RESEARCH ARTICLE

Strengthening of polysulfone membranes using hybrid mixtures of micro- and nano-scale modifiers

  • Peyman P. Selakjani 1 ,
  • Majid Peyravi 1 ,
  • Mohsen Jahanshahi , 1 ,
  • Hamzeh Hoseinpour 2 ,
  • Ali S. Rad 3 ,
  • Soodabeh Khalili 1
Expand
  • 1. Nanotechnology Research Institute, Faculty of Chemical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
  • 2. Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Tehran, Iran
  • 3. Department of Chemical Engineering, Qaemshahr Branch, Islamic Azad University, Qaemshahr, Iran

Received date: 24 Jan 2017

Accepted date: 14 Jun 2017

Published date: 26 Feb 2018

Copyright

2018 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature

Abstract

Polysulfone (PSf) membranes were modified by either a new organic modifier (sulfonated poly(ether sulfide sulfone), SPESS) or a traditional modifier (rice hulk). These membranes were further reinforced with either multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) or silica nanoparticles. Having a dye rejection of 98.46%, the reinforced membranes increased more than 50% in strength but no change in solution flux was observed. The morphological and roughness studies were conducted using scanning electron microscopy and atomic force microscopy. Moreover, the PSF membranes were also characterized by differential scanning calorimetry. Modifying the membranes with organic modifier or nanofiller increases the glass transition temperature (Tg). The highest Tg and strength were observed for the PSf-SPESS-MWCNT membrane. SPESS decreases surface roughness but MWCNT increases roughness on the nanoscale. All membranes show a bimodal pore size distribution, whereas the PSf-SPESS-MWCNT membrane exhibits a relatively uniform distribution of macroscopic and microscopic pores.

Cite this article

Peyman P. Selakjani , Majid Peyravi , Mohsen Jahanshahi , Hamzeh Hoseinpour , Ali S. Rad , Soodabeh Khalili . Strengthening of polysulfone membranes using hybrid mixtures of micro- and nano-scale modifiers[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2018 , 12(1) : 174 -183 . DOI: 10.1007/s11705-017-1670-y

1
Ng L Y, Leo  C P, Mohammad  A W. Optimizing the incorporation of silica nanoparticles in polysulfone/poly(vinyl alcohol) membranes with response surface methodology. Journal of Applied Polymer Science, 2011, 121(3): 1804–1814

DOI

2
Zhao S, Wang  Z, Wang J,  Yang S, Wang  S. PSf/PANI nanocomposite membrane prepared by in situ blending of PSf and PANI/NMP. Journal of Membrane Science, 2011, 376(1-2): 83–95

DOI

3
Shen C, Meng  Q, Zhang G. Chemical modification of polysulfone membrane by polyethylene glycol for resisting drug adsorption and self-assembly of hepatocytes. Journal of Membrane Science, 2011, 369(1-2): 474–481

DOI

4
Padaki M, Isloor  A M, Wanichapichart  P. Polysulfone/N-phthaloylchitosan novel composite membranes for salt rejection application. Desalination, 2011, 279(1-3): 409–414

DOI

5
Shi L, Wang  R, Cao Y,  Liang D T,  Tay J H. Effect of additives on the fabrication of poly(vinylidene fluoride-co-hexafluropropylene)(PVDF-HFP) asymmetric microporous hollow fiber membranes. Journal of Membrane Science, 2008, 315(1-2): 195–204

DOI

6
Rafiq S, Man  Z, Maulud A,  Muhammad N,  Maitra S. Effect of varying solvents compositions on morphology and gas permeation properties on membranes blends for CO2 separation from natural gas. Journal of Membrane Science, 2011, 378(1-2): 444–452

DOI

7
Barth C, Goncalves  M, Pires A,  Roeder J,  Wolf B. Asymmetric polysulfone and polyethersulfone membranes: Effects of thermodynamic conditions during formation on their performance. Journal of Membrane Science, 2000, 169(2): 287–299

DOI

8
Ionita M, Pandele  A M, Crica  L, Pilan L. Improving the thermal and mechanical properties of polysulfone by incorporation of graphene oxide. Composites. Part B, Engineering, 2014, 59: 133–139

DOI

9
Vilakati G D, Hoek  E M, Mamba  B B. Probing the mechanical and thermal properties of polysulfone membranes modified with synthetic and natural polymer additives. Polymer Testing, 2014, 34: 202–210

DOI

10
Bai H, Zhou  Y, Zhang L. Morphology and mechanical properties of a new nanocrystalline cellulose/polysulfone composite membrane. Advances in Polymer Technology, 2015, 34(1): 21471–21478

DOI

11
Peyravi M, Rahimpour  A, Jahanshahi M. Thin film composite membranes with modified polysulfone supports for organic solvent nanofiltration. Journal of Membrane Science, 2012, 423: 225–237

DOI

12
Samal S K, Dash  M, Chiellini F,  Wang X, Chiellini  E, Declercq H A,  Kaplan D L. Silk/chitosan biohybrid hydrogels and scaffolds via green technology. RSC Advances, 2014, 4(96): 53547–53556

DOI

13
Yu K, Liu  Y, Leng J. Shape memory polymer/CNT composites and their microwave induced shape memory behaviors. RSC Advances, 2014, 4(6): 2961–2968

DOI

14
Misra A, Tyagi  P K, Rai  P, Misra D. FTIR spectroscopy of multiwalled carbon nanotubes: A simple approach to study the nitrogen doping. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2007, 7(6): 1820–1823

DOI

15
Lehman J H, Terrones  M, Mansfield E,  Hurst K E,  Meunier V. Evaluating the characteristics of multiwall carbon nanotubes. Carbon, 2011, 49(8): 2581–2602

DOI

16
Pouresmaeel-Selkjani P,  Jahanshahi M,  Peyravi M. Mechanical, thermal, and morphological properties of nanoporous reinforced polysulfone membranes. High Performance Polymers, 2017, 29(7): 759–771 doi:10.1177/0954008316656742

17
Mohammadi-rovshandeh J,  Pouresmaeel-selakjani P,  Davachi S M,  Kaffashi B,  Hassani A,  Bahmeyi A. Effect of lignin removal on mechanical, thermal, and morphological properties of polylactide/starch/rice husk blend used in food packaging. Journal of Applied Polymer Science, 2014, 131(22): 41095–41102

DOI

18
Ding Z, Zhong  L, Wang X,  Zhang L. Effect of lignin-cellulose nanofibrils on the hydrophilicity and mechanical properties of polyethersulfone ultrafiltration membranes. High Performance Polymers, 2016, 28(10): 1192–1200

DOI

19
Davachi S M, Bakhtiari  S, Pouresmaeel-selakjani P, Mohammadi-rovshandeh J, Kaffashi B,  Davoodi S,  Yousefi A. Investigating the effect of treated rice straw in PLLA/starch composite: Mechanical, thermal, rheological, and morphological study. Advances in Polymer Technology, 2015, DOI: 10.1002/adv.21634 

20
Wen X, Lin  Y, Han C,  Zhang K,  Ran X, Li  Y, Dong L. Thermomechanical and optical properties of biodegradable poly(L-lactide)/silica nanocomposites by melt compounding. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 114(6): 3379–3388

DOI

21
Liu C, Tobin  R. Effects of interadsorbate interactions on surface resistivity: Oxygen on sulfur-predosed Cu (100). Journal of Chemical Physics, 2008, 128(24): 244702

DOI

22
Zhang X, Gong  Z, Li J,  Lu T. Intermolecular sulfur∙∙∙oxygen interactions: Theoretical and statistical investigations. Journal of Chemical Information and Modeling, 2015, 55(10): 2138–2153

DOI

23
Bouajila J, Dole  P, Joly C,  Limare A. Some laws of a lignin plasticization. Journal of Applied Polymer Science, 2006, 102(2): 1445–1451

DOI

24
Sivashinsky N, Tanny  G. Ionic heterogeneities in sulfonated polysulfone films. Journal of Applied Polymer Science, 1983, 28(10): 3235–3245

DOI

25
Peinemann K V,  Abetz V,  Simon P F. Asymmetric superstructure formed in a block copolymer via phase separation. Nature Materials, 2007, 6(12): 992–996

DOI

26
Nonjola P T, Mathe  M K, Modibedi  R M. Chemical modification of polysulfone: Composite anionic exchange membrane with TiO2 nano-particles. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(12): 5115–5121

DOI

27
Shirazi Y, Ghadimi  A, Mohammadi T. Recovery of alcohols from water using polydimethylsiloxane-silica nanocomposite membranes: Characterization and pervaporation performance. Journal of Applied Polymer Science, 2012, 124(4): 2871–2882

DOI

28
Marchese J, Anson  M, Ochoa N,  Prádanos P,  Palacio L,  Hernández A. Morphology and structure of ABS membranes filled with two different activated carbons. Chemical Engineering Science, 2006, 61(16): 5448–5454

DOI

29
Yan L, Li  Y S, Xiang  C B, Xianda  S. Effect of nano-sized Al2O3-particle addition on PVDF ultrafiltration membrane performance. Journal of Membrane Science, 2006, 276(1-2): 162–167

DOI

30
Rahimpour A, Madaeni  S S, Mansourpanah  Y. Nano-porous polyethersulfone (PES) membranes modified by acrylic acid (AA) and 2-hydroxyethylmethacrylate (HEMA) as additives in the gelation media. Journal of Membrane Science, 2010, 364(1-2): 380–388

DOI

31
Barzin J, Sadatnia  B. Correlation between macrovoid formation and the ternary phase diagram for polyethersulfone membranes prepared from two nearly similar solvents. Journal of Membrane Science, 2008, 325(1): 92–97

DOI

32
Senthilkumar S, Rajesh  S, Jayalakshmi A,  Aishwarya G,  Mohan D R. Preparation and performance evaluation of poly(ether-imide) incorporated polysulfone hemodialysis membranes. Journal of Polymer Research, 2012, 19(6): 1–11

DOI

33
Peyravi M, Rahimpour  A, Jahanshahi M. Developing nanocomposite PI membranes: Morphology and performance to glycerol removal at the downstream processing of biodiesel production. Journal of Membrane Science, 2015, 473: 72–84

DOI

Outlines

/