Kalvon modifioinnin vaikutus pienten molekyylien nanosuodatukseen

Abstract

Tässä työssä tutkittiin pienten molekyylien nanosuodatusta kolmella kalvolla. Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun laboratoriomittakaavan nanosuodatuslaitteistolla suodatettiin glukoosin, maitohapon ja oktaanihapon vesiliuoksia 0,45 m/s virtausnopeudella. Lisäksi NF 45, NF 270 ja NTR 7450 –kalvoja modifioitiin UV-säteilytyksellä modifiointiaineen kanssa tai ilman. Modifiointiaineina olivat maito- ja oktaanihappo. Kalvon modifioinnilla pyrittiin parantamaan permeabiliteettia ilman retentiohäviöitä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatuksen erottumisperiaatteita ja konsentraatiopolarisaation merkitystä liuenneiden aineiden erottumisessa. Lisäksi käsiteltiin kalvon modifioinnin merkitystä suodatuksen parantamiseen ja pienten orgaanisten molekyylien nanosuodatusta. Aluksi suodatettiin glukoosi- ja oktaanihappoliuoksia NF 270 –kalvolla. Glukoosin retentio oli 80% pitoisuudesta riippumatta, mutta oktaanihapon retentio, 70-100%, riippui pitoisuudesta. 100 ppm oktaanihapon pitoisuudessa retentio oli 100% ja suuremmilla pitoisuuksilla alhaisempi. Kun oktaanihappoa suodatettiin modifioimattomilla kalvoilla pH:n funktiona, niin retentiot olivat pH-riippuvaisia. Alhaisilla pH-arvoilla oktaanihapon retentiot olivat lähes nolla ja nousivat jyrkästi pH:ssa 6 siten, että korkeilla pH-arvoilla retentiot olivat yli 80%. Glukoosin suodatuksissa NF 270 –kalvolla modifiointi aina hieman paransi vuota, mutta retentiot huononivat. Oktaanihapon suodatuksissa vuo parani hieman, kun kalvoja (NF 270 ja NTR 7450) oli modifioitu 20 minuuttia UV-säteilytyksellä 100 ppm maitohappoliuoksessa. NTR 7450 –kalvon vuo moninkertaistui modifioimattoman kalvon vuohon verrattuna, kun kalvoa oli UV-säteilytetty 20 minuuttia 2000 ppm maitohappoliuoksessa. Oktaanihapposuodatuksissa retentiot modifioiduilla kalvoilla olivat suurimmat pH-alueella 7-10. Modifioitujen kalvojen permeabiliteetit nousivat jyrkästi pH:ssa 12 kaikilla malliaineilla, mikä viittaa siihen, että modifiointiaine irtosi pH:ssa 12. Toisaalta korkeilla pH-arvoilla kalvo muuttuu avoimemmaksi, joten modifiointiaineen irtoamista ei voitu näiden mittausten perusteella varmentaa. Kalvon modifiointi oli onnistunut, sillä malliainesuodatuksissa havaittiin vuo- ja retentiomuutoksia.

The aim of this work was to study nanofiltration of small molecules. Aqueous solutions of glucose, lactic acid and octanoic acid were filtered with nanofiltration equipment at Lappeenranta University of Technology. In addition, NF 45, NF 270 and NTR 7450 membranes were modified by using UV-irradiation with or without a modification agent. The modification agents used were lactic and octanoic acid. The aim of membrane modification was to improve the permeability without any loss of solute retention. The principles of separation in nanofiltration and the importance of concentration polarization in the separation of solutes were studied in the literature survey. The importance of membrane modification to improve filtration and nanofiltration of small organic molecules was also studied in the literature part. Glucose and octanoic acid were filtered with an NF 270 membrane. The retention of glucose was 80%. The retention of octanoic acid was 70-100%. At a 100 ppm concentration of octanoic acid the retention was 100% and at higher concentrations the retentions were lower. During filtrations of octanoic acid with unmodified membranes the retentions were pH-dependent. The retentions of octanoic acid were almost zero at lower pH-values and rose steeply at pH 6. At high pH-values the retentions of octanoic acid were over 80%. During the filtrations of glucose modification of the NF 270 membrane always improved flux although the retentions were lower. The flux improved slightly during the filtrations of octanoic acid with NF 270 and NTR 7450 membranes modified by using 20 minutes of UV-irradiation together with 100 ppm lactic acid. Especially, during filtration of octanoic acid with an NTR 7450 membrane modified by UV and 2000 ppm lactic acid the flux was increased. The retentions of octanoic acid were the highest at pH 7-10 with modified membranes. The permeabilities of modified membranes rose steeply at pH 12 with all model substances, which indicates that the modification agent was lost from the membrane surface at pH 12. On the other hand, at high pH-values the membrane becomes more open and, therefore, the loss of modification agent from the membrane surface could not be ensured by these measurements. The membrane modification was successful, because changes in flux and solute retention were achieved.