Brackish water desalination with a novel polymer nanocomposite membrane

Abstract

The rapid growth of the global population, the industrialization and environmental problems caused by global warming have made it necessary to implement advanced water purification techniques capable of fulfilling the increasing demand for drinking water. Salty water is the most abundant on earth which represents approximately 97% of the water available. However, it is the less recovered source of water, because of the high costs of power consumption required by the thermal desalination processes. The ion exchange technologies by membranes have acquired special attention as an economical alternative, and it is still the most commonly used method for desalination, due to their high efficiency and environmentally benign nature. In this research, sulfonated poly(styrene-isobutylene-styrene) (SIBS) was used to validate its performance as a desalination media for brackish water by ion exchange mechanism. The effect of counter-ion substitution in the ionic domains (e.g., Ba+2 and Mg+2) was used to change the nanostructure and the resulting transport properties of water and salt, as it was reflected in the percentages removal of sodium obtained. Materials characterization techniques were employed to evaluate the chemical structure and physical properties of the polymer membranes such as infrared spectroscopy, elemental analysis, water absorption, and ion exchange capacity depending on the levels of sulfonation and substitution with Ba+2 and Mg+2 counter-ions. Sulfonation levels calculated by elemental analysis results were 50.3%, 68.7%, and 88%. Infrared spectroscopy technique confirmed the presence of sulfonic groups and interactions with Ba+2 and Mg+2 counter-ions in the SIBS polymer structure. Overall, the results show that high values of ion exchange capacity and percentages of water absorption were directly related to the high degree of sulfonation in the SIBS polymer. Maximum values obtained from ion exchange capacity and water absorption were 1.75 mequiv/g and 581.3%. The incorporation of metallic counter-ions such as Ba+2 and Mg+2 significantly reduced these two properties thanks to the ionic cross-linking formed by them in the structure of the sulfonated SIBS polymer.A factorial experimental design and analysis of variance were performed to evaluate the effect of fixed factors such as sulfonation levels, counter-ion substitution and sodium chloride concentration on the percentage of sodium removal. Results of ANOVA showed that the significant factors evaluated individually on the percentage of sodium removal were the sulfonation level and the counter-ion substitution, both with P values of 0.000 indicating high significance. Significant interactions were obtained between factors such as sulfonation level/counter-ion substitution and sodium chloride concentration/counter-ion substitution with P values of 0.022 and 0.001, respectively. Finally, the performance in desalination of sulfonated SIBS membranes and subsequently substituted with Ba+2 and Mg+2 counter-ions was evaluated considering the percentages of sodium removal obtained by exposing the membranes for 24 hours to sodium chloride solutions with concentrations between 5 and 30 g/L. The sodium removal percentages of sulfonated membranes substituted with both counter-ions were over 99%, regardless of the concentration of sodium chloride. Percentages of sodium removal obtained with sulfonated membranes exposed to 5 g/L of sodium chloride concentration decreased when the sulfonation level increased, However, increasing the concentration of sodium chloride to 30 g/L improved the percentage of sodium removal for sulfonation levels of 68.7% and 88.0%.

El rápido crecimiento de la población mundial, la industrialización y los problemas ambientales causados por el calentamiento global han hecho necesario implementar técnicas avanzadas de purificación de agua capaces de satisfacer la creciente demanda de agua potable. El agua salada es la más abundante en la tierra, representa aproximadamente el 97% del agua disponible. Sin embargo, es la fuente de agua menos recuperada, debido a los altos costos de consumo de energía requeridos por los procesos de desalinización térmica. Las tecnologías de intercambio iónico por membranas han adquirido especial atención como una alternativa económica, y sigue siendo el método más utilizado para la desalinización, debido a su alta eficiencia y naturaleza ambientalmente benigna. En esta investigación, se utilizó poli (estireno-isobutileno-estireno) sulfonado (SIBS) para validar su desempeño como medio de desalinización para agua salobre mediante un mecanismo de intercambio iónico. El efecto de la sustitución de contraiones en los dominios iónicos (por ejemplo, Ba+2 y Mg+2) se usó para cambiar la nanoestructura y las propiedades de transporte resultantes de agua y sal, como se reflejó en los porcentajes de remoción de sodio obtenidos.Se emplearon técnicas de caracterización de materiales para evaluar la estructura química y las propiedades físicas de las membranas poliméricas, tales como espectroscopía infrarroja, análisis elemental, absorción de agua y capacidad de intercambio iónico, en función de los niveles de sulfonación y sustitución con contraiones de Ba+2 y Mg+2.Los niveles de sulfonación calculados a partir de los resultados de análisis elemental fueron respectivamente 50.3%, 68.7% y 88%. La técnica de espectroscopía infrarrojo confirmó la presencia de grupos sulfónicos e interacciones con contraiones Ba+2 y Mg+2 en la estructura del polímero SIBS. En general, los resultados muestran que los altos valores de la capacidad de intercambio iónico y los porcentajes de absorción de agua estuvieron directamente relacionados con el alto grado de sulfonación en el polímero SIBS. Los valores máximos obtenidos de la IEC y la absorción de agua fueron, respectivamente, 1.75 mequiv/g y 581.3%. La incorporación de contraiones metálicos como Ba+2 y Mg+2 redujeron significativamente estas dos propiedades gracias a la reticulación iónica formada por ellos en la estructura del polímero SIBS sulfonado. Un diseño experimental factorial y análisis de varianza fueron ejecutados para evaluar el efecto de factores fijos, tales como niveles de sulfonación, sustitución con contraiones y concentración de cloruro de sodio sobre el porcentaje de eliminación de sodio. Los resultados de ANOVA mostraron que los factores significativos evaluados individualmente en el porcentaje de remoción de sodio fueron el nivel de sulfonación y la sustitución con contraiones, ambos con valores de P de 0.000 que indican una alta significación. Se obtuvieron interacciones significativas entre factores tales como nivel de sulfonación/sustitución con contraiones y concentración de cloruro de sodio/sustitución con contraiones con valores de P de 0.022 y 0.001, respectivamente. Finalmente, se evaluó el desempeño en desalinización de las membranas de SIBS sulfonadas y posteriormente sustituidas con contraiones de Ba+2 y Mg+2, considerando los porcentajes de remoción de sodio obtenidos al exponer las membranas durante 24 horas a soluciones de cloruro de sodio con concentraciones entre 5 y 30 g/L. Los porcentajes de remoción de sodio de las membranas sulfonadas sustituidas con ambos contraiones fueron superiores al 99%, independientemente de la concentración de cloruro de sodio. Los porcentajes de remoción de sodio obtenidos con membranas sulfonadas expuestas a la concentración de cloruro de sodio de 5 g/L disminuyeron cuando el nivel de sulfonación aumentó. Sin embargo, al aumentar la concentración de cloruro de sodio a 30 g/L mejoraron los porcentajes de remoción de sodio para niveles de sulfonación de 68.7% y 88.0%.