Формирование микрофильтрационных мембран из полиэфирсульфона методом фазового распада

• Автор: Колганов, Иван Михайлович
• Шифр специальности: 05.17.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 151 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Классификация и применение мембран
1.2 Методы получения мембран
1.3 Теория фазового разделения растворов полимеров
1.4 Механизмы процесса фазового разделения
1.4.1 Теория нуклеационного распада
1.4.2 Теория спинодального распада
1.4.3 Связь структуры мембран и механизма фазового разделения
1.5 Способы осуществления фазового распада
1.6 Способы получения микрофильтрационных ПЭС мембран
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Материалы и реактивы
2.2 Приготовление растворов полимеров
2.3 Вязкость
2.4 Определение точки «осаждения»
2.5 Изготовление монолитных пленок
2.6 Изготовление мембран
2.7 Эксперименты по рассеянию света
2.8 Определение распределения пор по размерам
2.9 Пористость
2.10 Электронная микроскопия
2.11 Производительность по воде
2.12 Прочностные характеристики
2.13 ИК-спектроскопия
2.13.1 Содержание поливининилпирролидона в мембранах
2.13.2 Содержание полиэтиленгликоля в мембранах
2.14 Краевой угол смачивания
2.15 Фильтрационные испытания
2.16 Термостойкость
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Влияние состава формовочного раствора на процесс фазового
разделения и свойства мембран
3.1.1 Выбор компонентов формовочного раствора
3.1.2 Влияние полиэтиленгликоля на механизм фазового распада
3.1.3 Концентрация полимера в формовочном растворе
3.1.4 Молекулярная масса полимера
3.2 Влияние осадителя
3.3 Скорость поступления паров осадителя
3.3.1 Влияние зазора
3.3.2 Влияние концентрация паров воды
3.3.3 Влияние температуры
3.4 Влияние длительности обработки в парах воды
3.3.4 Градиентная структура мембран
3.3.5 Анизотропия проницаемости мембран
3.5 Влияние поливинилпирролидона
3.5.1 Структура мембран
3.5.2 Гидрофильность пленок и мембран
3.6 Опытно-промышленные партии мембран
3.6.1 Содержание полиэтиленгликоля в мембранах
3.6.2 Опытно-промышленная установка
3.6.3 Сравнение с аналогами
3.6.4 Фильтрация напитков
3.6.5 Фильтрация воды
3.6.6 Термостойкость
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЦИТИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Одним из самых эффективных методов очистки жидкостей является фильтрация. Для получения стерильных жидкостей наиболее широко применяется мембранная микрофильтрация. В связи с этим наблюдается значительный рост применения мембранных модулей в пищевой промышленности, фармацевтике, медицине и биотехнологии
Микро- и ультрафильтрационные мембраны из полиэфирсульфона (ПЭС) и оборудование на их основе во всем мире пользуются наиболее растущим спросом среди прочих аналогичных мембранных материалов. Это связано с отличной хемо- и термостойкостью полимеров из класса полисульфонов. Мембраны и мембранные модули из полисульфонов в России не производятся. Несмотря на огромную стоимость импортного оборудования, оно широко востребовано на отечественном рынке.
Создание отечественного производства полиэфирсульфоновых мембран требует знания научных основ их получения. Основным способом формирования мембран является метод фазового распада растворов полимеров, в частности фазовый распад, индуцированный парами осадителя. Важной задачей мембранной технологии является создание мембран с высокой проницаемостью и селективностью, которая обеспечивается узким распределением пор по размерам. Для этого необходимо совместить высокий ресурс мембран, получаемых методами фазовой инверсии, и очень узкое распределение пор по размерам, характерное для трековых мембран [21, 25]. Однако влияние различных факторов на узость распределения пор по размерам микрофильтрационных полиэфирсульфоновых мембран, формируемых методом фазовой инверсии, изучено очень слабо. Представленные в научно-технической литературе данные [73, 111] говорят о том, что отношение максимального размера пор к среднему для микрофильтрационных полиэфирсульфоновых мембран состав-

стью осуществления: слой раствора на подложке вносится в осадительную ванну, т.е. в жидкость, чья термодинамическая несовместимость с полимером приводит к фазовому распаду раствора. Жидкость может быть как чистым веществом, так и смесью. Благодаря простоте реализации этот метод является наиболее изученным с точки зрения теоретического описания, основанного на термодинамике растворов полимеров и выявления элементарных стадий процесса, которые рассмотрел Stropnik [115]. При погружении формовочного раствора в осадитель наблюдается прямое аккумулирование полимера на верхней поверхности, что впоследствии приводит к формированию плотного непроницаемого слоя. Однако, Wienk [137] отметила, что в верхних слоях мембран возможно формирование структур, которые могли бы быть спинодальными или бусиноподобными.
Поскольку основным процессом, приводящим к фазовому распаду, является диффузия осадителя в раствор и растворителя в осадительную ванну, то получение требуемых характеристик конечных мембран достигается влиянием на процесс диффузии и на термодинамические характеристики системы. Это осуществляется путем варьирования состава формовочного раствора (например, Kaiser [68] и Nouzaki [ 100] в своих работах изменяли концентрации полимера, a Cheng [57] вводил осадитель в раствор поливинилиденфторида), регулировкой температуры (Wang [133] и Schamagl [113]) и состава осадительной ванны (Chakrabandhu [56]).
Метод испарения растворителя («сухой» способ) используется в основном для получения микро- и ультрафильтрационных мембран из производных целлюлозы [71, 103, 105]. Применение указанного способа для получения мембран из ацетатов целлюлозы определяется их растворимостью в широко доступных легколетучих растворителях, таких как ацетон и диоксан, что позволяет осуществлять процесс при комнатной температуре. Для получения мембран по данному способу с использованием низколетучих растворителей Sysel [116] и Young [140] повышали температуру проведения процесса. Испарением растворителя Ahmad [44] получал газоразделительные, Wei [134] и