Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Мембраны, полученные с помощью осаждения путем погружения, в их наиболее простой форме получают следующим путем. Раствор, содержащий полимер (3) и растворитель (2), отливается в виде тон-
Коагуляци -онная ванна
Раствор
полимера
Подложка
Рис. 111-28. Схема границы раздела пленка/ванна. Компоненты: нерас-творитель (1), растворитель (2) и полимер (3). J\ — поток нерастворителя; J2 — поток растворителя.
кой пленки на суппорт (например, стеклянная пластина) и затем погружается в ванну с нерастворителем (1). Растворитель и нераство-ритель начинают смешиваться посредством диффузии. Растворитель диффундирует в коагуляционную ванну (J2), в то время как нерас-творитель будет диффундировать в отливаемую пленку («71). По истечении некоторого периода времени обмен растворителя и нерастворителя заходит столь далеко, что раствор становится термодинамически нестабильным и происходит фазовое разделение. Наконец, получается твердая полимерная пленка с асимметричной структурой. Схематическое представление границы раздела пленка/ванна во время погружения представлено на рис. 111-28.
Локальный состав в любой точке отливаемой пленки зависит от времени. Однако изменения состава в зависимости от времени невозможно определить экспериментально с большой точностью, потому что толщина пленки составляет лишь несколько микрометров. Более того, иногда формирование мембраны может происходить мгновенно, т. е. все изменения состава должны быть измерены как функция координаты и времени в течение очень короткого временного интервала. Тем не менее, эти изменения состава могут быть вычислены. Такие вычисления позволяют понять характер влияния различных параметров на структуру мембраны и ее характеристики.
На структуру мембраны наибольшее влияние оказывают различные факторы: 1) выбор полимера; 2) выбор растворителя и нерастворителя; 3) состав поливочного раствора; 4) состав коагуляционной ванны; 5) поведение полимера при гелеобразовании и кристаллизации; 6) местонахождение зоны фазового разделения типа
Таблица 111-5. Влияние методики приготовления на структуру мембраны
Испарение ПСФ/ДМАА ==^ первапорация/газоразделение Осаждение 35% ПСФ/ДМАА в воде ==> первапорация/газоразделение Осаждение 15% ПСФ/ДМАА в воде ==> ультрафильтрация Осаждение 15% ПСФ/ДМАА в смеси вода/ ДМ А А => микрофильтр ацияа
аДля того чтобы получить мембрану с открытой (взимосвязанной) системой пор, необходимо применять раствор полимера с добавкой (например, поливинилпир-ролидона). Указан процент полимера в растворителе.
жидкость/жидкость; 7) температура поливочного раствора коагуляционной ванны; 8) время испарения.
При изменении одного или нескольких из этих параметров, которые вдобавок не являются независимыми (!), структура мембраны может быть изменена от очень открытой пористой пленки до очень плотной непористой.
Возьмем в качестве примера полисульфон. Это полимер, который часто используется в качестве мембранного материала как для микрофильтрации и ультрафильтрации, так и для подложки в композиционных мембранах — в этих областях применения необходима открытая пористая структура; но кроме того могут быть получены также асимметричные мембраньь с плотным непористым поверхностным слоем, полезные для первапорации и газоразделения.
Некоторые примеры даны в табл. II1-5, где ясно показано влияние различных параметров на структуру мембран, полученных исходя из одной и той же системы полисульфон/диметилацетамид (ПСФ/ДМАА). Естественно, возникает вопрос, почему удается получить столь различные структуры, исходя из одной и той же системы? Чтобы это понять, необходимо рассмотреть, как каждый из этих параметров влияет на процесс инверсии фаз. Окончательная структура получается как результат протекания двух типов взаимосвязанных процессов: 1) процессы диффузии растворителя и нерастворителя, протекающие при формирования мембраны; 2) процессы разделения фаз.
Вначале рассмотрим процессы разделения фаз. Возможны два типа процессов: 1) фазовое разделение жидкость — жидкость и 2) ге-леобразование или кристаллизация (гелеобразование не является в чистом виде процессом фазового разделения, в то время как кристаллизация представляет собой распад однофазной системы с образованием фаз твердое тело — жидкость). Чтобы определить состав или температуру, при которых раствор теряет термодинамическую ста-
бильность, следует определить точку помутнения. Точка помутнения определяется как момент, когда раствор изменяется от прозрачного до мутного. Она может быть определена по следующим методикам:
1) Титрование
Нерастворитель или смесь нерастворителя и растворителя медленно добавляется к раствору полимера. Точка помутнения определяется визуально.
2) Охлаждение
Пробирка наполняется бинарной смесью полимер/растворитель или тройной смесью полимер/растворитель/нерастворитель и затем герметизируется. Раствор гомогенизируется при повышенной температуре и температура в термостатированной ванне медленно уменьшается при постоянной скорости охлаждения. Эта методика легко автоматизируется посредством измерения светопропускания [14], но также может контролироваться визуально.
