Three different types of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles (P25, PC105 and PC500) with various sizes were applied for the preparation of mixed matrix polyethersulfone nanofiltration membranes. This work investigates the effect of types and sizes of TiO2 on the morphology, performance and fouling control of nanofillers embedded membranes. The membrane characterization was carried out by FTIR, XRD, EDX, contact angle, surface and cross-section SEM images and pure water flux measurements. The surface hydrophilicity of the TiO2 blended membranes was improved due to water affinity improvement of the membrane surface. The high content of PC105 and PC500 TiO2 nanoparticles in the casting solution diminished membrane performance due to the agglomeration of these nanoparticles in polymer matrix. However, the P25 nanofillers showed better dispersibility. The antibiofouling performance of the membranes fouled by whey solution was investigated by measuring fouling resistance parameters. The nanofiltration membranes made from the nano-sized TiO2 particles elevated the pure water flux and antifouling properties. Flux recovery percentage of the nascent PES membrane was increased from 56 to 91% by blending 4 wt.% P25 nanoparticles. At low concentration of TiO2, the nanoparticles with small size caused more biofouling reduction due to this fact that the aggregation of the nanoparticles was not prominent at low amount.

Multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) coated by anatase titanium dioxide (TiO2) nanoparticles were synthesized via the precipitation of TiCl4 precursor on the acid oxidized MWCNTs and used in preparation of nanocomposite polyethersulfone (PES) membranes. In this work, the effect of embedding TiO2 coated MWCNTs in PES matrix on membrane morphology, properties and antibiofouling was presented and the obtained results were compared with the prepared oxidized MWCNTs and TiO2 blended PES membranes. X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) analyses showed that the formed TiO2 on the surface of MWCNTs had anatase nanostructure with size in the range of 10–20 nm. The scanning electron microscopy (SEM) images displayed a finger-like and porous structure for all NF membranes and showed that agglomeration of TiO2 coated MWCNTs is very low. Contact angle measurements indicated that coating of TiO2 nanoparticles on the surface of oxidized MWCNTs improved the hydrophilicity of the obtained membranes. The pure water flux of the blend membranes increased with the content of TiO2 coated MWCNTs. Fouling resistances of membranes evaluated by whey solution filtration revealed that 0.1 wt.% TiO2 coated MWCNTs membrane had the best antibiofouling properties due to its lowest surface roughness and synergistic photocatalytic activity induced by incorporated nanoparticles.

A novel thin film nanocomposite reverse osmosis (TFN-RO) membrane was prepared by interfacial polymerization of m-phenylenediamine (MPD) and trimesoyl chloride (TMC) monomers and embedding reduced graphene oxide (rGO)/TiO2 nanocomposite in its polyamide layer. The rGO/TiO2 nanocomposite was added to the MPD solution with aim of improving RO performance, enhancing antifouling property and increasing chlorine resistance. Surface scanning electron microscopy (SEM) images show that all of the membranes have a rough surface with a layer of “ridge-and-valley” structure that is typical morphology of MPD/TMC polyamide membranes. The contact angle analysis showed that hydrophilicity of the membranes was improved by increasing the concentration of rGO/TiO2 due to the presence of various hydrophilic and negatively charged functional groups on the rGO/TiO2 nanocomposite. The superior performance of the rGO/TiO2/RO membrane was observed in the case of 0.02 wt% rGO/TiO2 with water flux of 51.3 L/m2 h and salt rejection of 99.45%. Antifouling ability of the membranes studied by bovine serum albumin (BSA) solution filtration showed that 0.02 wt% rGO/TiO2/RO membrane had the best antifouling property. Also, after the chlorination tests, the salt rejection of the bare RO membrane decreased by 30%, while this value was only 3% for 0.02 wt% rGO/TiO2/RO membrane which confirmed its great chlorine resistance.

Polyethersulfone (PES)-based mixed matrix nanofiltration membrane was developed by blending with partially reduced graphene oxide (rGO)/TiO2 nanocomposite. The effect of rGO/TiO2 contents on the morphology and performance of the prepared membranes was investigated by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray (EDX), atomic force microscopy (AFM) and water contact angle analysis. The blended membranes displayed improved water permeability and fouling resistance compared to the bare PES. When the content of rGO/TiO2 was 0.15 wt.%, the water flux reached a maximum value (45.0 kg/m2 h) nearly twice of that of the bare PES membrane (23.1 kg/m2 h). Fouling resistance of the membranes studied by bovine serum albumin (BSA) solution filtration showed that 0.1 wt.% rGO/TiO2 membrane had the best antifouling property. Nanofiltration performance of the prepared membranes was evaluated by rejection of three organic dyes with different molecular weights (i.e. C. I. Reactive Green 19, C. I. Direct Yellow 12 and C. I. Reactive Blue 21). The rGO/TiO2/PES membranes showed better dye removal performance than the bare PES. Compared with TiO2/PES and GO/PES membranes, rGO/TiO2/PES membranes presented the best water permeation rate, antifouling ability and dye rejection.

The influences of boehmite nanoparticles as innovative nanofiller on fabrication of polyethersulfone (PES) blended membranes were investigated in terms of hydrophilicity, permeation performance, membrane morphology and antifouling property. Boehmite is an aluminum oxide hydroxide (γ-AlOOH) particle, containing extra hydroxyl groups on its surface. The hydrophilicity and pure water flux of the membranes were improved by incorporating of boehmite nanoparticles. Scanning electron microscopic (SEM) images showed that the nanoboehmite embedded membranes possessed a typical asymmetric structure similar with the bare PES membrane. In other words, embedding of the nanoboehmite did not change the finger-like structure of the membranes. Moreover, the high resolution SEM images revealed agglomeration of the nanoparticles at high concentrations. This reduced the pure water flux and increased the membrane resistances. The whey filtration results indicated that by addition of the low quantity of nanoboehmite, the fouling resistance parameters were significantly declined due to lower roughness and higher hydrophilicity of the surface of the modified membranes. These changes in the membrane characteristics improved the flux recovery ratio (FRR). Comparison of the nanoboehmite embedded membranes with the γ-Al2O3/PES membranes demonstrated superior characteristics and antifouling properties of the nanoboehmite mixed matrix membrane. The 1 wt.% nanoboehmite/PES membrane exhibited the highest FRR value of 96.1% and the lowest irreversible fouling resistance (Rir) value of 3.9%.