Synthesis and Characterization of Indigenous Hydrophilized Polyvinylidene Fluoride Membrane for Drinking Water Purification: Experimental Study and Modeling Aspects

Abstract

Проведено гідрофілізацію полівініліденфлуоридних мембран (ПВДФ) внаслідок змішування з полівініловим спиртом (ПВС), і подальшим зшиванням із глутаральдегідом. Синтезовані мембрани досліджені в процесах очищення поверхневих вод. Для вивчення поверхневої і поперечної морфології та міжмолекулярних взаємодій проведені дослідження мембран з використанням скануючої електронної мікроскопії та спектроскопії Фур’є. Вивчено вплив параметрів, а саме: тиску, часу та концентрації зшиваючого агента на ефективність процесу. Для прогнозування впливу концентраційної поляризації на ефективність розділення і частоту зворотного промивання на основі експериментально встановлених даних граничного потоку, осмотичного тиску та моделі блокування пор знайдено відповідну теоретичну модель. Встановлено, що модель осмотичного тиску є придатною моделлю, а прогнозовані результати добре узгоджуються з експериментальними даними. Після перевірки моделі для синтезованої мембрани, проведено симуляцію для прогнозування утворення осаду та визначено час зворотного промивання 97 год. Для підтвердження економічної доцільності розробленого процесу проведено оцінку вартості пілотної установки потужністю 1000 м3/добуIndigenous polyvinylidene fluoride (PVDF) membrane was hydrophilized by blending with polyvinyl alcohol (PVA) which was further cross-linked with glutaraldehyde and tested for surface water purification. Synthesized membranes were characterized by SEM and FTIR to study the surface and cross-sectional morphologies and intermolecular interactions, respectively. The effect of parameters, namely feed pressure, operational time, and the cross-linking agent concentration on the process efficiency was studied. PVDF/PVA blend membrane exhibited a reasonable process flux of 205 l/m2·h at 0.5 MPa and ambient temperature of 308 K. Experimental data were fitted to the limiting flux, osmotic pressure and pore blocking model to find the suitable theoretical model to predict the effect of concentration polarization on the separation performance and back flushing frequency. Osmotic pressure model was found to be a suitable model and the predicted results from the model were in agreement with the experimental findings. After the model was validated for the synthesized membrane, the simulation was carried out to predict the cake formation and the back flushing time was found as 97 h. Cost estimation was carried out for a pilot plant of capacity of 1000 m3/day to emphasize the economic feasibility of the developed process.