Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
В самом деле, при добавлении растворителя в коагуляционную
Рис. 111-39. Разрезы мембран, полученных из системы полисуль-фон/ДМАА/изопропанол со следующими различными концентрациями полимера в поливочном растворе: а) 15%; б) 20%; в) 25%; г) 30%.
ванну возможно даже изменение структуры мембраны от пористой до непористой. На рис. III-40 показаны кривые состава для системы АЦ/диоксан/вода при изменении количества диоксана в коагуляционной ванне.
Если коагуляционная ванна даже содержит чистую воду (случай а на рис. 111-40), будет происходить мгновенное фазовое разделение, как показано на рис. 111-36, поскольку начальная^ линия состава будет пересекать бинодаль. Это подтверждается определением светопропускания. Также при содержании 18,5 об.% диоксана в коагуляционной ванне линия состава пересекает бинодаль и происходит мгновенное фазовое разделение (случай б на рис. 111-40). Линия состава не пересекает бинодаль при концентрации диоксана более 19 об.% (см. также кривая в на рис. III-36), что означает появление запаздывания при фазовом разделении жидкость/жидкость. Это также доказывается измерением светопропускания. Другим примечательным фактом, следующим из рис. II1-40, является то, что увеличение содержания растворителя (диоксана) в коагуляционной ванне приводит к уменьшению концентрации полимера в пленке на границе раздела фаз. Фактически здесь действуют два противоположных эффекта: фазовое разделение с запаздыванием приводит к получению непористой мембраны с толстым и плотным поверхностным слоем, в
Рис. 111-40. Вычисленные начальные линии состава для системы АЦ/диоксан/вода при различных объемных долях диоксана (0 и 0,185 соответственно) в коагуляционной ванне. Начальная концентрация полимера: 15 об.%. Штриховые линии соединяют на бинодали равновесные точки в двухфазной системе.
то время как низкая межфазная концентрация полимера приводит к образованию более пористого поверхностного слоя.
III.7.5. Состав поливочного раствора
В большинстве примеров, обсуждавшихся до сих пор, поливочный раствор состоял только из полимера и растворителя. Однако добавка нерастворителя существенным образом влияет на структуру мембраны. Максимальное количество нерастворителя, которое может быть добавлено к раствору полимера, может быть вычислено из тройной диаграммы тем же способом, как и в случае максимального количества растворителя, которое может быть добавлено в коагуляционную ванну. Главным требованием является то, что здесь не может происходить фазового разделения; это означает, что состав должен находиться в однофазной области, где все компоненты полностью смешиваются друг с другом.
При добавлении нерастворителя к раствору полимера состав меняется в направлении области фазового разделения жидкость/жидкость Первоначально это никак не характеризует структуру образующейся мембраны. Для этого случая на рис. III-41 показаны вычисленные кривые состава для системы АЦ/ацетон/вода при изменении коли-
Рис. 111-41. Вычисленные линии состава для системы АЦ/ацетон/вода при различном содержании воды (0, 12,5 и 20%) в поливочном растворе [14]. Пунктирная линия соединяет на бинодали равновесные точки в двухфазной системе.
Время,с
0 Ю 20 30
0 10 Z0 30
Время,с
Рис. 111-42. Измерения светопропускания в системе АЦ/ацетон/вода при добавлении различных количеств воды к поливочному раствору [14].
чества воды, добавленной к раствору полимера. Когда в поливочном растворе нет воды, мембрана образуется по механизму фазового разделения с запаздыванием. Это значит, что может быть получена непористая мембрана. С помощью вычислений может быть показано, что рост содержания воды в растворе полимера сдвигает траекторию состава в направлении бинодали и в конце концов пересекает ее. В этом случае происходит мгновенное фазовое разделение. Таким образом, это пример поведения, когда переход от фазового разделения с запаздыванием к мгновенному фазовому разделению, вызывается просто добавлением нерастворителя к поливочному раствору. Эти результаты подтверждаются определением светопропускания, как показано на рис. 111-42. В случае отсутствия воды в поливочном растворе наблюдается очевидное фазовое разделение с запаздыванием, причем пропускание света остается порядка 100% в течение 25 с. Напротив, когда добавлено достаточное количество воды (как минимум 11%), происходит мгновенное фазовое разделение, сопровождающееся мгновенным уменьшением светопропускания.
III.7.6. Формирование макропустот
Асимметричные мембраны состоят из тонкого поверхностного слоя на пористой подложке, и в этой подложке часто наблюдаются макропустоты. На рис. III-43 показаны две ультрафильтрационные мембраны из полисульфона и полиакрилонитрила, где ясно видны эти макропустоты.
Присутствие макропустот, как правило, нежелательно, поскольку они могут приводить к слабым местам в мембране, которых следует особенно избегать в случае применения высоких давлений, например в газоразделении. Для этого необходимо понять механизм образования макропустот. В каких же мембранообразующих системах возникают макропустоты? Анализ многих систем показывает, что при мгновенном фазовом разделении макропустоты возникают часто, в то время как при фазовом разделении с запаздыванием макропустоты не образуется. Следовательно, представляется вероятным, что механизм, который влияет на тип мембраны, а именно время фазового разделения жидкость/жидкость, определяет наличие или отсутствие макропустот. Это значит, что параметры, которые благоприятствуют формированию пористых мембран, способствуют также формированию макропустот.
