Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Важным успехом в области мембранной технологии явилось развитие «асимметричных» мембран, у которых имеется очень тонкий селективный слой (0,1-1 мкм), нанесенный на пористую подложку из того же самого материала. Эти асимметричные мембраны приготовлены с помощью метода инверсии фаз. Следующим шагом вперед было развитие композиционных мембран с асимметричной структурой, в которых плотный поверхностный слой нанесен на пористую подложку. В этом случае два слоя сделаны из различных (полимерных) материалов. Достижением в технологии композиционных мембран является то, что каждый такой слой может быть оптимизирован независимо для получения оптимальных транспортых параметров мембраны по селективности, проницаниемости, химической и термической устойчивости. В общем случае слой пористой подложки также получается с использованием инверсии фаз. Более того, поверхностный слой в композиционных мембранах может быть изготовлен из материала (например, эластомера), с которым трудно манипулировать в рамках метода инверсии фаз, например при осаждении путем погружения.
Первые типы композиционных мембран были получены с помощью растекания тонкого слоя очень разбавленного раствора полимера на поверхности жидкости (вода, ртуть). Растворителю давали испаряться и оставалась тонкая полимерная пленка. Пористую подложку затем аккуратно помещали под тонкой полимерной пленкой. Механическая устойчивость таких композиционных мембран была, однако, низка, и эта методика оказалась также не очень подходящей для крупномасштабного производства.
Для получения (ультра)тонких слоев на подложке могут быть использованы различные методики:
- нанесение при погружении;
- межфазная полимеризация;
- полимеризация in situ на поверхности мембраны;
- плазменная полимеризация;
- прививка.
Кроме нанесения при погружении, все эти методики основаны на реакции полимеризации с образованием нового полимера в виде очень тонкого слоя.
III.5.1. Межфазная полимеризация
Межфазная полимеризация представляет собой один из методов нанесения тонкого слоя на пористую подложку. В этом случае происходит реакция полимеризации при участии двух реагирующих мономеров (или одного предварительно полученного олигомера или полимера) на межфазной границе двух несмешивающихся растворителей. Это показано схематически на рис. III-10.
Пористая
подложка
Видная
среда
о
Неводная
среда
1 -
>-V
г=»
Композиционная
мембрана
О
Рис. 111-10. Схема формования композиционной мембраны с помощью межфазной полимеризации.
Таблица III-1. Некоторые примеры приготовления композиционных мембран с помощью межфазной полимеризации. Амин находится в водной фазе, в то время как хлор ангидрид или изоцианат — в органической фазе_________________________________________________________________
СЕ:
СНз
Ж
-сн,-сн,-Ан+ - “Т Г
OCN NCO 0=С С=0
I I
-CH2-CH2-N N-CH2-CH2-
соон
СОС1
о
HN^ Vh + frVI —> ~N// \-С С-
V_y V_7 ¦¦
сюс СОС1
о о
-CH2-CH2-NH +
СЮС СОС1
Ж - „
о=с с=о
I I
-CH2-CH2-N N—СН2-СН2-
Водная Органическая Продукт
фаза фаза
Слой суппорта, который обычно представляет собой ультрафиль-трационную или микрофильтрационную мембрану (рис. Ш-10,а), погружается в водный раствор (рис. III-10,5), содержащий активный мономер или олигомер, как правило, аминного типа. Пленка (или волокно) затем погружается во вторичную ванну, содержащую не смешивающийся с водой растворитель (рис. Ш-10,в), в котором растворен другой активный мономер, часто хлорангидрид. Эти два активных мономера (а именно, амин и хлорангидрид) реагируют с образованием плотного полимерного слоя (рис. Ш-10,г). Также часто применяется обработка нагреванием для более полной реакции на межфазной поверхности и для сшивания водорастворимого мономера или оли-
гомера. Преимуществом межфазной полимеризации является то, что реакция является самоингибируемой в результате ограниченного притока реагентов через уже образованный слой, при этом формируется очень тонкая пленка толщиной менее 50 нм.
В табл. Ill-1 приведен ряд полимеров и различных типов мономеров и олигомеров, которые могут быть использованы. Амины находятся в водной фазе, в то время как хлорангидриды и изоцианаты находятся в органической фазе. Конечные продукты межфазной полимеризации также представлены в этой таблице.
III.5.2. Нанесение при погружении
Этот прием дает весьма простую и часто используемую методику для приготовления композиционных мембран с очень тонким, но плотным поверхностным слоем. Мембраны, получаемые этим методом, используются в процессах обратного осмоса, газоразделения и первапорации. Принцип этой методики показан схематично на рис. 111-11. В этом случае асимметричные мембраны (полое волокно или листовой мате-
