Sinteza, karakterizacija i primena polimernih kompozitnih magnetnih membrana na bazi etilceluloze

Abstract

Fokus ove doktorske disertacije je na pripremi i karakterizaciji magnetnihnanokompozitnih membrana za separaciju gasova, kao i na pripremi i karakterizacijipolimernih membrana za uklanjanje jona teških metala iz vode. Pri procesiranjumagnetnih membrana, magnetne nanočestice barijum ferita (BaFe12O19) i stroncijumferita (SrFe12O19) inkorporirane su u etilcelulozu, sa ciljem pospešivanja difuzijekiseonika u odnosu na azot. Sinteza asimetričnih polimernih membrana na bazihidrogela ojačanog polietarsulfonom (PES) izvršena je kombinovanjem procesa fazneinverzije sa fotopolimerizacijom i umrežavanjem monomera Ispitivan je uticaj udelananočestica kod magnetnih nanokompozitnih i udela PES kod polimernih membrana namehanička i separaciona svojstva. Sa ciljem identifikacije struktura nastalihprocesiranjem membrana, izvršene su različite analize, kao što su skenirajućaelektronska mikroskopija (FESEM), mikroskopija atomskih sila (AFM), rendgentskodifrakcionaanaliza (XRD) i infracrvena spektroskopija sa Furijeovom transformacijom(FTIR) Mehanička svojstva membrana ispitivana su mikro Vikers metodom izatezanjem. Sorpciona kinetika ispitana je promenom koncentracije jona u rastvoru iopisana je korišćenjem različitih kinetičkih modela. Permeabilnost magnetnihnanokompozitnih membrana ispitana je praćenjem promene izlaznog pritiska smešeazota i kiseonika, kao i čistog azota. Membrane na bazi hidrogelova sa većim sadržajemPES pokazuju poboljšana mehanička svojstva, uz visok adsorpcioni kapacitet.Nanokompozitne magnetne membrane sa većim sadržajem magnetnih nanočesticapokazale su značajno poboljšanje mehaničkih svojstava u poređenju sa čistometilcelulozom, uz visoku permeabilnost. Navedene analize su pokazale da sunanokompozitne membrane na bazi etilceluloze odličan kandidat za separaciju gasova,dok membrane na bazi hidrogelova pokazuju visok potencijal za uklanjanje jona teškihmetala iz vode. Na osnovu dosadašnjih saznanja, navedeni materijali nisu bili predmetranijih istraživanja.

The focus of this doctoral dissertation is on the preparation and characterization ofmagnetic nanocomposite membranes for gas separation, as well as on the preparationand characterization of polymer membranes for removal of heavy metal ions fromwater. In the processing of magnetic membranes, magnetic nanoparticles of bariumferrite (BaFe12O19) and strontium ferrite (SrFe12O19) were incorporated intoethylcellulose, in order to promote oxygen diffusion against nitrogen. Synthesis ofasymmetric hydrogel-based polymer membranes reinforced with polyethersulphone(PES) was performed by combining the phase inversion with photopolymerization andthe cross-linking of monomers. The influence of the nanoparticle content in magneticnanocomposite and the PES fraction in polymer membranes on the mechanical andseparation properties was investigated. In order to identify the structures formed bymembrane processing, various analyzes were performed, such as scanning electronmicroscopy (FESEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray diffraction XRD andinfrared spectroscopy with Fourier transformation (FTIR). Mechanical properties of themembranes were investigated using micro Vickers method and tensile test. The sorptionkinetics has been followed with the measurements of ions concentration change in thesolution, and was described using different kinetic models. The permeability ofmagnetic nanocomposite membranes was tested by monitoring the output pressurechange of the nitrogen and oxygen mixtures, as well as pure nitrogen. Hydrogel-basedmembranes with a higher PES content showed enhanced mechanical properties, withhigh adsorption capacity. Nanocomposite magnetic membranes with a higher content ofmagnetic nanoparticles have shown a significant improvement in mechanical propertiescompared to pure ethylcellulose, with high permeability. These findings have shownthat nanocomposite membranes based on ethylcellulose are an excellent candidate forgas separation, while hydrogel-based membranes exhibit high potential for removal ofheavy metal ions from water. Based on our current knowledge, these materials have notbeen the subject of previous research.