Käytöstä poistettujen käänteisosmoosimembraanien kunnostus pH-responsiivisilla polyelektrolyyttipäällysteillä
Puurunen, Peppi (2026)
Kandidaatintyö
2026
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260928129375
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260928129375
Tiivistelmä
Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää elinkaarensa päässä olevien käänteisosmoosimembraanien uusiokäyttöä ja muokkaamista nanosuodatuskalvoiksi kerros kerrokselta (eng. layer-by-layer, LbL) -päällystystekniikalla. Käänteisosmoosimoduulien laaja teollinen käyttö muodostaa merkittävän jäteongelman kalvojen menettäessä suodatuskykynsä. Työssä etsittiin kiertotalouden mukaisia ratkaisuja membraanien käyttöiän pidentämiseksi.
Kokeellisessa osuudessa membraanin pinnalle kerrostettiin vahvoja ja heikkoja polyelektrolyyttejä. Modifioitujen membraanien kestävyyttä arvioitiin suodatusominaisuuksien perusteella vaihtelevissa emäksisissä olosuhteissa (pH 9–14). Lisäksi tutkittiin prosessin mittakaavan kasvatusta pinta-alaltaan pienestä 37 cm² laboratoriokennosta suurempaan ristivirtalaitteistoon (320 mm x 550 mm x 1 mm) sekä vaurioituneen kalvon uudelleenpäällystämistä laitteistoa purkamatta.
Tulokset osoittivat LbL-päällysteen olevan stabiili pH-alueella 9–12. Tässä ympäristössä kalvon vedenläpäisevyys kasvoi lähtötilanteen 7,7 LMH/bar arvosta parhaimmillaan tasolle 12,3 LMH/bar, ja samalla suolanpidätyskyky parani alkuperäisestä 95,8 prosentista 97,3 prosenttiin. Päällysteen sähköiset vuorovaikutukset purkautuivat vasta pH 14-altistuksessa, mikä johti erotuskyvyn romahdukseen suolanpidätyskyvyn pudotessa 75,6 prosenttiin. Tutkimuksessa osoitettiin myös, että tuhoutunut päällyste voitiin uusia in situ -päällystyksellä, jolloin suolanpidätyskyky saatiin palautettua 92,7 prosenttiin. Tulosten perusteella pH-responsiivisista polyelektrolyyteistä tehty päällyste avaa uusia mahdollisuuksia membraaniteollisuuden sovelluksiin. The objective of this study was to investigate the reuse of end-of-life reverse osmosis membranes and their modification into nanofiltration membranes using the layer-bylayer (LbL) coating technique. The widespread industrial use of reverse osmosis modules creates a significant waste problem when the membranes lose their filtration capacity. This study sought circular economy solutions to extend the lifespan of the membranes.
In the experimental part, strong and weak polyelectrolytes were deposited onto the membrane surface. The stability of the modified membranes was evaluated based on their filtration properties under varying alkaline conditions (pH 9–14). Additionally, the scale-up of the process from a small 37 cm² laboratory cell to a larger cross-flow unit (320 x 550 x 1 mm) was investigated, along with the restoration of the damaged membrane’s filtration capacity using an in situ method, without dismantling the equipment.
The results showed that the LbL coating was stable in the pH range of 9–12. In this environment the water permeability of the membrane increased from the initial value of 7.7 LMH/bar up to 12.3 LMH/bar, while the salt rejection improved from the original 95.8 % to 97.3 %. The electrostatic interactions of the coating were disrupted only upon exposure to pH 14, leading to a collapse in separation performance as the salt rejection dropped to 75.6 %. The study also demonstrated that a chemically destroyed coating could be successfully regenerated using the in situ coating method, which restored the salt rejection to 92.7 %. Based on the results, a coating made of pH-responsive polyelectrolytes opens new possibilities for membrane industry applications.
Kokeellisessa osuudessa membraanin pinnalle kerrostettiin vahvoja ja heikkoja polyelektrolyyttejä. Modifioitujen membraanien kestävyyttä arvioitiin suodatusominaisuuksien perusteella vaihtelevissa emäksisissä olosuhteissa (pH 9–14). Lisäksi tutkittiin prosessin mittakaavan kasvatusta pinta-alaltaan pienestä 37 cm² laboratoriokennosta suurempaan ristivirtalaitteistoon (320 mm x 550 mm x 1 mm) sekä vaurioituneen kalvon uudelleenpäällystämistä laitteistoa purkamatta.
Tulokset osoittivat LbL-päällysteen olevan stabiili pH-alueella 9–12. Tässä ympäristössä kalvon vedenläpäisevyys kasvoi lähtötilanteen 7,7 LMH/bar arvosta parhaimmillaan tasolle 12,3 LMH/bar, ja samalla suolanpidätyskyky parani alkuperäisestä 95,8 prosentista 97,3 prosenttiin. Päällysteen sähköiset vuorovaikutukset purkautuivat vasta pH 14-altistuksessa, mikä johti erotuskyvyn romahdukseen suolanpidätyskyvyn pudotessa 75,6 prosenttiin. Tutkimuksessa osoitettiin myös, että tuhoutunut päällyste voitiin uusia in situ -päällystyksellä, jolloin suolanpidätyskyky saatiin palautettua 92,7 prosenttiin. Tulosten perusteella pH-responsiivisista polyelektrolyyteistä tehty päällyste avaa uusia mahdollisuuksia membraaniteollisuuden sovelluksiin.
In the experimental part, strong and weak polyelectrolytes were deposited onto the membrane surface. The stability of the modified membranes was evaluated based on their filtration properties under varying alkaline conditions (pH 9–14). Additionally, the scale-up of the process from a small 37 cm² laboratory cell to a larger cross-flow unit (320 x 550 x 1 mm) was investigated, along with the restoration of the damaged membrane’s filtration capacity using an in situ method, without dismantling the equipment.
The results showed that the LbL coating was stable in the pH range of 9–12. In this environment the water permeability of the membrane increased from the initial value of 7.7 LMH/bar up to 12.3 LMH/bar, while the salt rejection improved from the original 95.8 % to 97.3 %. The electrostatic interactions of the coating were disrupted only upon exposure to pH 14, leading to a collapse in separation performance as the salt rejection dropped to 75.6 %. The study also demonstrated that a chemically destroyed coating could be successfully regenerated using the in situ coating method, which restored the salt rejection to 92.7 %. Based on the results, a coating made of pH-responsive polyelectrolytes opens new possibilities for membrane industry applications.