Toiminnalliset membraanit veden ja kaasun puhdistuksessa

Abstract

Työssä tarkastellaan kehitysvaiheessa olevien ja uudenaikaisten membraaniteknologioiden käyttöä veden ja kaasujen puhdistuksessa. Erityistä huomiota kiinnitetään membraanien ominaisuuksiin kuten hintaan, selektiivisyyteen ja läpäisykykyyn, sovelluskohteisiin sekä niiden mahdollisuuksiin vähentää energiankulutusta ja ympäristökuormitusta perinteisiin erotusmenetelmiin, kuten kryogeeniseen tislaukseen verrattuna.

Työssä esitellään eri kehitysvaiheessa olevia ja uudenaikaisia membraanityyppejä, kuten metalliorgaanisia-, sekoitematriisi- ja keraamisia membraaneja. Osan näistä toimivuutta arvioidaan vedynpuhdistuksessa.

Työssä havaittiin, että nanosuodatuksessa ja käänteisosmoosissa käytettävät membraanit soveltuvat hyvin haitallisten aineiden, kuten per- ja polyfluorialkyyliyhdisteiden (PFAS) poistoon vedestä. Membraanien tehokkuus on korkea erityisesti lyhytketjuisten PFAS:n osalta. Kaasunpuhdistuksessa tietyt metalliorgaaniset membraanit kykenevät erottamaan vetyä muista kaasuista selektiivisesti ja tehokkaasti, mikä tukee vedyn käyttöä puhtaana energialähteenä tulevaisuudessa.

Työ osoittaa, että on olemassa metalliorgaaninen membraani, jolla on merkittävää potentiaalia kestävien erotusratkaisujen kehittämisessä verrattuna perinteisiin erotusmenetelmiin Haasteita aiheuttavat kuitenkin mm. PFAS:n poistoon tarkoitettujen membraanien valmistuskustannukset, käyttöiän rajoitteet sekä suodatuksessa syntyvien jätteiden käsittely. Tulevaisuuden tutkimuksessa painopisteen odotetaan siirtyvän enemmän kustannustehokkaampiin membraaniratkaisuihin.

This thesis examines the use of emerging and advanced membrane technologies in water and gas purification. Special attention is given to membrane properties such as cost, selectivity, and permeability, as well as their potential to reduce energy consumption and environmental impact compared to conventional separation methods like cryogenic distillation.

This thesis also presents various types of membranes at different stages of development, including metalorganic frameworks, mixed matrix-, and ceramic membranes. The performance of some of these is evaluated in hydrogen purification.

The research found that membranes, that are used in nanofiltration and reverse osmosis are well suited for removing harmful substances such as per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) compounds from water. Membrane performance was especially effective for shortchain PFAS compounds. In gas purification, certain metal-organic frameworks demonstrated selective and efficient hydrogen separation from other gases, supporting hydrogen’s role as a clean energy source in the future.

The results suggest that certain metal organic framework membranes have significant potential in the development of sustainable separation solutions compared to conventional separation methods. However, challenges remain, including production costs in PFAS removal membranes, limited membrane lifetime, and post-filtration waste handling. Future research is expected to focus increasingly on more cost-effective membrane solutions.