Incorporation of Carbon-based Nanoparticles in Ultrafiltration Membranes to Remove Steroid Hormone Micropollutants

Mikroverunreinigungen (insbesondere Steroidhormone) sind besorgniserregende Verbindungen in Oberflächengewässern und Abwässern, die zu einem erhöhten Risiko für Probleme mit dem Fortpflanzungssystem, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs beim Menschen führen. Die Membrantechnologie ist eine gute Lösung, um diese Verbindungen zu entfernen, aber die effektiven Behandlungen (Nanofiltration und Umkehrosmose) sind kostspielig, da viel Energie erforderlich ist, um den Druck auf 5 bis 60 bar zu erhöhen. Ultrafiltration (UF) ist eine kostengünstigere Lösung und kann in Verbindung mit adsorptiven Materialien eine gute Entfernung von Steroidhormonen ermöglichen. ... mehrDie Möglichkeit, diese Mikroverunreinigungen mit adsorptiven Komposit-Membranen zu entfernen, ist das Hauptziel dieser Doktorarbeit.

In solchen adsorptiven Komposit-Membranen ist die hydraulische Verweilzeit von Wasser und gelösten Stoffen kurz (unter einer Minute), im Gegensatz zu den Verweilzeiten (oder Kontaktzeiten) in Adsorbern oder Kontaktoren mit Aktivkohle. Außerdem gibt es bei solchen kompakten Membranen eine Kapazitätsgrenze (das ist die maximale Menge an Adsorptionsmittel pro Membranmenge). Daher müssen die Adsorptionsmittel im Vergleich zu Aktivkohle eine ausreichend große äußere Oberfläche haben, um die Stoffaustauschlimitierung zu minimieren.
Kohlenstoffbasierte Nanopartikel (CNPs), wie mehr-/einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MW-/SWCNTs), Graphen, Graphenoxid und Fulleren, sind vielversprechende Materialien für den Einbau in die UF-Membran. Eine hohe Oberfläche und ein guter Stoffaustausch garantieren jedoch keine gute Adsorption. Bei vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren (VaCNT)-Membranen erreicht das Hormon sofort die Wand der Poren mit nahezu idealer zylindrischer Form und weniger Tortuosität. Diese Membran adsorbiert sehr wenig Hormon, was durch die Kräfte erklärt werden kann, die auf das Hormonmolekül an der Oberfläche einwirken.

Die Ziele sind es, die drei Hauptaspekte mit Komposit-Membranen zu untersuchen, die die Hormonadsorption bestimmen, nämlich i) Oberflächeneigenschaft des Adsorptionsmittels (Kapitel 4), ii) Stoffaustauschlimitierung bei kurzen Verweilzeiten (Kapitel 5) und iii) Zusammenspiel der Kräfte (Kapitel 7). Kapitel 6 untersucht weiter die Behinderung des Stoffaustausches, die durch organische Stoffe verursacht werden.

Steroid hormone micropollutants are compounds of emerging concern in surface water and wastewater that result in elevated risks of reproductive system disorders, cardiovascular disease, and malignancies in humans. Membrane technology is a suitable solution to remove these compounds, but the effective treatments (nanofiltration and reverse osmosis) are costly because much energy is required to elevate the pressure to 5−60 bar. Ultrafiltration (UF) is a lower-cost solution, and when coupled with adsorptive materials, can provide good removal of steroid hormone micropollutants. ... mehrThe possibility of removing these micropollutants with adsorptive composite (UF) membranes is the primary target of this dissertation.

In such adsorptive composite membranes, the residence times of water and solutes are short (below one minute), as opposed to the residence (contact) times in activated carbon adsorbers or contactors. In addition, there is a limit of loading (which is the amount of adsorbent per amount of membrane) in such compact membranes. Therefore, the incorporated adsorbents must have a sufficiently large external surface compared with activated carbon to minimise the mass transfer
limitation. Carbon-based nanoparticles (CNPs), such as multi-/single-walled carbon nanotubes (MW-/SWCNTs), graphene, graphene oxide, and fullerene, are promising materials for incorporation into the UF membrane.

However, high accessible surface area and good mass transfer do not guarantee good adsorption by the composite membranes. In vertically aligned carbon nanotube (VaCNT) membranes, the hormone immediately reaches the wall of the pores with an almost ideal cylindrical shape and low tortuosity. This membrane adsorbs very little hormone, which can be explained by the interplay of forces acting on the hormone molecule at the VaCNT membrane surface.
The aims of this dissertation are to characterise the three main aspects of (adsorptive) composite membranes that influence steroid hormone adsorption, which are the i) surface characteristics of the incorporated adsorbents (Chapter 4), ii) mass transfer limitation within short residence times and in the presence of organic matter in water (Chapters 5 and 6), and iii) interplay of forces (Chapter 7).