Published January 30, 2024 | Version v1
Publication Open

Synthesis of high-performance biocompatible polymeric membranes incorporated with zirconium-based MOF for an enhanced brackish water RO desalination

Creators

  • 1. Egypt-Japan University of Science and Technology
  • 2. City of Scientific Research and Technological Applications

Description

Abstract A nanosized zirconium 1,4- dicarboxybenzene metal-organic framework (UiO-66-MOF) was synthesized and impregnated into cellulose acetate (CA) polymeric matrix to enhance the membrane characteristics for brackish water desalination. Phase inversion was used for the fabrication of CA/UiO-66 hybrid membranes (CAU-X), where X is the concentration of immobilized UiO-66 nanoparticles (UiO-66-NPs) into CA polymeric matrix. Morphological structure and functional groups were investigated through different characterization techniques to prove the successful synthesis of the prepared UiO-66-NPs, the blank CA membrane, and hybrid CAU-X membranes. For more CAU-X characteristics, porosity, contact angle, and tensile strength were measured. The obtained data demonstrated that the impregnation of zirconium-based-NPs had a positive influence on the blank CA membrane properties. Additionally, the performance of the fabricated membranes was investigated in reverse osmosis (RO) bench-scale unit. The performance results for the pristine CAU-0 membrane showed a high salt rejection (SR) of 99.8% and a permeate water flux (PWF) of 1.14 L/m 2 .h. In comparison to pristine CA membrane, CAU-X hybrid membranes have a slightly lower SR and a higher PWF. It was found that the hybrid CAU-0.02 membrane had almost a doubled PWF of 2.8 L/m 2 .h with only 2% sacrificed SR of 97.6% compared with CAU-0 membrane. Moreover, a much better PWF of 3.4 L/m 2 h and a sufficient SR of approximetly 92% were obtained by CAU-0.05 membrane. Thus, CAU-0.05 was selected to further test its performance under different operating parameters. Results revealed that the optimum parameters were recorded for a sodium chloride feed stock of 5000 ppm operating at 25 °C temperature and pressure up to 15 bar. Graphical Abstract

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص تم تصنيع إطار معدني عضوي من الزركونيوم النانوي 1،4 - ثنائي كربوكسي بنزين (UiO -66 - MOF) وتشريبه في مصفوفة بوليمرية من أسيتات السليلوز (CA) لتعزيز خصائص الغشاء لتحلية المياه المالحة. تم استخدام انقلاب الطور لتصنيع الأغشية الهجينة CA/UiO -66 (CAU - X)، حيث X هو تركيز جسيمات UiO -66 النانوية المثبتة (UiO -66 - NPs) في المصفوفة البوليمرية CA. تم التحقيق في البنية المورفولوجية والمجموعات الوظيفية من خلال تقنيات توصيف مختلفة لإثبات التوليف الناجح لـ UiO -66 - NPs المحضرة، وغشاء CA الفارغ، وأغشية CAU - X الهجينة. لمزيد من خصائص CAU - X، تم قياس المسامية وزاوية التلامس وقوة الشد. أظهرت البيانات التي تم الحصول عليها أن تشريب الجسيمات النانوية القائمة على الزركونيوم كان له تأثير إيجابي على خصائص غشاء CA الفارغ. بالإضافة إلى ذلك، تم التحقيق في أداء الأغشية المصنعة في وحدة مقياس التناضح العكسي (RO). أظهرت نتائج الأداء لغشاء CAU -0 البكر رفضًا مرتفعًا للملح (SR) بنسبة 99.8 ٪ وتدفقًا متخللًا للمياه (PWF) قدره 1.14 لتر/م 2. ساعة. بالمقارنة مع غشاء CA البكر، تحتوي الأغشية الهجينة CAU - X على SR أقل قليلاً و PWF أعلى. وجد أن الغشاء الهجين CAU-0.02 كان لديه ما يقرب من ضعف PWF من 2.8 لتر/م 2 .h مع 2 ٪ فقط ضحى ريال سعودي من 97.6 ٪ مقارنة مع غشاء CAU -0. علاوة على ذلك، تم الحصول على PWF أفضل بكثير بمقدار 3.4 لتر/م 2 ساعة و SR كافٍ بنسبة 92 ٪ تقريبًا بواسطة غشاء CAU -0.05. وبالتالي، تم اختيار CAU-0.05 لمزيد من اختبار أدائها في ظل معايير تشغيل مختلفة. كشفت النتائج أنه تم تسجيل المعلمات المثلى لمخزون تغذية كلوريد الصوديوم من 5000 جزء في المليون يعمل عند درجة حرارة 25 درجة مئوية وضغط يصل إلى 15 بار. الملخص الرسومي

Translated Description (French)

Résumé Une structure organométallique de zirconium 1,4-dicarboxybenzène (UiO-66-MOF) de taille nanométrique a été synthétisée et imprégnée dans une matrice polymère d'acétate de cellulose (CA) pour améliorer les caractéristiques de la membrane pour le dessalement de l'eau saumâtre. L'inversion de phase a été utilisée pour la fabrication de membranes hybrides CA/UiO-66 (CAU-X), où X est la concentration de nanoparticules d'UiO-66 immobilisées (UiO-66-NPs) dans la matrice polymère CA. La structure morphologique et les groupes fonctionnels ont été étudiés à l'aide de différentes techniques de caractérisation pour prouver la synthèse réussie des UiO-66-NPs préparés, de la membrane CA vierge et des membranes hybrides CAU-X. Pour plus de caractéristiques CAU-X, la porosité, l'angle de contact et la résistance à la traction ont été mesurés. Les données obtenues ont démontré que l'imprégnation de NP à base de zirconium avait une influence positive sur les propriétés de la membrane CA à blanc. De plus, la performance des membranes fabriquées a été étudiée dans une unité d'osmose inverse (RO) à l'échelle du banc. Les résultats de performance pour la membrane immaculée CAU-0 ont montré un rejet élevé de sel (SR) de 99,8 % et un flux d'eau de perméat (PWF) de 1,14 L/m 2 .h. Par rapport à la membrane CA vierge, les membranes hybrides CAU-X ont un SR légèrement inférieur et un PWF plus élevé. Il a été constaté que la membrane hybride CAU-0.02 avait presque un PWF doublé de 2,8 L/m 2 .h avec seulement 2% de SR sacrifié de 97,6% par rapport à la membrane CAU-0. De plus, une FEP bien meilleure de 3,4 L/m 2 h et un RS suffisant d'environ 92 % ont été obtenus par membrane CAU-0.05. Ainsi, CAU-0.05 a été sélectionné pour tester davantage ses performances sous différents paramètres de fonctionnement. Les résultats ont révélé que les paramètres optimaux ont été enregistrés pour une charge de chlorure de sodium de 5000 ppm fonctionnant à une température de 25 °C et une pression allant jusqu'à 15 bars. Résumé graphique

Translated Description (Spanish)

Resumen Se sintetizó un marco orgánico metálico de circonio 1,4-dicarboxibenceno nanométrico (UiO-66-MOF) y se impregnó en una matriz polimérica de acetato de celulosa (CA) para mejorar las características de la membrana para la desalinización de agua salobre. La inversión de fase se utilizó para la fabricación de membranas híbridas CA/UiO-66 (CAU-X), donde X es la concentración de nanopartículas de UiO-66 inmovilizadas (UiO-66-NP) en la matriz polimérica de CA. La estructura morfológica y los grupos funcionales se investigaron a través de diferentes técnicas de caracterización para probar la síntesis exitosa de los UiO-66-NP preparados, la membrana de CA en blanco y las membranas CAU-X híbridas. Para obtener más características de CAU-X, se midieron la porosidad, el ángulo de contacto y la resistencia a la tracción. Los datos obtenidos demostraron que la impregnación de NP a base de circonio tuvo una influencia positiva en las propiedades de la membrana de CA en blanco. Además, se investigó el rendimiento de las membranas fabricadas en una unidad a escala de banco de ósmosis inversa (RO). Los resultados de rendimiento para la membrana CAU-0 prístina mostraron un alto rechazo de sal (SR) del 99.8% y un flujo de agua de permeado (PWF) de 1.14 L/m 2 .h. En comparación con la membrana de CA prístina, las membranas híbridas CAU-X tienen un SR ligeramente más bajo y un PWF más alto. Se encontró que la membrana híbrida CAU-0.02 tenía casi el doble de PWF de 2.8 L/m 2 .h con solo el 2% de SR sacrificado del 97.6% en comparación con la membrana CAU-0. Además, se obtuvo un PWF mucho mejor de 3.4 L/m 2 h y una SR suficiente de aproximadamente el 92% mediante la membrana CAU-0.05. Por lo tanto, se seleccionó CAU-0.05 para probar aún más su rendimiento bajo diferentes parámetros operativos. Los resultados revelaron que los parámetros óptimos se registraron para una materia prima de cloruro de sodio de 5000 ppm que funciona a 25 °C de temperatura y presión de hasta 15 bar. Resumen gráfico

Files

s10570-023-05723-6.pdf.pdf

Files (1.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:06148246d68bfde8ee28dbc5755450b1
1.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تركيب أغشية بوليمرية عالية الأداء متوافقة حيوياً مدمجة مع MOF القائم على الزركونيوم لتحلية المياه المالحة RO المحسنة
Translated title (French)
Synthèse de membranes polymères biocompatibles haute performance incorporées avec du MOF à base de zirconium pour un dessalement amélioré de l'eau saumâtre RO
Translated title (Spanish)
Síntesis de membranas poliméricas biocompatibles de alto rendimiento incorporadas con MOF a base de circonio para una mejor desalinización de RO de agua salobre

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4391353931
DOI
10.1007/s10570-023-05723-6

Is supplement to
https://openalex.org/W3037933514 (Other)
https://openalex.org/W3014625333 (Other)
https://openalex.org/W2648216088 (Other)
https://openalex.org/W2591357446 (Other)
https://openalex.org/W2354611000 (Other)
https://openalex.org/W2092122872 (Other)
https://openalex.org/W2072410343 (Other)
https://openalex.org/W2050082486 (Other)
https://openalex.org/W2014003693 (Other)
https://openalex.org/W1982050033 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W2039603487
  • https://openalex.org/W2092044451
  • https://openalex.org/W2121485126
  • https://openalex.org/W2132814676
  • https://openalex.org/W2167945968
  • https://openalex.org/W2184036185
  • https://openalex.org/W2317566433
  • https://openalex.org/W2321448506
  • https://openalex.org/W2335614374
  • https://openalex.org/W2339198851
  • https://openalex.org/W2339398528
  • https://openalex.org/W2408484501
  • https://openalex.org/W2479863146
  • https://openalex.org/W2570744053
  • https://openalex.org/W2586170356
  • https://openalex.org/W2591941491
  • https://openalex.org/W2625513867
  • https://openalex.org/W2739385111
  • https://openalex.org/W2761384745
  • https://openalex.org/W2766547538
  • https://openalex.org/W2782456684
  • https://openalex.org/W2794336696
  • https://openalex.org/W2796571387
  • https://openalex.org/W2806567409
  • https://openalex.org/W2898354774
  • https://openalex.org/W2903879314
  • https://openalex.org/W2909191840
  • https://openalex.org/W2913800109
  • https://openalex.org/W2921287537
  • https://openalex.org/W2943351368
  • https://openalex.org/W2944969785
  • https://openalex.org/W2951316439
  • https://openalex.org/W2965389711
  • https://openalex.org/W2973136451
  • https://openalex.org/W2998290840
  • https://openalex.org/W3000491177
  • https://openalex.org/W3008752482
  • https://openalex.org/W3014537362
  • https://openalex.org/W3021113949
  • https://openalex.org/W3024530842
  • https://openalex.org/W3035789973
  • https://openalex.org/W3037744149
  • https://openalex.org/W3049318956
  • https://openalex.org/W3057160844
  • https://openalex.org/W3080352757
  • https://openalex.org/W3081142142
  • https://openalex.org/W3086430537
  • https://openalex.org/W3087936848
  • https://openalex.org/W3093815767
  • https://openalex.org/W3096925649
  • https://openalex.org/W3108888295
  • https://openalex.org/W3111767612
  • https://openalex.org/W3117296555
  • https://openalex.org/W3130563903
  • https://openalex.org/W3150086003
  • https://openalex.org/W3158022021
  • https://openalex.org/W3160313039
  • https://openalex.org/W3165748365
  • https://openalex.org/W3171826709
  • https://openalex.org/W3174675436
  • https://openalex.org/W3176001488
  • https://openalex.org/W3182857951
  • https://openalex.org/W3183010808
  • https://openalex.org/W3186326037
  • https://openalex.org/W3193959103
  • https://openalex.org/W3194599302
  • https://openalex.org/W3194789531
  • https://openalex.org/W3202475250
  • https://openalex.org/W3207565510
  • https://openalex.org/W3209876165
  • https://openalex.org/W4200207698
  • https://openalex.org/W4200355084
  • https://openalex.org/W4206574862
  • https://openalex.org/W4210826994
  • https://openalex.org/W4229000249
  • https://openalex.org/W4281558972
  • https://openalex.org/W4307650047
  • https://openalex.org/W4308160424
  • https://openalex.org/W4308515706
  • https://openalex.org/W4309743006
  • https://openalex.org/W4309770515
  • https://openalex.org/W4309932353
  • https://openalex.org/W4312112421
  • https://openalex.org/W4313317756
  • https://openalex.org/W4322739299
  • https://openalex.org/W4377826704