Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
III.Т.2. Выбор полимера
Выбор полимера является важным фактором, потому что он ограничивает выбор растворителя и нерастворителя, которые могут быть использованы в процессе инверсии фаз.
Для пористых (ультрафильтрационных и микрофильтрационных) мембран производительность мембраны в основном определяется размером пор. Выбор материала мембраны важен лишь в той мере, в какой свойства этого полимерного материала способствуют отложению осадков на поверхности мембраны. Он также определяется (адсорбционные эффекты, гидрофильно-гидрофобный баланс) термической и химической стабильностью материала. Напротив, для непористых мембран выбор полимера прямо влияет на производительность мембраны, поскольку характерные свойства разделительной мембраны (селективность) зависят от химической структуры и, следовательно, от выбора полимера (см. гл. II и V).
Для пористых мембран, полученных при мгновенном фазообразо-вании, разделительные свойства в основном зависят от выбора пары растворитель/нерастворитель. В самом деле, этот тип структуры может быть рассмотрен как практически не зависящий от выбора полимера. В табл. III-8 дан перечень полимеров, для ультрафильтрационных мембран, полученных с использованием ДМ А А или ДМФА как растворителей и воды как нерастворителя. Концентрация полимера варьировалась от 10% до 20%, и осаждение путем погружения проводилось при комнатной температуре.
Таблица II1-8. Полимеры, из которых приготовлены уль-трафильтрационные мембраны с использованием ДМФА и ДМАА в качестве растворителей и воды в качестве нерастворителя и которые образуют пористые мембраны в интервале концентраций полимера от 10% до 20%
Полимер*
Полисульфон Ацетат целлюлозы
Полиэфирсульфон Полиимид
Поливинилиденфторид Полиэфиримид (эфир простой) Полиакрилонитрил Полиамид (ароматический)
аХимическую структуру см. в гл. II.
III.7.3. Концентрация полимера
Другим параметром, влияющим на конечные свойства мембраны, является концентрация полимера. Увеличение начальной концентрации полимера в поливочном растворе приводит к более высокой концентрации полимера на границе раздела фаз. Это значит, что возрастает объемная доля полимера и соответственно уменьшается получаемая пористость. На рис. 111-38 [14] показаны вычисленные кривые состава для системы АЦ/диоксан/вода, полученные при изменении концентрации полимера в поливочном растворе от 10 до 20% АЦ.
Мгновенное фазовое разделение происходит в обоих случаях (что подтверждается экспериментальным определением светопропуска-ния, см. рис. 111-36), но при более высокой начальной концентрации полимера в поливочном растворе это приводит к более высокой концентрации полимера в межфазной пленке и, следовательно, к более низкой пористости поверхностного слоя и уменьшению потока. В табл. III-9 потоки чистой воды, представленные для полисульфоновой ультрафильтрационной мембраны, даны как функция концентрации полимера в поливочном растворе. При низкой концентрации полимера (12-15%) получаются типичные ультрафильтрационные мембра-
Рис. 111-38. Вычисленные линии состава для системы АЦ/диоксан/вода и различных концентраций АЦ в поливочном растворе [14]. Пунктирные линии соединяют на бинодали равновесные точки в двухфазной системе.
Таблица III-9. Производительность полисульфоновой мембраны по чистой воде
Концентрация полимера, % Поток, л/м2- ч
12 200
15 80
17 20
35 0а
Система: вода/ДМАА/полисульфон; АР = 3 бар; Т = 20°С.
аОчень низкий поток для ультрафильтрационных мембран.
ны, но при увеличении концентрации полимера наблюдаемый поток чистой воды может быть уменьшен до нуля.
Для непористых мембран (получаемых с использованием плохо совместимых пар растворитель/нерастворитель) влияние концентрации полимера также ясно просматривается. Как только возрастает время запаздывания фазового разделения жидкость/жидкость, расстояние от границы раздела пленка/ванна в пленке также увеличивается, поскольку первые сформировавшиеся зародыши разбавленной фазы образуются в пленке на большем расстоянии от границы раздела пленка/ванна. Таким образом, толщина плотного поверхностного слоя возрастает с увеличением концентрации полимера, как это ясно показано на рис. 111-39 для системы ПСФ/ДМ А А/изопропанол.
III.7.4. Состав коагуляционной ванны
Добавление растворителя в коагуляционную ванну представляет еще одну возможность, определяющую тип формируемой структуры мембраны. Максимальное количество растворителя, которое может быть добавлено, примерно определяется расположением бино-дали. Когда бинодаль приближается к оси полимер/растворитель, может быть добавлено большее количество растворителя. В системе ПСФ/ДМ А А/вода бинодаль находится близко к оси ПСФ/ДМАА, поэтому мембрана может быть получена, даже когда в коагуляционную ванну добавлено около 90% ДМАА. В системе АЦ/ацетон/вода бинодаль находится ближе к оси АЦ/вода, и поэтому в коагуляционную ванну может быть добавлено максимум 65% диоксана, что позволяет получить состав в области бинодали. Добавление растворителя в коагуляционную ванну приводит к появлению запаздывания при фазовом разделении жидкость/жидкость.
