DEVELOPMENT OF ION EXCHANGE MODELS FOR WATER TREATMENT AND APPLICATION TO THE INTERNATIONAL SPACE STATION WATER PROCESSOR

The International Space Station (ISS) requires a substantial amount of potable water for use by the crew. The economic and logistic limitations of transporting the vast amount of water required onboard the ISS necessitate onboard recovery and reuse of the aqueous waste streams. Various treatment technologies are employed within the ISS water processor to render the waste water potable, including filtration, ion exchange, adsorption, and catalytic wet oxidation. The ion exchange resins and adsorption media are combined in multifiltration beds for removal of ionic and organic compounds. A mathematical model (MFBMODEL™) designed to predict the performance of a multifiltration (MF) bed was developed. MFBMODEL consists of ion exchange models for describing the behavior of the different resin types in a MF bed (e.g., mixed bed, strong acid cation, strong base anion, and weak base anion exchange resins) and an adsorption model capable of predicting the performance of the adsorbents in a MF bed. Multicomponent ion exchange ii equilibrium models that incorporate the water formation reaction, electroneutrality condition, and degree of ionization of weak acids and bases for mixed bed, strong acid cation, strong base anion, and weak base anion exchange resins were developed and verified. The equilibrium models developed use a tanks-inseries approach that allows for consideration of variable influent concentrations. The adsorption modeling approach was developed in related studies and application within the MFBMODEL framework was demonstrated in the Appendix to this study. MFBMODEL consists of a graphical user interface programmed in Visual Basic and Fortran computational routines. This dissertation shows MF bed modeling results in which the model is verified for a surrogate of the ISS waste shower and handwash stream. In addition, a multicomponent ion exchange model that incorporates mass transfer effects was developed, which is capable of describing the performance of strong acid cation (SAC) and strong base anion (SBA) exchange resins, but not including reaction effects. This dissertation presents results showing the mass transfer model's capability to predict the performance of binary and multicomponent column data for SAC and SBA exchange resins. The ion exchange equilibrium and mass transfer models developed in this study are also applicable to terrestrial water treatment systems. They could be applied for removal of cations and anions from groundwater (e.g., hardness, nitrate, perchlorate) and from industrial process waters (e.g. boiler water, ultrapure water in the semiconductor industry).

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Newly developed electrosynthesis of Layered Double Hydroxides: application to sensing, energy storage and conversion

Layered Double hydroxides (LDHs) have been widely studied for their plethora of fascinating features and applications. The potentiostatic electrodeposition of LDHs has been extensively applied in the literature as a fast and direct method to substitute classical chemical routes. However, it does not usually allow for a fine control of the M(II)/M(III) ratio in the synthesized material and it is not suitable for large anions intercalation. Therefore, in this work a novel protocol has been proposed with the aim to overcome all these constraints using a method based on potentiodynamic synthesis. LDHs of controlled composition were prepared using different molar ratios of the trivalent to bivalent cations in the electrolytic solution ranging from 1:1 to 1:4. Moreover, we were able to produce electrochemically LDHs intercalated with carbon nanomaterials for the first time. A one-step procedure which contemporaneously allows for the Ni/Al-LDH synthesis, the reduction of graphene oxide (GO) and its intercalation inside the structure has been developed. The synthesised materials have been applied in several fields of interest. First of all, LDHs with a ratio 3:1 were exploited, and displayed good performances as catalysts for 5-(hydroxymethyl)furfural electro-oxidation, thus suggesting to carry out further investigation for applications in the field of industrial catalysis. The same materials, but with different metals ratios, were tested as catalysts for Oxygen Evolution Reaction, obtaining results comparable to LDHs synthesised by the classical co-precipitation method and also a better activity with respect to LDHs obtained by the potentiostatic approach. The composite material based on LDH and reduced graphene oxide was employed to fabricate a cathode of a hybrid supercapacitor coupled with an activated carbon anode. We can thus conclude that, to date, the potentiodynamic method has the greatest potential for the rapid synthesis of reproducible films of Co and Ni-based LDHs with controlled composition.

Synthesis, Characterization, and Applications of a Novel Cu(II)-MOF Based on a Propargylcarbamate-Functionalized Isophthalate Ligand

This work describes the synthesis of a propargylcarbamate-functionalized isophthalate ligand and its use in the solvothermal preparation of a new copper(II)-based metal organic framework named [Cu(1,3-YBDC)]ˑxH2O (also abbreviated as Cu-MOF. The characterization of this compound was performed using several complementary techniques such as infrared (ATR-FTIR) and Raman spectroscopy, X-ray powder diffraction spectroscopy (PXRD), scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic absorption spectroscopy (AAS) as well as thermal and surface area measurements. Synchrotron X-ray diffraction analysis revealed that this MOF contains a complex network of 5-substituted isophthalate anions bound to Cu(II) centers, arranged in pairs within paddlewheel (or “Chinese lantern”) structure with a short Cu…Cu distance of 2.633 Å. Quite unexpectedly, the apical atom in the paddlewheel structure belongs to the carbamate carbonyl oxygen atom. Such extra coordination by the propargylcarbamate groups drastically reduces the MOF porosity, a feature that was also confirmed by BET measurements. Indeed, its surface area was determined to be low (14.5 ± 0.8 m2/g) as its total pore volume (46 mm3/g). Successively the Cu-MOF was treated with HAuCl4 with the aim of studying the ability of the propargylcarbamate functionality to capture the Au(III) ion and reduce it to Au(0) to give gold nanoparticles (AuNPs). The overall amount of gold retained by the Cu-MOF/Au was determined by AAS while the amount of gold and its oxidation state on the surface of the MOF was studied by XPS. A glassy carbon (GC) electrode was drop-casted with a Cu-MOF suspension to electrochemically characterize the material through cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The performance of the modified electrodes towards nitrite oxidation was tested by CV and chronoamperometry.

Optimization of aqueous Zn-ion batteries

MnHCF was synthesized by simple co-precipitation method. In this work we investigate the electrochemical behavior of manganese hexacyanoferrate in zinc sulfate (ZnSO4), ZnSO4+MnSO4 and zinc triflate (Zn(OTF)2) aqueous electrolytes. Electrochemical tests were performed by both El-cell which is designed for reflection investigation and coin cell. In cyclic voltammetry curves, we observed redox peaks of both Fe3+/2+ and Mn3+/2+ pairs. The results based on current shows that the capacity of battery is controlled by diffusion process in aqueous electrolyte system. MnHCF undergoes severe dissolution and zinc displacement during cycling. Compared to ZnSO4, anions of Zn (OTF)2 electrolyte are strongly adsorbed on the electrolyte surface, in turn hindering the water oxidation reaction and reducing the decomposition of MnHCF. The MnHCF/Zn battery using 3M Zn (OTF)2 delivers a specific capacity of 41 mAhg-1 at 50 mAg-1 while by using 3M ZnSO4+1M MnSO4 the specific capacity reaches to 400 mAhg-1 for the pure sample and around 250 mAhg-1 for the MnHCF+A. Our results suggest that the anions in the aqueous electrolyte are of great importance to optimize the electrochemical performance of metal hexacyanoferrates. The pre-addition of MnSO4 into ZnSO4 solution is capable of easing the Mn2+ dissolution from the cathode.