Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4578
Main Title: Adsorption of non-ionic surfactants onto ultrafiltration membranes in aqueous and organic solutions
Translated Title: Adsorption von nicht-ionischen Tensiden an Ultrafiltrationsmembranen in wässrigen und organischen Lösungen
Author(s): Nguyen, Le Anh Thu
Advisor(s): Schomäcker, Reinhard
Referee(s): Melin, Thomas
Schomäcker, Reinhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das globale Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, eine Aussage über den grundlegenden Mechanismus zu treffen, der für die technische Undurchführbarkeit der inversen mizellengestützten Ultrafiltration (inverse MEUF) verantwortlich ist. Die Studie fokussiert auf den Wechselwirkungen zwischen Membran und den nicht-ionischen Tensiden (am Beispiel von Nonylphenol ethoxylate NP5) entweder in Wasser oder in 1-Dodecen für zwei Konzentrationsbereiche: Unterhalb und oberhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration (cmc). Aus Mangel an Literatur über inverse MEUF wurde eine Voruntersuchung zur Eignung des Membranverfahrens im ersten Teil der Studie durchgeführt. Dies gilt als erster Schritt einer Prozessauslegung. Das Ergebnis zeigt, dass kaum Rhodium durch inverse MEUF zurückgehalten wird, wobei hoher Rückhalt durch traditionelle MEUF technisch machbar ist. Änderungen an Fluss und Rückhaltevermögen wurden mittels zwei Modellen analysiert: (i) Hermias Blockungsmodelle; (ii) Zhu und Gus Adsorptionsmodelle. Dabei wurden als Grundlage der Forschungsarbeit unterschiedliche Membranen mit einer Ausschlussgrenze oder Cut-off (MWCO) von 10-30 kDa in wässrigen sowie organischen Lösungen systematisch eingesetzt. Um den Grund für die Permeabilitätsabnahme in Abhängigkeit der Tensidkonzentration herauszufinden, wurden im zweiten Teil der Studie zwei Versuchsgruppen gebildet: (i) UF von NP5/1-Dodecen und NP5/H2O; (ii) Membranspülung mit dem jeweiligen Reinstlösungsmittel. Die Auswertung der Fluss-Daten mittels Hermias Modellen wies drauf hin, dass der verantwortliche Mechanismus nicht aus einer mechanischen Membranverblockung stammt. Als Ergebnis liefert die vorliegende Studie, welche als allererste Studie in der Membranforschung die Modelle von Zhu und Gu anwendet, den Nachweis über die Tensidadsorption als ein für die Fluss-Abnahme entscheidender Mechanismus. Darüber hinaus wurden hierbei unterschiedliche Faktoren wie die Hydrophilie, die Porengröße, sowie die Porengrößenverteilung jeweiliger Membranoberfläche betrachtet. Adsorption in Kapillaren oder an der Oberfläche von der Membran hat einen negativen Einfluss auf den Rückhalt von inversen Mizellen. Die Bildung von inversen Mizellen in einem unpolaren organischen Lösungsmittel wird durch die Adsorption verhindert, selbst wenn die Tensidkonzentration im Feed weiter zunimmt. Bei der Adsorptionssättigung nehmen die Tenside, die in der Überschussmenge in der Bulklösung verbleiben, nicht an dem Adsorptionsvorgang teil. Diese Moleküle diffundieren an die Membrankapillaren. Aus diesem Grund, erweist sich die inverse MEUF, welche herkömmlich als ein effizientes Trennverfahren zum Katalysatorrecycling in der Hydroformulation von 1-Dodecen erwartet wurde, als technisch ungeeignet.
The global aim of this thesis is to deliver the responsible mechanism for the technical infeasibility of the reverse micellar-enhanced ultrafiltration (reverse MEUF). The flux-reducing mechanism may be a cake layer formation, blocking the membrane pores or molecular interactions between surfactants and membrane surface. This thesis focuses on interactions between membrane and the non-ionic surfactants (nonylphenol ethoxylate NP5) either in a non-polar organic (1-dodecene) or in aqueous (water) solvent during the ultrafiltration (UF) at surfactant concentrations below and above the critical micelle concentration (cmc). In the surfactant-based hydroformylation of 1-dodecene, reverse MEUF seems to be an attractive concept to recycle catalysts from any product stream as reverse micellar solutions. Owing to a lack of literature on reverse MEUF, this preliminary investigation is an essential step and fundamental for the beginning of the process design. Consequently, reverse MEUF was proven as unsuitable concept for catalyst recovery from the oily product phase of the hydroformylation of 1-dodecene. Change in flux and retention were investigated by applying two models: (i) Hermia’s blocking models; (ii) Zhu and Gu’s adsorption models. Fundamental research revolves around contrasting MEUF and reverse MEUF using various membranes in aqueous and organic solutions. Above the cmc, surfactants aggregate into “normal” micelles in water or “reverse” micelles in oil. Catalysts embedded in micelles can be recovered by using UF-membranes with a molecular weight cut-off (MWCO) of 10-30 kDa. Finding the responsible effect for the differing results of both MEUF types is a great motivation for the research in the next part of this study. To explain the changes in the permeability regarding to surfactant concentrations, the second stage of the study is divided into two parts: (i) UF of binary mixtures, i.e. surfactant/1-dodecene or surfactant/water; (ii) rinsing membranes by filtration with the same pure solvent. As result, the study points out that the flux-reducing mechanism observed in this work is not caused by a mechanical membrane blocking. In the research field of membrane filtration, this work applies Zhu and Gu’s adsorption models for the first time, to the best knowledge of the author, to explain the adsorption mechanism of surfactants from oil, as well as from water onto UF-membranes. Additionally, different impacts such as the surface hydrophilicity, pore size and pore size distribution of membranes are observed with the help of Zhu and Gu’s models, which become to be an interesting tool for membrane screening suggested in this study. Adsorption in membrane capillaries or at membrane surface has a negative impact on the retention of reverse micelles. The formation of reverse micelles in a non-polar solvent is inhibited, even though the surfactant concentration of feed is increased. When adsorption reaches its saturation, the surfactants remaining in the bulk solution do not participate in the adsorption onto membrane. These molecules pass through the membrane capillaries. For this reason, reverse MEUF, which was originally expected to work successfully as a recycling process of the hydroformylation of 1-dodecene, is proven to be technically infeasible.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-69325
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4875
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4578
Exam Date: 6-Jul-2015
Issue Date: 24-Aug-2015
Date Available: 24-Aug-2015
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Tensid
inverse Mizelle
mizellengestützte Ultrafiltration
Katalysatorrückgewinnung
Ultrafiltrationsmembranen
Surfactant
reverse micelle
micellar-enhanced ultrafiltration
catalyst recovery
ultrafiltration membranes
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