Nanostructured, thin film composite and nanocomposite membranes for water treatment

Abstract

During last decades, population growth, climate change, natural disasters, uncontrolled urbanization, and pollution have left about one third of the world’s population without adequate access to drinking water. Water issue is expected to be more exacerbated in the coming decades, with water scarcity occurring globally and affecting even regions currently considered waterrich. Addressing this problem requires a great deal of adequate research to improve the efficiency of water use and wastewater treatment, as well as to mitigate the impacts of a wide variety of factors affecting water availability worldwide. Over the past twenty years, membrane filtration technology has become a significant separation methodology for drinking water production from saltwater (i.e. desalination) and wastewater (or groundwater), providing environmentally friendly and effective alternatives to conventional technologies. The main advantages of membrane filtration technology over conventional separation methods are its high removal capacity of particulates and microorganisms, very low thermal and chemical impact, flexibility of operation, modular design, moderate energy consumption and high cost effectiveness. The growth of the global membranes market is mainly the result of the impressive development of materials used for membrane fabrication and modification, improvements in membrane modules, and the progress of related systems, plants and equipment. However, the application of membranes in water treatment is limited by membrane fouling, which reduces water production rate, increases energy consumption, deteriorates membrane separation capability, and shortens membrane lifespan increasing, consequently, operation and maintenance costs. Particularly, organic and microbial fouling are the initial steps for biofilm formation, resulting in severe fouling problems in many environmental and engineered applications including membrane water filtration. Therefore, it is crucial the preparation of membranes with optimized surface properties, which induce a high fouling resistant capacity. This PhD thesis is focused on the preparation, characterization, modification and optimization of novel and advanced membranes with enhanced organic and microbial antifouling performance for the treatment, clearance and disinfection of different types of water as a sustainable way to increase drinking water availability and reduce water scarcity. First, an overview of the progress made during last few years on the preparation of novel membranes and their modification for water treatment by hydrostatic pressure and vapor pressure gradient membrane processes (i.e., microfiltration, MF; ultrafiltration, UF; nanofiltration, NF; reverse osmosis, RO; membrane distillation, MD and pervaporation, PV) is outlined in order to better understand the challenges and drawbacks that still need to be overcome for these membrane filtration technologies...Durante las últimas décadas, el crecimiento demográfico, el cambio climático, los desastres naturales, la urbanización descontrolada y la contaminación han dejado a aproximadamente un tercio de la población mundial sin acceso adecuado al agua potable. Se espera que el problema del agua se agrave aún más en las próximas décadas, habiendo escasez de agua en todo el mundo y afectando incluso a las regiones actualmente consideradas ricas en agua. Abordar este problema requiere una gran cantidad de investigación adecuada para mejorar la eficiencia del uso del agua y el tratamiento de aguas residuales, así como para mitigar los impactos de una amplia variedad de factores que afectan la disponibilidad del agua en todo el mundo. En los últimos veinte años, la tecnología de filtración por membrana se ha convertido en una metodología de separación significativa para la producción de agua potable a partir de agua salada (es decir desalinización) y aguas residuales (o aguas subterráneas), proporcionando alternativas ecológicas y efectivas respecto a las tecnologías convencionales. Las principales ventajas de la tecnología de filtración por membrana sobre los métodos de separación convencionales son su alta capacidad de eliminación de partículas y microorganismos, muy bajo impacto térmico y químico, flexibilidad de operación, diseño modular, consumo moderado de energía y alta rentabilidad. El crecimiento del mercado mundial de membranas es principalmente el resultado del impresionante progreso en los materiales utilizados para la fabricación y modificación de membranas, las mejoras en los módulos de membranas y la evolución de los sistemas, plantas y equipos relacionados. Sin embargo, la aplicación de membranas para el tratamiento de agua está limitada por el ensuciamiento de la membrana, lo que reduce la tasa de producción de agua, aumenta el consumo de energía, deteriora la capacidad de separación de la membrana y acorta la vida útil de la misma aumentando, en consecuencia, los gastos de operación y mantenimiento. Particularmente, el ensuciamiento orgánico y microbiano conforman las etapas iniciales para la formación de biopelículas, lo que da lugar a graves problemas de ensuciamiento en muchas aplicaciones ambientales y de ingeniería, incluida la filtración de agua por membrana. Por consiguiente, resulta crucial preparar membranas con propiedades superficiales optimizadas que induzcan una alta capacidad de resistencia al ensuciamiento. Esta tesis doctoral se centra en la preparación, caracterización, modificación y optimización de membranas novedosas y avanzadas con una eficiencia de anti-ensuciamiento “antifouling” orgánico y microbiano mejorada para el tratamiento, depuración y desinfección de diferentes tipos de agua como una forma sostenible de aumentar la disponibilidad de agua potable y reducir la escasez de agua. Primero, se ofrece una visión general del progreso realizado durante los últimos años en la preparación de nuevas membranas y su modificación para el tratamiento de agua mediante procesos de membrana con gradiente de presión hidrostática y presión de vapor (incluyendo microfiltración, MF; ultrafiltración, UF; nanofiltración, NF; ósmosis inversa, OI; destilación en membrana, DM y pervaporación, PV) con el objetivo de comprender mejor los desafíos y los inconvenientes que aún deben ser superados por estas tecnologías de filtración de membrana...