Durability of polyelectrolyte coated end-of-life and commercial nanofiltration membranes in high salinity solutions

Abstract

Battery recycling generates wastewaters with high sodium sulfate concentrations, and their environmental impacts are not yet fully understood. This master’s thesis investigated the suitability of reconditioned end-of-life membranes and commercial membranes for the treatment of highly saline wastewaters.

The experiments were conducted at different salt concentrations to simulate the composition of battery industry wastewaters using sodium sulfate solutions and mixtures of sodium sulfate and lithium sulfate. Due to the osmotic pressure associated with high salt concentrations, pressurization experiments were also performed to evaluate membrane pressure resistance and compaction behaviour. The investigated membranes were a commercial NF270 nanofiltration membrane and a reconditioned end-of-life reverse osmosis membrane coated with three bilayers of [PDADMAC/PSS]. The study examined membrane compaction, separation performance, and changes in surface charge.

The results showed that both membranes compacted as pressure increased, resulting in reduced water permeability. Both membranes achieved high retentions at low salt concentrations, but differences between the membranes became more pronounced at higher concentrations. The reconditioned [PDADMAC/PSS]₃ membrane maintained high separation performance under highly saline conditions and achieved higher retentions than the commercial NF270 membrane. However, the selectivity between sodium and lithium ions remained low, and the membranes did not achieve sufficient lithium separation for practical applications. The results indicate that reconditioned end-of-life membranes can provide a competitive alternative to commercial membranes in highly saline filtration applications.

Akkujen kierrätyksessä syntyy korkean natriumsulfaattipitoisuuden jätevesiä, joiden ympäristövaikutuksia ei vielä täysin tunneta. Tässä diplomityössä tutkittiin uudelleenpinnoitettujen käytöstä poistettujen membraanien sekä kaupallisten membraanien soveltuvuutta korkean suolapitoisuuden jätevesien käsittelyyn.

Kokeet toteutettiin eri suolapitoisuuksilla jäljitellen akkuteollisuuden jätevesien koostumusta natriumsulfaattiliuoksilla sekä natrium- ja litiumsulfaatin seoksilla. Korkeiden suolapitoisuuksien aiheuttaman osmoottisen paineen vuoksi membraaneille suoritettiin lisäksi paineistuskokeita niiden paineenkeston ja puristumiskäyttäytymisen arvioimiseksi. Tutkittavina membraaneina olivat kaupallinen NF270-nanosuodatuskalvo sekä uudelleenpinnoitettu käytöstä poistettu käänteisosmoosikalvo [PDADMAC/PSS]₃. Tutkimuksessa tarkasteltiin membraanien puristumista, erotuskykyä sekä pinnanvarauksen muutoksia. Tulokset osoittivat, että molemmat membraanit puristuivat paineen kasvaessa, mikä heikensi vedenläpäisevyyttä. Molemmat membraanit saavuttivat korkeat retentiot matalissa suolapitoisuuksissa, mutta erot membraanien välillä korostuivat pitoisuuden kasvaessa. Kolmella kerroksella pinnoitettu [PDADMAC/PSS] membraani säilytti korkean erotuskyvyn myös korkeissa suolapitoisuuksissa ja saavutti kaupallista NF270-kalvoa paremmat retentiot. Natrium- ja litiumionien välinen selektiivisyys jäi vähäiseksi, eikä membraaneilla saavutettu käytännön sovellusten kannalta riittävää litiumin erotusta. Tulokset osoittavat, että uudelleenpinnoitetut käytöstä poistetut membraanit voivat toimia kilpailukykyisenä vaihtoehtona kaupallisille membraaneille korkean suolapitoisuuden suodatuksessa.