Fabrication and Surface Modification of Polyvinylidene Fluoride-co-Hexafluoropropylene (PVDF-HFP) Hollow Fiber Membranes Intended for Use as Membrane Contactors

การผลิตและการปรับสภาพผิวแมมเบรนเส้นใยกลวง Polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) เพื่อใช้ในกระบวนการเมมเบรนคอนเทคเตอร์

Name: Sunee Wongchitphimon

Name: สุนีย์ วงษ์จิตรพิมล

keyword: Polyvinylidene f1uoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP)

Abstract: This thesis aimed to study the fabrication and surface modification of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) hollow fiber membranes for membrane contactor applications. The PVDF-HFP hollow fiber membranes were fabricated based on nonsolvent-induced phase inversion separation (NIPS) method using N-methyl-2pyrrolidone (NMP) as a solvent. Polyethylene glycol (PEG) with the molecular weights of 200, 600, and 6000 Da were used as the main additive. PEG-200 was selected to study the effect of PEG concentration. In addition, lithium chloride (LiCI) was also used as the second additive. The spinning conditions were also varied. The effects of the PVDF-HFPINMP/PEG interactions on the thermodynamic and kinetic of the dope solutions were investigated. The as-spun membranes were characterized in terms of cross-section and surface morphologies, pure water permeability (PWP), molecular weight cut-off (MWCO), contact angle, and tensile properties. Addition of additive increased the dope thermodynamic instability. resulting in rapid phase demixing in the membrane formation process. The finger-like macrovoids were developed underneath the outer and inner surfaces of the fibers for all the prepared membranes and their dimension increased in parallel with the increase in PEG molecular weights and PEG concentrations. The size of finger-like macrovoids could be suppressed by increasing the coagulation temperature or adding the second additive. PVDF-HFP hollow fibers surface modifications were conducted using the commercial Fluorolink S10 (FS10) and tetraethoxysilane (TEOS) as modifying agents. The fiber surface was first activated with sodium hydroxide (NaOH) aqueous solutions known as the dehydrofluorination process, followed by grafting with the mixture solutions of FS I0 and TEaS. It was found that the optimum conditions of the modification of dehydrofluorination and grafting processes were 10wt.% NaOH, 60 min treatment time, and FS IO/TEOS with the ratio of 3/2 for 30 min. The membrane hydrophobicity in term of contact angle and liquid entry pressure of water (LEPw) increased. while the membrane porosity decreased after the modification. The modification changed the membrane pore size distribution of the original membranes which affected the membrane performances. Original and modified PVDF-HFP hollow fibers were applied to test the performances in membrane gas absorption (MGA) and direct contact membrane distillation (DCMD) processes. In case of MGA, pure CO2 was used as the gas feed, while water and 0.25M monoethanolamine (MEA) were used as the physical and chemical absorbents. respectively. There was no clear relation between the CO2 absorption flux and characterized membrane properties in the physical absorption. For the chemical absorption. 3A(6000)T40-A2 membrane presented the highest CO2 absorption flux than those of other original membranes. Meanwhile, among the modified membranes. Mo_3(6000)T40-A2 had the highest CO2 absorption flux. The CO2 absorption f1ux of 3A(6000)T40-A2 membrane was higher than that of the Mo_3A(6000)-T40-A2 membrane. However, Mo_3A(6000)T40-A2 membrane possessed the better long-term performance than 3A(6000)T40-A2 membrane. The CO2 absorption flux of Mo_3A(6000)T40-A2 membrane decreased by 30% after 7 days. while the CO2 fluxes of the other membranes decreased more than 80%. For the DCMD desalination results. the permeation fluxes were only 1-2 kg/mh, 3A(6000)T40-A2 membrane presented the highest salt rejection. but the permeation flux was too low for the DCMD application.

Abstract: วิทยานิพนธ์นี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการผลิตและการปรับสภาพผิวเมมเบรนเส้นใยกลวงจาก polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylcne (PVDF-HFP) เพื่อประยุกต์ใช้ในกระบวนการ เมมเบรนคอนเทคเตอร์ เมมเบรนเส้นใยกลวง PVDF-HFP ถูกผลิตขึ้นด้วยกระบวนการเปลี่ยนเฟส โดยสารที่ไม่ใช่ตัวทำลายและใช้ N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) เป็นตัวทำละลาย และ polyethylene glycol (PEG) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่างกันได้แก่ 200, 600, 6000 Da เป็นสารเติมแต่งหลัก เพื่อให้เกิดรูพรุนในการผลิตเมมเบรน สำหรับการศึกษาความเข้มข้นของสารเติมแต่งเลือกใช้ PEG ที่มี น้ำหนักโมเลกุล 200 Da นอกจากนี้ยังมีการใช้ lithium chloride (LiC1) เป็นสารเติมแต่งร่วมรวมทั้ง ศึกษาสภาวะในการผลิตเมมเบรนเส้นใยกลวงที่ต่างกัน ศึกษาอิทธิพลของอันตรกิริยาระหว่าง PVDF PVDFHFPINMP/PEG ต่ออุณหพลศาสตร์และจลพลศาสตร์ของสารละลายโดป เมมเบรนที่ผลิตได้นำ มาวิเคราะห์สัณฐานวิทยาทั้งภาพตัดขวางและผิวหน้าของเมมเบรน ความสามารถในการซึมผ่านน้ำ molecular weight cut-off (MWCO) มุมสัผัสและสมบัติต้านแรงดึง การเติมสารเติมแต่งในสารละลายโดปเพิ่มความไม่เสถียรทางด้านอุณหพลศาสตร์ทำให้การเกิดการ แยกเฟสอย่างรวดเร็ว ในการะบวนการเกิดเมมเบรนเส้นใยกลวง รูพรุนลักษณะ finger-like เกิดขึ้น ภายใต้ผิวเมมเบรนทั้งด้านบนแล้วด้านล่างของเมมเบรนทุกสภาวะที่ศึกษาและขนาดของรู finger-like เพื่มขึ้นเมื่อเพิ่มน้ำหนักโมเลกุลและความเข้มข้นของ PEG-200 ขนาดของรู finzer-like ลดลงเมื่อเพิ่ม อุณหภูมิของอ่างตกตะกอนหรือเพิ่มสารเติมแต่งร่วม การนำเมมเบรนเส้นใยกลวง PVDF-HFP มาปรับสภาพผิวโดยใช้ Fluorolink'S10 tetraethoxylsilane (TEOS) เริ่มจากการกระตุ้นผิวหน้าด้วยสารละลาย mVsodium hydroxide (NaOH) (กระบวนการ dehydrofluorination) ตามด้วยการกร๊าฟด้วยสารละลายผสมระหว่าง lFSIO และ TEOS ผลการศึกษาพบว่า สภาวะที่เหมาะสมในการกระตุ้นและปรับสภาพผิวเมมเบรน คือ ใช้สารละลาย NaOH ความเข้มข้น 10% โดยน้ำหนักเป็นเวลา 60 นาทีและใช้อัตราส่วนของ FSIO/TEOS เท่ากับ 3/2 กร๊าฟเป็นเวลา 30 นาที ความไม่ชอบน้ำของเมนนเบรนเส้นใยกลวงที่ปรับสภาพผิวมีค่ามุมสัมผัสและ liquid entry pressure ของน้ำเพิ่มขึ้น ขณะที่ความพรุนมีค่าลดลง การปรับสภาพผิวทำให้การกระจาย ตัวของขนาดรูพรุนของเมมเบรนเปลี่ยนแปลงซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของเมมเบรน นำเมมเบรนเส้นใยกลวง PVDF-HFP ที่ปรับและไม่ปรับสภาพผิวมาทดสอบประสิทธิภาพใน กระบวนการดูดกลืนก๊าซด้วยเมมเบรน (MGA) และกระบวนการกลั่นผ่านเมมนเบรนแบบสัมผัส โดยตรง (DeMD) สำหรับกระบวนการดูดกลืนก๊าซนั้น ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์บริสุทธิ์เป็นก๊าซ ป้อน ใช้น้ำและสารละลาย monoethanolamine ความเข้มข้น 0.25 โมลาร์ เป็นสารดูดกลืนของ กระบวนการดูดกลืนก๊าซทางกายภาพและทางเคมี ตามลำดับ การดูดกลืนก๊าซทางกายภาพพบว่า ค่า ฟลักซ์การดูดกลืนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไม่สัมพันธ์กับสมบัติของเมมเบรนเส้นใยกลวงที่วิเคราะห์ ได้ ส่วนกระบวนการดูดกลืนก๊าซทางเคมีนั้น เมมเบรน 3A(6000)T40-A2 มีค่าฟลักซ์การดูดกลืนก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์สูงกว่าเมมเบรนอื่นที่ไม่ปรับสภาพผิว ขณะที่กลุ่มเมมเบรนที่ปรับสภาพผิวพบว่า เมมเบรน Mo_3A(6000)T40-A2 ให้ค่าฟลักซ์มากที่สุด ฟลักซ์ของเมมเบรนที่ไม่ปรับสภาพผิวมีค่า มากว่าฟลักซ์ที่ระยะยาวดีกว่าเมมเบรนที่ไม่ปรับสภาพผิว ฟลักซ์การดูดกลืนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ลดลงเพียง 30% หลังทดสอบเป็นเวลา 7 วัน ขณะที่เมมเบรนอื่นมีค่าฟลักซ์ลดลงมากกว่า 80% สำหรับ กระบวนการกลั่นผ่านเมมเบรนแบบสัมผัสโดยตรงนั้นพบว่า ฟลักซ์มีค่าเพียง 1-2 kg/mh เท่านั้น โดย เมมเบรน 3A(6000)T40-A2 ให้ค่าการกักกันของสารละลายเกลือสูงที่สุด แต่ฟลักซ์มีค่าต่ำเกินไปสำ หรับการประยุกต์ใช้ในกระบวนการกลั่นผ่านเมมเบรนแบบสัมผัสโดยตรง

King Mongkut's University of Technology Thonburi. KMUTT Library

Address: BANGKOK

Email: info.lib@mail.kmutt.ac.th

Name: Ratana Jiraratananon

Role: Advisors

Created: 2011

Modified: 2012-09-26

Issued: 2012-08-03

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: CHE2267

eng

DegreeName: Doctor of Engineering

Level: Doctoral Degree

Descipline: Chemical Engineering

Grantor: King Mongkut's University of Technology Thonburi

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	CHE2267.pdf	2.39 MB	40	2024-12-23 14:14:30
2	CHE2267ab.pdf	42.45 KB	14	2020-09-29 22:50:29

ใช้เวลา

0.017695 วินาที