Fabrication of sustainable organic solvent nanofiltration membranes using cellulose–chitosan biopolymer blends

纳滤 渗透 化学工程 纤维素 生物高聚物 材料科学 壳聚糖 溶剂 膜技术 化学 色谱法 有机化学 聚合物 渗透 生物化学 工程类
作者
Rifan Hardian,Abdulaziz Alammar,Tibor Höltzl,György Székely
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier]
卷期号:658: 120743-120743 被引量:56
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2022.120743
摘要

Membrane technologies have emerged as a promising alternative to energy-intensive separation processes in various industrial sectors. To address the sustainability challenge associated with the fabrication of separation membranes, a paradigm shift from the use of petrochemical-based raw materials to greener biobased sources is highly desired. In this study, blends of cellulose — as a plant-based material — and chitosan — obtained from shrimp farming waste and used as a biomass material — were investigated for the fabrication of oil and solvent-resistant nanofiltration membranes. The structural, thermal, mechanical, and morphological properties of the prepared membranes were characterized. Molecular simulations were performed to study the fractional free volume and interaction energy among membrane constituents. Adjusting the cellulose–chitosan ratio allowed fine-tuning the molecular sieving properties of the membranes, which exhibited outstanding separation performance and chemical stability even in harsh solvents, such as polar aprotic solvents, at the maximum temperature of 100 °C. Cellulose membranes containing 25 wt% chitosan achieved the lowest molecular weight cutoff value of 413 g mol−1 and a permeance of 24 L m−2 h−1 bar−1 in acetonitrile. The membranes showed stable separation performance over 7 days of continuous cross-flow nanofiltration. Moreover, the cellulose membranes blended with 10–25 wt% chitosan showed decreased water permeance from 52 to 38 L m−2 h−1 bar−1 and increased oil-removal efficiency from 73.8% to 98.6%. Furthermore, the membranes successfully underwent biodegradation, confirming their potential to close the loop of the sustainable lifecycle of membranes from cradle to grave.

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