Membranele tubulare de ultrafiltrare sunt un proces cheie în transformarea materiilor prime polimerice sau ceramice în elemente de membrană de separare cu performanțe specifice de separare, rezistență mecanică și structură stabilă prin procese fizico-chimice precise. Acest proces poate fi rezumat ca: pregătirea materiei prime → pregătirea suportului → formarea stratului de separare → turnare și întărire → post-procesare și testare → încapsulare modul.
Pregătirea materiilor prime și prepararea soluției membranei Primul pas în producție este selectarea unui material membranar adecvat pe baza unor indicatori precum greutatea moleculară țintă, rezistența la temperatură și la coroziune și rezistența mecanică. Materialele membranare organice comune includ polietersulfonă (PES), fluorură de poliviniliden (PVDF) și polipropilenă (PP); membranele anorganice sunt compuse în principal din alumină (Al₂O₃), oxid de zirconiu (ZrO₂) și dioxid de titan (TiO₂).
După selectarea materialului, soluția de turnare trebuie pregătită cu precizie. Luând ca exemple PES sau PVDF, acestea sunt de obicei amestecate cu solvenți (cum ar fi N,N-dimetilacetamidă, DMAC) și aditivi (cum ar fi polivinilpirolidonă, PVP) într-un raport de masă specific (de exemplu, polimer 10-35%, aditivi 1-20%, solvent 50-89%). Amestecul este agitat la 50-90 grade timp de 12-48 ore pentru a asigura dizolvarea completă, urmată de filtrare și degazare pentru a forma o soluție de turnare omogenă și stabilă.
Pregătirea suportului (tub de bază): Pentru a susține stratul de separare fragil și a asigura fluxul, trebuie mai întâi pregătite tuburi de suport poroase. Există două procese principale:
• Tub de susținere organică: benzile din material nețesut, cum ar fi poliesterul și polietilena, sunt înfășurate spiralat pe un tub central metalic pe o mașină automată de înfășurare a tuburilor. Întărirea se realizează prin adeziv topit la cald și sudare cu ultrasunete, formând un tub suport cu un strat interior și exterior de material compozit nețesut.
• Tuburi de suport anorganice: fabricate din pulberi ceramice, cum ar fi alumina și oxidul de zirconiu, aceste tuburi sunt preparate sub formă de suspensii, extrudate, uscate și apoi sinterizate la temperaturi ridicate pentru a forma tuburi ceramice de-înaltă rezistență, cu o structură poroasă.
• Formarea stratului de separare: Stratul de separare este factorul de bază care determină performanța membranei. Procesul său de formare este împărțit în principal în două categorii: inversarea fazei umede și acoperirea compozită.
1. Inversarea fazei umede (procesul principal): Acest proces este utilizat pe scară largă în membranele de ultrafiltrare tubulară organică. Soluția de turnare preparată este acoperită uniform pe peretele interior sau exterior al tubului suport, care este apoi scufundat într-o baie de coagulare (de obicei apă). Separarea fazelor are loc între soluția de membrană și baia de coagulare, cu schimb de solvent și ne-solvent, formând un strat de separare ultrasubțire cu o structură asimetrică pe suprafața suport. Prin controlul formulării soluției de turnare, a temperaturii, a timpului de gelificare și a unghiului de intrare a apei din tubul suport, dimensiunea porilor și fluxul membranei pot fi controlate cu precizie.
2. Acoperire compozită: Pentru a îmbunătăți proprietățile antifouling ale membranei sau pentru a obține funcții speciale de separare, un strat compozit este adesea construit pe suprafața suportului poros. De exemplu, acoperirea peretelui interior al unui tub de susținere PVDF cu un strat hidrofil de PDA (dopamină) și apoi depunerea de nanofoi GO (oxid de grafen) poate produce o membrană de nanofiltrare compozită cu flux-înalt,-respingere-înaltă. Membranele ceramice folosesc adesea un proces de acoperire cu sol-gel multistrat, depunând secvenţial nanosolurile de alumină, boehmit şi dioxid de titan pe un suport gros-poros, reducând treptat dimensiunea porilor de la nivelul micrometrului la nivelul de ultrafiltrare (<100 nm).
Formare, întărire și post{0}}tratament
După acoperire, membrana trebuie să fie formată și întărită. Tuburile cu membrană organică sunt răcite și întărite, apoi tăiate la lungimi standard, după cum este necesar. Pentru a îmbunătăți flexibilitatea și rezistența la pliere, acestea sunt uneori scufundate într-o soluție hidratantă, cum ar fi glicerina. Membranele ceramice necesită uscare și sinterizare la temperatură înaltă-pentru a asigura o legătură puternică între stratul de separare și suport, formând o structură stabilă a porilor ierarhici.
Inspecția și controlul calității
Fiecare lot de produse este supus unei inspecții riguroase de calitate pentru a se asigura că performanța îndeplinește standardele. Indicatorii cheie includ:
• Performanță de bază: Flux de apă pură la presiune standard (de exemplu, 0,1-0,25 MPa). • Performanța de separare: Rata de retenție a substanțelor standard cu greutăți moleculare specifice (cum ar fi PEG, BSA) pentru a determina limita de greutate moleculară.
• Proprietăţi fizice: Aspect, dimensiuni, grosimea peretelui, rezistenţa mecanică şi rezistenţa la presiune.
Încapsularea modulului: Tuburile cu membrană testate vor fi încapsulate pentru a forma modulul final cu membrană tubulară. Procesul de încapsulare include:
1. Etanșarea la capăt: se topesc la căldură-sau lipiți capacele de capăt de ambele capete ale tubului cu membrană pentru a forma o cavitate închisă.
2. Îmbinare: încărcarea mai multor tuburi cu membrană în carcasa rezistentă la presiune-în conformitate cu cerințele de proiectare și instalarea porturi de intrare/ieșire, conectori și alte componente.
3. Inspecție finală: Efectuarea testelor generale de etanșeitate și presiune pe modulul încapsulat. Odată calificat, poate fi depozitat ca produs standard sau livrat pentru utilizare.
