Investigation of the influence of silver nanoparticles on the permeation and bactericidal properties of nanofiltration membranes

Abstract

Das Interesse an der Anwendung von Nanofiltration (NF) in der Abwasserbehandlung, Trinkwasser und Prozesswasser Produktion ist während des letzten Jahrzehnts größer geworden. Die Ausfällung als konventioneller Prozessschritt ist nicht effizient für die Entfernung von natürlicher organischer Materie, wobei diese Rückstände zur Bildung von Nebenprodukten bei der Desinfektion führen, speziell wenn Chlor zur Anwendung kommt. NF stellt die beste verfügbare Technik für die Produktion von hochqualitativen Trinkwasser dar, ist jedoch anfällig gegen Biofouling. Die Einarbeitung von Bakteriziden in NF Membranen kann ein Ansatz für die Verbesserung dieser Technik sein. Deshalb wurden 6 asymmetrische Celluloseacetat (CA) Verbund Membranen via Flüssig- Phasen Inversions Methode hergestellt. Dabei wurden Polyvinylpyrrolidon beschichtete Ag Nanopartikel in 4 verschiedenen Konzentrationen (0%, 0,01%, 0,05%, 0,14%), ß-Zeolith und ß-Zeolith, welches einem Ionenaustausch mit Silber unterzogen wurde, in die Gusslösung eingebracht. Die Silber Nanopartikel wurden ex situ synthetisiert und in konzentrierter wässriger Lösung zur Gusslösung zugegeben. Das pure ß-Zeolith wurde in Pulverform zugegeben während das ß-Zeolith für die zweite Zeolith Membran vor der Zugabe einem Ionentausch in einer Silbernitrat Lösung unterzogen wurde. Darauffolgend wurden die Membranen nach Permeabilitätsleistung, physikalisch-chemischen und antibakteriellen Eigenschaften charakterisiert. Es konnte nachgewiesen werden, das Silber Nanopartikel die Hydraulische Permeabilität erhöhen. Wobei die Membranen mit einer Silber Nanopartikel Konzentrationen von 0,14% eine zu 194% erhöhte Permeabilität im Vergleich zu den silberfreien Membranen aufweisen. Auch die Membranen mit reinem Zeolith (6,25%) und ionengetauschtem Zeolith (56,3%) weisen eine erhöhte Permeabilität im Vergleich zu den silberfreien Membranen auf. Die Einarbeitung von Silber Nanopartikeln, Zeolith und ionengetauschtem Zeolith zeigte eine Abnahme der Abscheidung von Glucose, NaCl, Na2SO4, MgCl2 and MgSO4. Wobei alle Membranen mit Ausnahme der reinen Zeolith CA Membran, die Abscheidung aller genannten Spezies größer als 82% ist. Zudem konnte festgestellt werden, dass Silber das Zeta Potential der Membranen reduziert. Die Membranen mit einem Silbergehalt von 0,05% und höher haben einen antibakteriellen Effekt an E. coli Bakterien. Die Membranen mit Ionengetauschtem Zeolith und einem Silber Gehalt von 0,14% zeigen die höchste Mortalität und unterdrücken jegliche bakterielle Aktivität nach 210 Minuten.

During the last decade, the interest in the use of nanofiltration (NF) has emerged in wastewater treatment as well as drinking water and process water production. The conventional operation of coagulation/flocculation in the drinking water production is not efficient in the natural organic matter removal and the residues lead to the formation of disinfection by-products particularly when chlorination is used. NF is the best available technique for high quality drinking water production but vulnerable to biofouling. The incorporation of bactericides in NF membranes can be an approach to improve this technique. Hence, six cellulose acetate (CA) asymmetric composite membranes were prepared via the wet-phase inversion method by dispersing polyvinylpirrolydone-protected Ag nanoparticles in 4 different concentrations (0%, 0,01%, 0,05%, 0,14%), ß-Zeolite and silver ion exchanged ß-Zeolite, respectively, in the membrane casting solutions. Silver nanoparticles were synthesized ex situ and added to the casting solution as a concentrated aqueous colloidal dispersion. The pure ß-Zeolite was added in powder form while the ß-Zeolite for the second zeolite membrane was ion exchanged with a silver nitrate solution before adding. Following, the membranes were characterized by permeability performance, physicochemical and bactericidal properties. It can be stated that silver nanoparticles increase the hydraulic permeability of the CA nanofiltration membranes. The membrane containing 0,14% silver showed an increase of the hydraulic permeability of 194% in comparison to the silver free membrane. The membranes with zeolite beta and with silver ion exchanged zeolite beta showed an increase of hydraulic permeability of 6,25% and 56,3%, respectively, in comparison to the silver free membrane. The incorporation of silver nanoparticles, zeolite and silver ion exchange zeolite showed also a decrease of the rejection coefficients to glucose, NaCl, Na2SO4, MgCl2 and MgSO4. However, all membranes except the one incorporating pure zeolite incorporating show rejection coefficients of more than 82% for these species. Furthermore, it can be stated that silver decreases the zeta potential. The membranes with a silver content of 0,05% and more showed a bactericidal effect on E. coli. The membrane with incorporating ion exchange zeolite and a pure silver content of 0,14% shows the highest death rate and no more bacterial activity after 210 min.