Методы получения мембран

NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES
OF BELARUS
Методы получения мембран
Лекция 3
INSTITUTE OF PHYSICAL
ORGANIC CHEMISTRY
A.V. Bildyukevich
[email protected]
ОСНОВНЫЕ
МЕТОДЫ
ПОЛУЧЕНИЯ
ПОРИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН :
 ИНВЕРСИЯ ФАЗ (ФОРМОВАНИЕ ИЗ РАСТВОРА
ИЛИ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА);
 ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ (ВЫМЫВАНИЕ)
НАПОЛНИТЕЛЯ;
 ТРАВЛЕНИЕ ЯДЕРНЫХ ТРЕКОВ
 ВЫТЯЖКА (в том числе, в активных средах);
 СПЕКАНИЕ ПОРОШКОВ
 НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ.
ИНВЕРСИЯ ФАЗ:
процесс фазового разделения, заключающийся в
контролируемом переводе полимера из раствора в
твердое состояние
СПОСОБЫ ИНИЦИИРОВАНИЯ ФАЗОВОГО РАССЛОЕНИЯ
ИСХОДНОГО РАСТВОРА :
 УДАЛЕНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ (СУХОЙ СПОСОБ
ФОРМОВАНИЯ, EVAPORATION INDUCED PHASE INVERSION
(EIPS));
 ДОБАВЛЕНИЕ ОСАДИТЕЛЯ (МОКРЫЙ СПОСОБ
ФОРМОВАНИЯ, DIFFUSION INDUCED PHASE INVERSION
(DIPS));
 ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ (МЕТОД СПОНТАННОГО
ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ, TEMPERATURE INDUCED PHASE
INVERSION (TIPS)).
СУХОЙ СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ
ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ
И НЕПОРИСТЫХ МЕМБРАН
Формование плоских мембран проводят на машинах барабанного или
ленточного типов.
отработанный
воздух
формовочный раствор
готовая сухая мембрана
воздух
отработанный
воздух
формовочный раствор
готовая сухая
мембрана
барабан
барабан
лента из
нержавеющей стали
воздух
Схема машины барабанного типа
Схема машины ленточного типа
МОКРЫЙ СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ
Формование плоских мембран проводят на машинах барабанного или
ленточного типов.
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
ФОРМОВОЧНЫЙ РАСТВОР ОТЛИВАЕТСЯ НА СООТВЕТСТВУЮЩУЮ ПОДЛОЖКУ И
ПОГРУЖАЕТСЯ В КОАГУЛЯЦИОННУЮ ВАННУ, СОДЕРЖАЩУЮ ОСАДИТЕЛЬ. ОСАЖДЕНИЕ
ПОЛИМЕРА ПРОИСХОДИТ БЛАГОДАРЯ ОБМЕНУ РАСТВОРИТЕЛЯ И ОСАДИТЕЛЯ.
СХЕМА ФОРМОВАНИЯ ПОЛЫХ ВОЛОКОН
Фильера
Волокно
Приемный
барабан
Формовочная
шахта
Насос
Насос
КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ:
СУХО-МОКРЫЙ
СПОСОБ
ФОРМОВАНИЯ.
В ЭТОМ СЛУЧАЕ
ПРОИЗВОДЯТ
ЧАСТИЧНОЕ
ИСПАРЕНИЕ
РАСТВОРИТЕЛЯ
(СТАДИЯ
ПРЕДФОРМОВАНИЯ)
А ЗАТЕМ ПРОВОДЯТ
ОСАЖДЕНИЕ
ДОБАВЛЯЯ
ОСАДИТЕЛЬ.
Поверхность АЦ мембраны, полученной при различном
времени предформования из растворов а ацетоне
(легкокипящий растворитель) и 2-метил- 2,4пропандиола (нелетучий нерастворитель)
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫСОКОКИПЯЩИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
ДЛЯ ИХ ПОЛНОГО ИСПАРЕНИЯ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
ТРЕБУЕТСЯ МНОГО ВРЕМЕНИ, ПОЭТОМУ ПРОЦЕСС УСКОРЯЮТ,
НАГРЕВАЯ СИСТЕМУ.
ЭТИМ МЕТОДОМ ПОЛУЧАЮТ АСИММЕТРИЧНЫЕ МЕМБРАНЫ ДЛЯ
ОБРАТНОГО ОСМОСА.
МЕТОД ПОЛУЧИЛ НАЗВАНИЕ TAEPS (THERMALLY ASSISTED
EVAPORATIVE PHASE-SEPARATION PROCESS).
ФОРМОВАНИЕ МЕМБРАН ОСАЖДЕНИЕМ В
ПАРОВОЙ ФАЗЕ
Если растворитель способен смешиваться с
водой, а предформование проводят с участием
паровой фазы, то уже на этой стадии
происходит осаждение полимера
формовочный
раствор
камеры искусственного
климата
фильера
мембрана
приемная
бобина
лента из нержавеющей стали
Схема машины для формования
мембран с участием паровой фазы
Типичная структура
мембраны
МЕТОД СПОНТАННОГО ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ
 ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ,
ИМЕЮЩИХ ВЕРХНЮЮ КРИТИЧЕСКУЮ ТЕМПЕРАТУРУ
СМЕШЕНИЯ (ВКТС)
 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ НЕ ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ФОРМОВАНИЯ
ПЛЕНОЧНЫХ ИЛИ ВОЛОКОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ
РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА И ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ
ПРИГОТОВЛЕНИЯ МИКРОФИЛЬТРАЦИОННЫХ
МЕМБРАН.
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
РАСТВОР ПОЛИМЕРА В СМЕСИ ИЛИ ИНДИВИДУАЛЬНОМ
РАСТВОРИТЕЛЕ, ПРИГОТОВЛЕННЫЙ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ
ВЫШЕ ВКТС, ОХЛАЖДАЕТСЯ ДО ТЕХ ПОР, ПОКА НЕ
ПРОИСХОДИТ ФАЗОВОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ.
СХЕМА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
МЕМБРАН МЕТОДОМ СПОНТАННОГО
ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ
Приготовление
раствора
полимера
Охлаждающий
барабан
Экстракция и
пост-обработка
Контроль
мембран
Сушка
Узел приема
мембраны
Медленное
охлаждение
Растворитель
Регенерация
растворителя
Экстрагирующая
жидкость
Реализовано фирмой Akzo для получения
микрофильтрационных мембран из
полипропилена и поливинилиденфторида
Быстрое
охлаждение
ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ (ВЫМЫВАНИЕ) НАПОЛНИТЕЛЯ
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
Раствор или расплав полимера, содержащий соответствующий
наполнитель экструдируют в виде пленки или волокна. Затем наполнитель
экстрагируется. Разновидностью выщелачивания является травление
треков, образованных в пленке высокоэнергетическими частицами.
Загрузочная
воронка
Термостабилизация Сушильный аппарат
Направляющие валки
Шаблон
(матрица)
Узел
приема
мембраны
Подача растворителя
Охлаждающий
барабан
Экстракция
СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ФИЛЬТРОВ
Заряженные
частицы
Непористая пленка
Треки
Этап 1: Поликарбонатная пленка облучается
заряженными частицами в ядерном реакторе
Поры
Ванна выщелачивания
Этап 2: Треки, остающиеся после прохождения частиц,
выщелачиваются, преобразуясь в одинаковые цилиндрические поры
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
ВЫТЯЖКА
экструдированная пленка из аморфно-кристаллического
полимерного материала, вытягивается по направлению,
перпендикулярному направлению экструзии. При приложении
механического напряжения формируются трещины, образующие
пористую структуру.
Экструзионное выдавливание расплава
Формование
Слой
Межслойная
область
Мостичная
структура
Микропоры
Растягивание
ПП мембрана Селгард,
полученная методом
вытяжки
СПЕКАНИЕ ПОРОШКОВ
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
формование из сыпучего материала пленки с последующим
спеканием частиц при температуре, близкой к температуре
плавления материала
Схема образования пор при спекании
Комбинацией вытяжки и спекания ПЭТФ
получают мембраны Гоур-Текс: экструзия
композиции
дисперсного
и
тонковолоконного
ПЭТФ,
содержащей
смазку (15-20% керосина) с последующим
удалением
смазки
нагреванием,
одноосной или двухосной вытяжкой и
спеканием полученного материала.
мембрана Гоур-Текс
НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ
Используется для получения композиционных мембран,
состоящих из двух различных материалов, причем селективный
мембранный материал наносится в виде тонкого слоя на более или
менее пористую подложку
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ
ПОКРЫТИЙ:
 НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
 НАНЕСЕНИЕ ПОГРУЖЕНИЕМ ИЛИ
ВПИТЫВАНИЕМ
 МЕЖФАЗНАЯ
ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ
 ПЛАЗМЕННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
Раствор
модифицирующего
полимера в
несмешивающемся с
водой растворителе
наносится на
поверхность воды
образуя тонкую
пленку, которая
подхватывается
движущейся
микропористой
подложкой.
Микропористая
подложка
Композиционная
мембрана
Полимер в
растворителе, не
смешивающемся
с водой
Вода
Схема получения составных мембран
НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ПОГРУЖЕНИЕМ
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
мембрана погружается в
разбавленный раствор
полимера, олигомера
или мономера затем
высушивается и
образуется слой
модифицирующего
полимера. В ряде
случаев проводят
химическую сшивку
модифицирующего
слоя.
Сушильный шкаф
Автономное намоточное
устройство с регулируемой
скоростью
Узел
подачи
Погружной
валик
Ванна для нанесения
при погружении
Схема нанесения при погружении
НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ПРОПИТКИ
(meniscus-coating technique)
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
микропористая
подложка контактирует с
раствором полимера. В
результате капиллярного
всасывания образуется
жидкий слой
модифицирующего
раствора толщиной 50100 мкм, затем мембрана
поступает на сушку
Микропористая подложка
Барабан
Поверхностный слой
Полимерный раствор
Схема получения мембран методом пропитки
МЕЖФАЗНАЯ ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ
СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ КОМПОЗИТНОЙ МЕМБРАНЫ
ОБРАБОТКА
ВОДОРАСТВОРИМЫМ
МОНОМЕРОМ ИЛИ
ОЛИГОМЕРОМ
ОБРАБОТКА МОНОМЕРОМ
В НЕСМЕШИВАЮЩИМСЯ С
ВОДОЙ РАСТВОРИТЕЛЕ
Сушильный шкаф
Барабан подачи подложки
композиционной мембраны
Сушильный
шкаф
Узел приема
мембраны
Водный раствор
амина
Фаза органического
хлорангидрида
Раствор для нанесения
защитного слоя
Схема установки для получения мембран методом
межфазной поликонденсации
ПЛАЗМЕННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
Газообразный
мономер
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
В ионизированный
электрическим разрядом
высокой частоты газ
вводится мономер.
Образующийся
высокомолекулярный
продукт осаждается на
поверхности мембраны
подложка
Схема установки плазменной полимеризации
ПОЛУЧЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ (ИОНООБМЕННЫХ)
МЕМБРАН
 полимераналогичные превращения полимеров,
имеющих реакционноспособные функциональные
группы, легко вступающие в последующие реакции;
 химическая модификация полиолефиновых
пленок (полипропилен, полиэтилен);

привитая сополимеризация, часто активируемая
радиационно-химическим методом.
THANK YOU FOR YOUR
ATTENTION