675
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024040915675
Tiivistelmä
Cellulose is a sustainable alternative to use as an ultrafiltration membrane material, but the microbial degradation restricts the wider utilisation of cellulose. The aim of this master’s thesis was to modify the cellulosic ultrafiltration membrane with polyelectrolyte multilayers to enhance its microbial resistance.
Two different polyelectrolyte pairs were utilised: poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC)/poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) and poly(vinyl amine) (PVAm)/ poly(acrylic acid) (PAA). From literature the positively charged PVAm polyelectrolyte’s antimicrobial properties stood out, so it was chosen as a promising material for polyelectrolyte coatings. The filtration performances of coated membranes were evaluated utilising permeance and rejection measurements, while the microbial resistance was assessed with the wastewater exposure tests. With these tests the effect of coatings on the microbial resistance of the membrane was evaluated.
Both coating systems, PDADMAC/PSS and PVAm/PAA, of which especially the latter, display enhanced microbial resistance of the native cellulosic membrane and assist the membrane to sustain in wastewater exposure. Based on these results, the PVAm/PAA coated membrane was chosen for five days wastewater filtration and the membrane held its filtration performance through the filtration. So, it can be concluded that the PVAm/PAA coating is a promising alternative to enhance the microbial resistance of cellulosic membranes. Selluloosa on ympäristöystävällinen materiaali käytettäväksi suodatuskalvoissa, mutta selluloosasta valmistettu ultrasuodatuskalvo on hyvin altis mikrobien aiheuttamalle hajottamiselle, joka estää kyseisten kalvojen käytön laajemmin. Tämän diplomityön tarkoituksena on parantaa selluloosasta valmistettujen suodatuskalvojen mikrobi kestävyyttä polyelektrolyyttipäällystyksillä.
Kaksi polyelektrolyyttiparia valmistettiin käytettäviksi päällystyksiin: PDADMAC/PSS ja PVAm/PAA. Kirjallisuuden mukaan PVAm omaa antimikrobisia ominaisuuksia, jonka vuoksi se valittiin lupaavana polymeerinä mikrobeilta suojaavan päällystyksen tekoon. Päällystettyjen kalvojen suodatusominaisuuksia arvioitiin mittaamalla kalvojen läpäisevyydet ja retentiot, sekä mikrobikestävyyttä tutkittiin jätevesialtistuskokeen avulla. Näiden testien avulla pystyttiin vertaamaan päällystyksiä keskenään sekä ovatko päällystykset parantaneet alkuperäisen kalvon mikrobikestävyyttä.
Molemmat päällystykset, PDADMAC/PSS ja PVAm/PAA, paransivat alkuperäisen kalvon mikrobikestävyyttä ja erityisesti PVAm/PAA päällystys auttoi kalvoa säilymään jätevedessä huomattavasti pidempään. Tämän vuoksi PVAm/PAA päällystettyä ultrasuodatuskalvoa päädyttiin testaamaan viisi päivää kestävässä jäteveden suodatuksessa, jonka tuloksena huomattiin, että päällystetyt kalvot säilyttivät suodatusominaisuutensa jatkuvasta mikrobialtistuksesta huolimatta. Päällystetyt kalvot myös onnistuivat puhdistamaan jätevettä niin, että ympäristöluvan määräämät maksimipitoisuudet alittuivat. Näin ollen PVAm/PAA päällystys on lupaava vaihtoehto selluloosasta valmistetuille ultrasuodatuskalvoille sekä niiden mikrobikestävyyden parantamiseksi.
Two different polyelectrolyte pairs were utilised: poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC)/poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) and poly(vinyl amine) (PVAm)/ poly(acrylic acid) (PAA). From literature the positively charged PVAm polyelectrolyte’s antimicrobial properties stood out, so it was chosen as a promising material for polyelectrolyte coatings. The filtration performances of coated membranes were evaluated utilising permeance and rejection measurements, while the microbial resistance was assessed with the wastewater exposure tests. With these tests the effect of coatings on the microbial resistance of the membrane was evaluated.
Both coating systems, PDADMAC/PSS and PVAm/PAA, of which especially the latter, display enhanced microbial resistance of the native cellulosic membrane and assist the membrane to sustain in wastewater exposure. Based on these results, the PVAm/PAA coated membrane was chosen for five days wastewater filtration and the membrane held its filtration performance through the filtration. So, it can be concluded that the PVAm/PAA coating is a promising alternative to enhance the microbial resistance of cellulosic membranes.
Kaksi polyelektrolyyttiparia valmistettiin käytettäviksi päällystyksiin: PDADMAC/PSS ja PVAm/PAA. Kirjallisuuden mukaan PVAm omaa antimikrobisia ominaisuuksia, jonka vuoksi se valittiin lupaavana polymeerinä mikrobeilta suojaavan päällystyksen tekoon. Päällystettyjen kalvojen suodatusominaisuuksia arvioitiin mittaamalla kalvojen läpäisevyydet ja retentiot, sekä mikrobikestävyyttä tutkittiin jätevesialtistuskokeen avulla. Näiden testien avulla pystyttiin vertaamaan päällystyksiä keskenään sekä ovatko päällystykset parantaneet alkuperäisen kalvon mikrobikestävyyttä.
Molemmat päällystykset, PDADMAC/PSS ja PVAm/PAA, paransivat alkuperäisen kalvon mikrobikestävyyttä ja erityisesti PVAm/PAA päällystys auttoi kalvoa säilymään jätevedessä huomattavasti pidempään. Tämän vuoksi PVAm/PAA päällystettyä ultrasuodatuskalvoa päädyttiin testaamaan viisi päivää kestävässä jäteveden suodatuksessa, jonka tuloksena huomattiin, että päällystetyt kalvot säilyttivät suodatusominaisuutensa jatkuvasta mikrobialtistuksesta huolimatta. Päällystetyt kalvot myös onnistuivat puhdistamaan jätevettä niin, että ympäristöluvan määräämät maksimipitoisuudet alittuivat. Näin ollen PVAm/PAA päällystys on lupaava vaihtoehto selluloosasta valmistetuille ultrasuodatuskalvoille sekä niiden mikrobikestävyyden parantamiseksi.