JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

The aim of this thesis was to study the suitability of geopolymers as membrane filtration materials. In the thesis, the properties alkali-activated metakaolin- and blast furnace slag -based geopolymer membranes were investigated with a variety of characterization methods, and a set of filtration experiments was conducted to determine the separation performance of the membranes.

In the first stage of the thesis, geopolymer membranes were prepared and the properties, such as mineralogy, structure, porosity, zeta potential, and mechanical durability, of the membrane materials were studied. The effects of sintering at different temperatures and hydrothermal treatment on the material were also investigated. In the second stage of the work, the prepared membranes were used for membrane filtration, and the goal was to separate humic acid and ammonium ions from aqueous solutions. The effect of temperature and pressure on the water flux through the membranes was also investigated in the filtration experiments.

The main finding of the filtration experiments was that geopolymer membranes can be used in ultrafiltration. Both metakaolin, and metakaolin- and blast furnace slag -based membranes were able to separate ammonium ions from aqueous solutions. In humic acid filtrations, it was observed that the permeate samples were contaminated from the membrane or the filtration unit, and clear conclusions from the applicability of the membranes to separation of organic matter cannot be drawn.

Tiivistelmä

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia geopolymeerien soveltuvuutta kalvosuodatusmateriaaliksi. Työssä tutkittiin alkaliaktivoidusta metakaoliinista sekä masuunikuonasta valmistettujen geopolymeerikalvojen ominaisuuksia erilaisin karakterisointimenetelmin ja suoritettiin suodatuskokeita kalvojen erotuskyvyn määrittämiseksi.

Työn ensimmäisessä vaiheessa valmistettiin geopolymeerikalvoja, ja tutkittiin kalvomateriaalin ominaisuuksia, kuten mineralogiaa, rakennetta, huokoisuutta, zeta-potentiaalia sekä mekaanista kestävyyttä. Työssä tutkittiin myös eri lämpötiloissa suoritettujen lämpökäsittelyiden sekä hydrotermisen käsittelyn vaikutusta kalvomateriaalin rakenteeseen. Työn toisessa vaiheessa valmistettuja kalvoja käytettiin ultrasuodatuskalvoina, ja niillä pyrittiin erottamaan vesiliuoksesta humushappoa ja ammoniumioneja. Suodatuskokeissa selvitettiin myös lämpötilan ja paineen vaikutusta kalvon läpäisevään vesivuohon.

Suodatuskokeissa havaittiin, että geopolymeerikalvoja voidaan käyttää ultrasuodatuksen kalvomateriaaleina. Sekä metakaoliini- että masuunikuona- ja metakaoliinipohjaisilla geopolymeerikalvoilla onnistuttiin erottamaan ammoniumioneja vesiliuoksesta. Humushapposuodatuksissa havaittiin, että kalvon läpäisevät permeaattinäytteet kontaminoituvat kalvosta tai suodatuslaitteistosta, eikä selkeitä johtopäätöksiä kalvojen soveltuvuudesta orgaanisen aineksen erottamiseen voida tehdä.