Recent advances in dual-filler mixed matrix membranes

2022 ◽  
Vol 0 (0) ◽  
Author(s):  
Nicholaus Prasetya ◽  
Nurul Faiqotul Himma ◽  
Putu Doddy Sutrisna ◽  
I Gede Wenten

Abstract Mixed matrix membranes (MMMs) have been widely developed as an attractive solution to overcome the drawbacks found in most polymer membranes, such as permeability-selectivity trade-off and low physicochemical stability. Numerous fillers based on inorganic, organic, and hybrid materials with various structures including porous or nonporous, and two-dimensional or three-dimensional, have been used. Demanded to further improve the characteristics and performances of the MMMs, the use of dual-filler instead of a single filler has then been proposed, from which multiple effects could be obtained. This article aims to review the recent development of MMMs with dual filler and discuss their performances in diverse potential applications. Challenges in this emerging field and outlook for future research are finally provided.

2019 ◽  
Vol 7 (9) ◽  
pp. 4549-4560 ◽  
Author(s):  
Youdong Cheng ◽  
Linzhi Zhai ◽  
Yunpan Ying ◽  
Yuxiang Wang ◽  
Guoliang Liu ◽  
...  

A three-dimensional covalent organic framework filler with size-selective pores has been proven effective in boosting the membrane CO2 capture performance.


Computation ◽  
2019 ◽  
Vol 7 (3) ◽  
pp. 36 ◽  
Author(s):  
Keskin ◽  
Alsoy Altinkaya

Computational modeling of membrane materials is a rapidly growing field to investigate the properties of membrane materials beyond the limits of experimental techniques and to complement the experimental membrane studies by providing insights at the atomic-level. In this study, we first reviewed the fundamental approaches employed to describe the gas permeability/selectivity trade-off of polymer membranes and then addressed the great promise of mixed matrix membranes (MMMs) to overcome this trade-off. We then reviewed the current approaches for predicting the gas permeation through MMMs and specifically focused on MMMs composed of metal organic frameworks (MOFs). Computational tools such as atomically-detailed molecular simulations that can predict the gas separation performances of MOF-based MMMs prior to experimental investigation have been reviewed and the new computational methods that can provide information about the compatibility between the MOF and the polymer of the MMM have been discussed. We finally addressed the opportunities and challenges of using computational studies to analyze the barriers that must be overcome to advance the application of MOF-based membranes.


Membranes ◽  
2020 ◽  
Vol 10 (9) ◽  
pp. 193
Author(s):  
Guang Yang ◽  
Zongli Xie ◽  
Marlene Cran ◽  
Chunrui Wu ◽  
Stephen Gray

Pervaporation (PV) has been an intriguing membrane technology for separating liquid mixtures since its commercialization in the 1980s. The design of highly permselective materials used in this respect has made significant improvements in separation properties, such as selectivity, permeability, and long-term stability. Mixed-matrix membranes (MMMs), featuring inorganic fillers dispersed in a polymer matrix to form an organic–inorganic hybrid, have opened up a new avenue to facilely obtain high-performance PV membranes. The combination of inorganic fillers in a polymer matrix endows high flexibility in designing the required separation properties of the membranes, in which various fillers provide specific functions correlated to the separation process. This review discusses recent advances in the use of nanofillers in PV MMMs categorized by dimensions including zero-, one-, two- and three-dimensional nanomaterials. Furthermore, the impact of the nanofillers on the polymer matrix is described to provide in-depth understanding of the structure–performance relationship. Finally, the applications of nanofillers in MMMs for PV separation are summarized.


2014 ◽  
Vol 625 ◽  
pp. 653-656 ◽  
Author(s):  
Biruh Shimekit ◽  
Azmi Mohd Shariff ◽  
Hilmi Mukhtar ◽  
Mohamad Azmi Bustam ◽  
Ali E.I. Elkhalifah ◽  
...  

Development of novel mixed matrix membranes (MMMs) has become frontier candidates for improving the upper bound trade-off curve between permeability and selectivity of gases for industrial polymeric membranes. However, fabrication of ideal MMMs is practically challenging as the dispersion of inorganic phase into the polymer may produce polymeric-inorganic interfacial defects at the vicinity of the polymer matrix. For instance, the inorganic phase may cause interfacial void, polymer chain rigidification or partial pore blockage on the overall MMMs. Since there are only few studies that specifically focus on the issues of the interfacial morphology of MMMs, therefore, the present study provides brief description of the aforementioned interfacial (non-ideal) defects of MMMs and summarizes the techniques used to repair the interfacial defects for enhanced gas separation in MMMs.


2021 ◽  
Author(s):  
Χρήστος Στιάπης

Τα ετερογενή πορώδη υλικά είναι παρόντα σε πολλές πρακτικές και σύγχρονες εφαρμογές, όπως στη διήθηση αιωρημάτων και αεροκολλοειδών, τις διεργασίες βιομετατροπής άνθρακα, τη γεωλογική αποθήκευση CO2 και τις βιοϊατρικές διεργασίες, Οι εφαρμογές αυτές βασίζονται σε συγκεκριμένους φυσικούς, χημικούς ή βιοχημικούς μηχανισμούς για τη λειτουργία τους, όπως είναι η μεταφορά μάζας, ορμής ή ενέργειας, η ρόφηση καθώς και οι χημικές/βιοχημικές αντιδράσεις. Οι μηχανισμοί αυτοί στο εσωτερικό των πορωδών μέσων συναρτώνται σε μεγάλο βαθμό με τη δομή και τη μορφολογία του πορώδους μέσου. Ως εκ τούτου, απαιτείται λεπτομερής μελέτη της εσωτερικής δομής αυτών των πορωδών μέσων για την κατανόηση και τη βελτίωση των διεργασιών στις οποίες χρησιμοποιούνται. Μια λεπτομερής περιγραφή της μικροδομής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξακρίβωση των φυσικών ιδιοτήτων και την εκτίμηση και βελτίωση της απόδοσής τους. Η παρούσα διατριβή χρησιμοποιεί στατιστικές ιδιότητες που εξάγονται από εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) για τη διερεύνηση και την ψηφιακή αναδημιουργία δομών πορωδών μέσων. Αρχικά, επιλέγεται μια στοχαστική προσέγγιση για την ανακατασκευή πορωδών μέσων επειδή αποτυπώνει τη στοχαστική φύση τους σε λογικά εύρη υπολογιστικού κόστους και χρόνου. Στη συνέχεια, δημιουργείται ένα ψηφιακό μοντέλο ανακατασκευής και ένα πρόγραμμα υπολογιστή για την αναδημιουργία δομών πορωδών μέσων αξιοποιώντας τις διάφορες στατιστικές ιδιότητές τους. Μια ειδική εφαρμογή που μελετάται στην παρούσα διατριβή είναι ο ψηφιακός χαρακτηρισμός των μεμβρανών PES/ PVP που χρησιμοποιούνται σε διαδικασίες αιμοκάθαρσης και η ανάπτυξη ενός μοντέλου που μπορεί να προβλέψει την απόδοσή τους στον καθαρισμό του αίματος. Οι εν λόγω μεμβράνες αποτελούνται από πολλαπλά στρώματα και, συνήθως, μια δομή που μοιάζει με αφρό σχηματίζεται στο εσωτερικό τους, επηρεάζοντας την απόδοση διαχωρισμού και βελτιώνοντας τις μηχανικές ιδιότητες της μεμβράνης.Σε αυτό το πλαίσιο, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος για την ψηφιακή ανακατασκευή αφρών χρησιμοποιώντας την προσέγγιση Laguerre Tessellation, η οποία παρουσιάζει αξιοσημείωτη ικανότητα να περιγράφει αφρώδη υλικά που αποτελούνται από μακροκοιλότητες με πολυεδρική μορφή. [1]. Επιπλέον, για να περιγραφούν αφρώδη υλικά με μακροκοιλότητες σφαιρικού σχήματος και αυξημένη συνδεσιμότητα, αναπτύχθηκε μια εναλλακτική μέθοδος που βασίζεται στη δημιουργία συσσωρεύσεων κοίλων σφαιρών. [2]. Τέλος, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο για την περιγραφή της απομάκρυνσης των δεσμευμένων σε πρωτεΐνες τοξινών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αιμοκάθαρσης με τη χρήση μεμβρανών μικτής μήτρας και επικυρώθηκε με πειραματικά δεδομένα. [3]. Αυτό το μοντέλο επεκτάθηκε περαιτέρω και χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη της απόδοσης μιας πολυστρωματικής μεμβράνης μικτής μήτρας κατά την απομάκρυνση της τοξίνης κρεατινίνη. [4]. Επιπλέον, η ενσωμάτωση των διαδικασιών ανακατασκευής που αναπτύχθηκαν στο μοντέλο μείωσε περαιτέρω τα απαιτούμενα πειραματικά δεδομένα.Η χρήση αυτών των μεθόδων ανακατασκευής στο νέο μοντέλο που αναπτύχθηκε παρείχε πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά της μεμβράνης και τις συνθήκες της διεργασίας. Έτσι, θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της μεταφοράς μάζας μέσω της μεμβράνης αιμοκάθαρσης. Επιπλέον, η διαδικασία αυτή μπορεί να επεκταθεί σε διαφορετικές τεχνολογίες διαχωρισμού ανοίγοντας το δρόμο προς το σχεδιασμό προσαρμοσμένων δομών πορωδών μέσων με επιθυμητές ιδιότητες μεταφοράς αποφεύγοντας χρονοβόρα και συχνά ακριβά φυσικά πειράματα. 1. Stiapis, C.S.; Skouras, E.D.; Burganos, V.N. Advanced Laguerre Tessellation for the Reconstruction of Ceramic Foams and Prediction of Transport Properties. Materials 2019, 12, 1137.2. Stiapis, C.S.; Skouras, E.D.; Burganos, V.N. Three-Dimensional Digital Reconstruction of Ti2AlC Ceramic Foams Produced by the Gelcast Method. Materials 2019, 12, 4085.3. Stiapis, C.; Skouras, E.; Pavlenko, D.; Stamatialis, D.; Burganos, V. Evaluation of the Toxin-to-Protein Binding Rates during Hemodialysis Using Sorbent-Loaded Mixed-Matrix Membranes. Applied Sciences 2018, 8, 536.4. Stiapis, C.S.; Skouras, E.D.; Burganos, V.N. Prediction of Toxin Removal Efficiency of Novel Hemodialysis Multilayered Mixed-Matrix Membranes. Separation and Purification Technology 2020, 250, 117272.


2021 ◽  
Vol 333 ◽  
pp. 04008
Author(s):  
Yongsheng Liu ◽  
Kyosuke Takata ◽  
Yu Mukai ◽  
Hidetoshi Kita ◽  
Kazuhiro Tanaka

The commercial SAPO-34 zeolite with 0.38 nm pore size and ZIF-8 particles with 0.34 nm aperture size were separately dispersed into different polymer matrix, to prepare the mixed matrix membranes (MMMs) for gas separation. The dispersed situation of the SAPO-34 and ZIF-8 particles in matrix and the influence of the fillers on the separation performance of the membrane had been investigated in this study. The as-synthesized MMMs showed a better trade-off between permeability and selectivity than the pure polymer membrane and the performance could exceed or close to the upper bound line of polymer membrane for CO2 and CH4 separation. The CO2 permeability and CO2/CH4 ideal selectivity of the 6FDA-mDAT MMM containing 40 wt% SAPO-34 zeolite was 190 barrer and ca. 60, respectively. The 6FDA-TrMPD based MMMs containing 20 wt% ZIF-8 provided a permeability of C3H6 and an ideal selectivity of C3H6/C3H8 at 24 barrer and ca. 17, respectively. These separation performances were in a suitable agreement of the theoretical value from Maxwell model.


2016 ◽  
Vol 2016 ◽  
pp. 1-12 ◽  
Author(s):  
Zeynep Sumer ◽  
Seda Keskin

Atomically detailed simulations were used to examine CO2/N2separation potential of metal organic framework- (MOF-) based mixed matrix membranes (MMMs) in this study. Gas permeability and selectivity of 700 new MMMs composed of 70 different MOFs and 10 different polymers were calculated for CO2/N2separation. This is the largest number of MOF-based MMMs for which computational screening is done to date. Selecting the appropriate MOFs as filler particles in polymers resulted in MMMs that have higher CO2/N2selectivities and higher CO2permeabilities compared to pure polymer membranes. We showed that, for polymers that have low CO2permeabilities but high CO2selectivities, the identity of the MOF used as filler is not important. All MOFs enhanced the CO2permeabilities of this type of polymers without changing their selectivities. Several MOF-based MMMs were identified to exceed the upper bound established for polymers. The methods we introduced in this study will create many opportunities to select the MOF/polymer combinations with useful properties for CO2separation applications.


2020 ◽  
Author(s):  
Muayad Al-shaeli ◽  
Stefan J. D. Smith ◽  
Shanxue Jiang ◽  
Huanting Wang ◽  
Kaisong Zhang ◽  
...  

<p>In this study, novel <a>mixed matrix polyethersulfone (PES) membranes</a> were synthesized by using two different kinds of metal organic frameworks (MOFs), namely UiO-66 and UiO-66-NH<sub>2</sub>. The composite membranes were characterised by SEM, EDX, FTIR, PXRD, water contact angle, porosity, pore size, etc. Membrane performance was investigated by water permeation flux, flux recovery ratio, fouling resistance and anti-fouling performance. The stability test was also conducted for the prepared mixed matrix membranes. A higher reduction in the water contact angle was observed after adding both MOFs to the PES and sulfonated PES membranes compared to pristine PES membranes. An enhancement in membrane performance was observed by embedding the MOF into PES membrane matrix, which may be attributed to the super-hydrophilic porous structure of UiO-66-NH<sub>2</sub> nanoparticles and hydrophilic structure of UiO-66 nanoparticles that could accelerate the exchange rate between solvent and non-solvent during the phase inversion process. By adding the MOFs into PES matrix, the flux recovery ratio was increased greatly (more than 99% for most mixed matrix membranes). The mixed matrix membranes showed higher resistance to protein adsorption compared to pristine PES membranes. After immersing the membranes in water for 3 months, 6 months and 12 months, both MOFs were stable and retained their structure. This study indicates that UiO-66 and UiO-66-NH<sub>2</sub> are great candidates for designing long-term stable mixed matrix membranes with higher anti-fouling performance.</p>


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document