Polyvinylamine‐enhanced Ultrafiltration for Removal of Heavy Metals from Wastewater

Yifeng Huang, and Xianshe Feng

IPR Symposium 201421 May 2014, Waterloo, ON

University of WaterlooDepartment of Chemical EngineeringMembrane & Separations Laboratory

1IP

R 20

14

IntroductionContamination of heavy metals

2

Cr Co Ni Cu Ag Cd Hg PbB As

Sources to wastewater:• Batteries• Mining industry• Petrochemical industry• Manufacture

Contaminants(Total amount)

aMaximum Allowable Discharge Conc. (mg/L)

bDrinking Water Regulations (mg/L)

bPublic Health Goal(mg/L)

Lead (Pb) 1 0.015 Zero

Copper (Cu) Not defined 1.3 1.3

Nickel (Ni) 1 Not defined Not defined

Mercury (Hg) 0.05 0.002 0.002

Cadmium (Cd) 0.1 0.005 0.005

Chromium (Cr) 1.5 0.1 0.1

Arsenic (As) 0.5 0.01 zero

a: National Standard of the P.R.China Integrated Wastewater Discharge Standardb: National Primary Drinking Water Regulations from USEPA

IPR

2014

3

IntroductionPolymer‐enhanced ultrafiltration (PEUF)

Images fromRivas B. L. and M. V. Ignacio, Water‐soluble polymer–metal ion interactions, Progress in Polymer Science, 28 (2003) 173‐208.

Adding Water soluble polymer

Electrostatic interactions;Coordination

MWCO: Molecular Weight Cut‐Off;EDTA: Ethylenediaminetetraacetic acid

UF membrane

Water soluble polymer

• High content of Functional Groups• Molecular weight greater than the MWCO of UF membranes

• Sufficient solubility in aqueous solution

Metal‐EDTA complex Cobalt(III) complex

Coordination examples:

IPR

2014

4

Results and discussionMetal removal by PVAm‐enhanced UF

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Met

al re

ject

ion

Filtrated weight (g)

UF membrane: PES‐10;[PVAm]: 1wt%;[M]: 25 ppm;Pressure: 30 psi

Mn²⁺

Ni²⁺

Co²⁺

Cu²⁺

Polyvinylamine (PVAm)

CH2

CH

CH

H2C

CH CH2

CHH2N NH2

NH2

NH2

Mn+ CH2

CH

NH2

CH2

CH NH2

H2C

CHH2N

H2C CH

NH2CH2

CH

CH2

CHNH2

H2N

Mn+

x y

zH2C CH

CH2

H2N

CH

CH2

H2N

CH

NH2

H2C CH

H2N

CH2 CH

NH2

Mn+x

y

z

Pressure regulator

Valve

Pressuregauge

Stirrer

Membrane

Ultrafiltration cell

Permeate

Balance

Magneticstirrer

N2 PVAm + Metal ions

Lupamin 9095 (BASF);

: 340,000

IPR

2014

5

Summary

Polyvinylamine is proved to work for heavy metal removal using PEUF

• Metal rejection, Co2+: 89.0%, Cu2+: 99.3%, Ni2+: 98.8%, Mn2+: 40% ([PVAm]: 1wt%, [metals]: 25ppm)

The metal rejections in PEUF are highly related to the coordination interactions between PVAm and heavy metals

Potential application in the separation of mercury and arsenic from wastewater

IPR

2014

6IP

R 20

14