is kunnen er verschillende technieken gebruikt worden om de kwaliteit van het water tegen een acceptabele prijs te waarborgen. Afhankelijk van het te behandelen water zijn deze technieken uitermate geschikt om virussen, bacteriën of zouten uit het water te verwijderen. Maar met de groei van het aantal mensen, en het daarmee gepaarde intensievere (her)gebruik van ons water, komen er nieuwe verontreinigingen in ons water. Dit zijn kleine, ongewenste, moleculen zoals hormonen, medicijnresten en pesticiden. Deze stoffen kunnen, zelfs bij zeer geringe concentraties, schadelijk zijn voor dier en mens. De huidige (afval)water behandelingsmethodes zijn niet specifiek ontwikkeld voor deze opkomende microverontreinigingen. Vandaar dat de noodzaak van een nieuwe water zuiveringsmethode wordt verwacht, één die daadwerkelijk gericht is op de opkomende microverontreinigingen. naast dit probleem van de microverontreinigingen, is er ook een probleem met de schaal van de meeste water zuiveringsinstallaties. Over het algemeen zijn dit grote, gecentraliseerde installaties die flinke investeringen vragen, zowel in kapitaal als in opleiding. Dit zorgt voor economische en geografische barrières in de voorziening van schoon drinkwater. Als gevolg hiervan zijn er, vooral in ontwikkelingslanden, nog steeds mensen die geen fatsoenlijke toegang hebben tot veilig water. het decentraliseren van waterzuiveringsinstallaties op basis van een goedkoop en simpel proces samen met een focus op de verwijdering van de opkomende microverontreinigingen, is een volgende stap in de beschikbaarheid van schoon drinkwater over de hele wereld.
S
in deze dissertatie is de ontwikkeling van selectieve membranen beschreven die vooral gericht zijn op de bovengenoemde uitdagingen. De membranen zijn holle vezels, een geometrie die een eenvoudig proces zonder voorbehandeling mogelijk maakt. Dit is een groot voordeel voor gedecentraliseerde waterzuiveringsinstallaties. De selectiviteit van de membranen wordt verhoogd door een dichte laag te coaten op de membranen. Dit is gedaan via de “laag-bij-laag” (lbl) methode. Door een negatief geladen substraat bloot te stellen aan een positief geladen polyelektrolyt, adsorbeert een dunne laag van dit polyelektrolyt aan het substraat. Met het gemodificeerde substraat, nu positief geladen, kan hetzelfde worden gedaan met een negatief geladen polyelektrolyt. Dit gehele proces kan onbeperkt herhaald worden, zodat er langzaam een multilaag van polyelektrolyten op het substraat groeit. wanneer het gekozen substraat een poreus membraan is, wordt er zo een dichte polyelektrolyt laag op het membraan gevormd die kan dienen als selectieve laag voor in de waterzuivering. De veelzijdigheid van de lbl techniek zorgt ervoor dat de eigenschappen van de selectieve laag nauw kunnen worden gecontroleerd. Dit maakt de lbl techniek uitermate geschikt voor het ontwikkelen van selectieve membranen. een belangrijk aspect van membranen die gebruikt worden in de waterbehandeling is de levensduur van de membranen. in dit werk laten wij zien dat wanneer aan bepaalde criteria wordt voldaan, er daadwerkelijk een adequate levensduur behaald kan worden met lbl gemodificeerde membranen (Hoofdstuk 2). De aanwezigheid van ionisch geladen groepen aan het te coaten membraan zorgt voor een veel betere hechting van de multilaag aan het membraan. Daarnaast bepaalt de keuze van het polykation de stabiliteit van de multilaag in een chloorbleekloog oplossing. wij laten zien dat de levensduur van de lbl gemodificeerde membranen vergelijkbaar kan zijn aan commercieel succesvolle ultrafiltratie membranen.
Om een goed begrip te krijgen van de gevormde lagen op het membraan, wordt gedurende dit onderzoek de groei van de multilaag ook gevolgd op modeloppervlaktes. Dit is gedaan met behulp van reflectometrie. De groei van de multilagen op modeloppervlaktes wordt vervolgens gecorreleerd aan de verandering van de membraanprestaties. Door tevens te kijken naar het verschil tussen membranen welke zijn getermineerd met een polykation of met een polyanion (het even-oneven effect), is aangetoond dat een poreus membraan zowel gecoat kan worden in de poriën, als op de poriën (Hoofdstuk 3). bij coating van een membraan met relatief grote poriën, is een overgang geobserveerd van coaten in de poriën naar coaten op de poriën. wanneer er een membraan wordt gekozen met veel kleinere poriën, wordt er direct op de poriën gecoat. De kracht van de lbl methode is dat de coatingcondities de eigenschappen van de laag bepalen. Coaten bij een hogere ionsterkte zorgt voor een dikkere multilaag. Op het membraan zorgt dit voor een grotere verhoging van de weerstand van het membraan per coating stap. Daartegenover staat dat de dikkere lagen ook minder dicht gepakt zijn. Op het membraan resulteert dit in een verlies van ion/water selectiviteit wanneer de multilaag bij een hogere ionsterkte is gecoat (Hoofdstuk 3).
naast klassieke polykationen en polyanionen zijn er in dit onderzoek ook polyzwitterionen onderzocht. Polyzwitterionen zijn polymeren die zowel een positieve als een negatieve groep aan hetzelfde monomeer hebben zitten. specifieke eigenschappen van deze polyzwitterionen zijn een lage niet-specifieke adsorptie en een karakteristieke respons in elektrolyt oplossingen. Terwijl polykationen en polyanionen slechter oplossen bij verhoogde ionsterkte (uitzouten), is
S
de oplosbaarheid bij polyzwitterionen beter bij verhoogde ionsterkte. Dit wordt wel het “anti- polyelektrolyt effect” genoemd. Voor een zwitterionisch copolymeer dat niet in water oplosbaar is, zorgt dit voor een verhoogde zwelling van het polymeer bij een hogere ionsterkte. Tevens is de zwellingsgraad afhankelijk van het type ionen (Hoofdstuk 4).
water oplosbare polyzwitterionen zijn succesvol gebruikt in combinatie met een polykation om zwitterionische multilagen te maken. Ook in de opbouw van de zwitterionische multilagen manifesteert het anti-polyelektrolyt effect zichzelf. in tegenstelling tot klassieke multilagen worden dunnere zwitterionische multilagen gevormd bij hogere ionsterkte (Hoofdstuk 5). Daarnaast is de permeabiliteit van membranen gecoat met de zwitterionische multilaag responsief aan de ionsterkte van het te filtreren water. het verhogen van de zout concentratie van 0 tot 1.5 M naCl zorgt voor een reversibele verhoging van de permeabiliteit van meer dan 100% (Hoofdstuk 5). wanneer dit responsief gedrag niet gewenst is, kan dit worden tegengegaan door het covalent crosslinken van de multilaag. De membranen met een gecrosslinkte multilaag hebben een stabiele permeabiliteit tot en met 1.5 M naCl (Hoofdstuk 7). Membranen zijn ook gecoat met multilagen bestaande uit een polykation, een polyzwitterion en een polyanion, wat resulteert in een nanofiltratie membraan met unieke eigenschappen. De aanwezigheid van het polyzwitterion verandert de selectiviteit van het nanofiltratie membraan zodat het zowel positief als negatief geladen opgeloste stoffen tegenhoudt. Dit gedrag is gezien voor zowel multivalente ionen als voor microverontreinigingen (Hoofdstuk 6).
Dit werk onderstreept de mogelijkheden van polyelektrolyt multilaag gemodificeerde membranen in nieuwe waterzuiveringsmethodes. De eigenschappen van de gemodificeerde membranen kunnen gestuurd worden door de selectie van polymeren en door de coating condities. Met een goed begrip van de groei en de karakteristiek van de multilaag, kan de lbl techniek de volgende stap zijn in een wereld vol schoon drinkwater.