Фільтраційна мембрана для процесів очистки та розділення речовин

1. Фільтраційна мембрана для процесів очистки і розділення речовин, яка відрізняється тим, що має пошарову структуру, та як основу містить синтетичний матеріал, на який нанесений шар гідрофобного полімеру, який утворений з розчину полісульфону або поліефірсульфону з концентрацією (С1), яка складає 12,5-20 мас. ч. полімеру в амідному розчиннику на 100 мас. ч. компонентів розчину, причому товщина синтетичного матеріалу та шару полісульфону або поліефірсульфону при цьому складає 130 1 мкм і відповідає розміру пор від 0,25 до 1 мкм. C2 2 92778 1 3 92778 4 На пострадянському просторі виробництво тиПерший етап структурування на повітрі здійспорозмірного ряду мембран не здійснюється. Є нюється в камері в потоці повітря з температурою окремі наробки для вирішення окремих конкретних 40-45°С. Друга стадія структурування здійснюєтьзадач. Україна і країни пострадянського простору ся в осаджувальній ванні при температурі 20-28°С, для вирішення цих проблем імпортують із західних з подальшим її висушуванням в повітряному потокраїн вузли, блоки та установки, які включають ці при температурі 45°С. Виготовлена таким чином відповідні мембрани. Саме ці обставини суттєво мембрана відповідає товщині 130±1 мкм з розмівпливають на економічну сторону такого вирішенром умовних пор від 0,25 до 1 мкм. ня гострих проблем. Основною метою роботи є В залежності від концентрації полімерів, техналагодження виробництва вітчизняних вузлів, нологічних параметрів нанесення розчину полімеблоків І установок на основі промислових комплеру і умов формування можна отримувати мембраксів , які забезпечували б вирішення трьох основни з заданими фізико-хімічними властивостями. них проблем: Основними технічними показниками мембран - розробка, створення і виготовлення нових є - середній розмір умовних пор, тиск, проникність полімерів з заданими властивостями; та коефіцієнт видалення. - розробка і виробництво типорозмірного ряду Приклад 2 полімерних мембран; Для виготовлення ультрафільтраційної мем- розробка і виробництво відповідних вузлів, брани використовують мікрофільтраційну підложку блоків і установок на основі цих мембран та вирі(приклад 1) з товщиною 130±1 мкм і розміром умошення їх імпорту. вних пор від 0,25 до 1 мкм на яку наносять шар Ефективність роботи мембран визначається їх полісульфону (поліефірсульфону) заданої конценасиметричністю, структурою та селективністю відтрації (С2) у мас.ч. на 100 мас.ч.компонентів розповідних полімерних шарів та бар'єрних шарів чину: створюваних з використанням розробленого та полісульфон або поліефірсульфон 7-12 синтезованого плівкоутворюючого ароматичного амідний розчинник 91-84 поліаміду. вода і (або етиловий спирт) 2-4 Вихідними матеріалами і полімерами для Виготовлена мембрана відповідає товщині створення мембран є: 140±1 мкм з умовними порами від 0,05 до 0,1 мкм. 1) синтетичний матеріал з заданими властивоі забезпечує селективність мембран до окремих стями; класів органічних сполук. 2) гідрофобний полімер полісульфон (поліефіПриклад 3 рсульфон), як перший шар мембран для мікрофіДля виготовлення нанофільтраційної мембральтрації (підложки) і другий шар для ультрафільтни використовують ультрафільтраційну мембрану раційної мембрани внаслідок відповідних його (приклад 2) з товщиною 140±1 мкм, концентрацією фізико-хімічних властивостей; полісульфону (С1) і (С2), і наносять шар поліаміду 3) синтезований авторами плівкоутворюючий з конц. (С3) у мас.ч. на 100 мас.ч. компонентів розароматичний поліамід (додаток 1) з заданими влачину: стивостями, який використовується для нанесення поліамід 8 бар'єрних шарів відповідної товщини і пористості, амідний розчинник 92 яка виникає внаслідок флуктуації полімерних ланВиготовлена мембрана відповідає товщині цюжків, що забезпечує створення мембран для 143±1 мкм з умовними порами від 0,025 до 0,04 нанофільтрації та процесів зворотного осмосу. мкм і дає можливість корегування складу вихідного Типорозмірний ряд включає крім 4-х основних розчину в залежності від фізико-хімічних властитипів мембран, також мембрани, які відповідають востей компонентів. дискретним змінам всіх параметрів. Для забезпеПриклад 4 чення дискретної зміни властивостей може бути Для виготовлення зворотноосмотичної мемвикористано ароматичні полімери поліамідного брани наносимо селективний бар'єрний шар товряду, які визначаються їх фізико-хімічними власщиною 1-2 мкм на нанофільтраційну мембрану тивостями. Зміна цих властивостей надає можлитовщиною 143±1 мкм з умовними порами 0,025-0,4 вість створювати мембрани, які в повній мірі реамкм і концентрацією (С4) у мас.ч. на 100 мас.ч. лізують типорозмірний ряд. компонентів розчину: Приклад 1 поліамід 5 Полімер полісульфон (поліефірсульфон) розамідний розчинник 95 чиняють в амідному розчиннику (конц. С1) при теВиготовлена мембрана відповідає товщині мпературі 75-80°С у мас.ч. на 100 мас.ч. компоне145-146 мкм з умовними порами від 0,01 до 0,001 нтів розчину: мкм і використовується для розділення компоненполісульфон або поліефірсульфон 12,5-20 тів в системі розчин-мембрана-розчинник на окреамідний розчинник ДМФА, ДМАА, (димі компоненти, а також для підготовки питної води метилформамід, диметилацетамід), заданої якості. N-піролідон 85-75 4. Додаток 1 вода і (або етиловий спирт) 2,5-5 1.1 Синтезовано ароматичний плівкоутворююРозчин полісульфону заданої концентрації почий поліамід в реакційній системі органічних розступає через щілинну філь'єру на синтетичний чинників та співвідношенні різнотипових мономематеріал який рухається з визначеною швидкістю і рів (диамін-хлорангідрид) великої реакційної потрапляє на етапи повітряного і водного структуздатності. рування. 5 92778 Створення плівкоутворюючого ароматичного поліаміду: б) Реактиви: А: ДАБК - 3,5-діамінобензойна кислота; ФДА - фенілендіамін; Б: ІФХ - ізофталоілхлорид; ТФХ - терефталоілхлорид; ТМХ - тримезилхлорид; ТНХ - тіонілхлорид. в) Розчинники: Ν-ΜΠ- Ν- метилпіролідон; 6 а) Схема синтезу: ДМФА - діметилформамід; ДМАА - діметилацетамід. Дня синтезу плівкоутворюючого поліаміду розраховано співвідношення компонентів А (діамінів, або тільки 3,5-ДАБК) і Б ( хлорангідридів) у моль.% для отримання полімеру з заданими властивостями. У всіх прикладах співвідношення А:Б=1:1. Співвідношення компонентів вказані в табл. 1 (зразки 1-5). Таблиця 1 Взаємозалежність приведеної в'язкості від молекулярної маси і складу співмономерів № зразка 1 2 3 4 5 Склад вихідної суміші спів мономерів Середньозважена моле(мольні %) кулярна маса А: ФДА - 50 ДАБК - 50 ~20000 Б: МФХ - 50 ТФХ - 50 А: ФДА - 25 ДАБК - 75 ~20000 Б: ІФХ - 75 ТФХ - 21,3 ТМХ - 3,7 А: ДАБК - 100 25000-30000 Б: ІФХ - 66,7 ТФХ - 30 ТНХ-3,3 А: ДАБК-100 25000-30000 Б: ІФХ-83,37 ТФХ-15,4 ТМХ- 1,23 А: ДАБК- 100 25000-30000 Б: ТФХ-100 Розроблений і синтезований поліамід має хімічну формулу: Приведена в'язкість 0,65 0,73 0,80 0,84 0,88 7 Отриманий полімер розчиняється в амідних розчинниках, утворюючи середньомасові міцні та еластичні покриття. Відрізняється тим, що це поліамід ароматичного ряду, що в ньому наявні іоногенні групи, що є допоміжним фактором регулювання властивостей мембран, а саме: - гідрофільність - відсутність набрякання і деформації; - висока міцність; - хімічна стійкість; - селективність. Будова полімеру підтверджена даними ІЧ(інфрачервоної)-спектроскопії: смуга при 1667 см (амід 1); смуга при 1725 см ( СООН-група). Склад СООН-груп 14,6 мол.%, склад розгалуження ланок ланцюгу 2,4 мол.%. Приведена в'язкість 0,88 (0,5%-ного розчину в амідному розчиннику при 25°С). Середньомасова молекулярна маса 2500030000. 7. 1.2 Загальна методика синтезу. У реакторі з механічною мішалкою, термометром, воронкою для сипучих речовин розчиняли, наприклад 114 г ( 0,75 моля) 3,5-діамінобензойної кислоти (ДАБК) в очищеному N-метилпіролідоні (Ν-ΜΠ), наприклад 1500мл. Розчин охолоджували у бані до 10°С і при безперервному перемішуванні повільно, поряд двох годин додавали суміш ТФХ:ІФХ=0,75:0,25 мол.%, наприклад 114,20 (0,5625 моля) терефталоілхлориду і 38,05 г (0,1875 моля) ізофталоілхлориду підтримуючи температуру у реакторі не вище 15°С. Потім розчин залишали на 12 годин при температурі 2022°С, після чого розчин додатково розбавляли діметилформамідом (ДМФА), наприклад 1000 мл, і невеликими частинами, наприклад 500 мл з кра 92778 8 пельної воронки струминкою через філь'єру виливали в осаджувач при безперервному помішуванні. Отриманий волокнистий світло-сірий полімер багатократно промивали водою і аналізували на відсутність іонів хлору. Промивали ацетоном і сушили при температурі 80-90°С у термошафі більш 10 годин, отримували більш 200 г волокнистого полімеру ( вихід чистої речовини (97,4%). Таким чином було проведено ряд експериментів по синтезу полімеру для досягнення заданих властивостей. Методом зміни співвідношення компонентів, які присутні в композиції для синтезу, підбирали варіанти складу суміші сомономерних співвідношень в мол. % діамінобензойної кислоти (ДАБК) і варіюючи складом компонентів ізофталоілхлориду (ІФХ), трифталоілхлориду (ТФХ) та тримезилхлориду (ТМХ), як основних компонентів і додаючи розрахункову кількість бензолтрикарбонової кислоти в результаті отримали волокнистий полімер без вмісту іонів СІ з приведеною в'язкістю, яка відповідає величині молекулярної маси плівкоутворюючого полімеру. Відібрано два синтезованих полімера, які відповідають заданим властивостям у відповідності в'язкості і середньозваженої молекулярної маси з вмістом СООН-груп і розгалуженням ланок ланцюгів. Таке співвідношення компонентів синтезу відповідає заданим властивостям полімеру, максимальне значення в'язкості відповідає середньомасовій молекулярній масі 25000-30000, з температурою плавлення до 400°С. Зменшення в'язкості, не дає плівкоутворюючого полімеру з заданими фізико-хімічними властивостями, а збільшення її приводить до гелеутворення полімеру при синтезі. 9 92778 10 Таблиця 2 Характеристики мембран Марка Фірма виготівн. мембран (країна) М-1 М-2 М-3 У-1 ДІЕК Україна -"-"-" У-2 -" Н-1 -" Н-2 -" З-1 З-2 -"-" З-3 -" Середній Проникність Тиск, Коефіцієнт Природа домішок, які Матеріал розмір для дист. МПа розділення. видаляються мембрани пор*, мкм води 1.0 75-80 0,08 87-90 механічні, взважені та Полісульфон 1,0 15-17 0,20 90-92 колоїдної ступені ди-"сперсності частинки 0,25 5-8,5 0,25 91-92 -"0,1 12 6,0 95 очистка і розділення -"органічних речовин та їх частинок колоїдної 0,05 10 8,0 96 -"ступені 0,025 6,5 10,0 97,8 корегування складу Поліамід та концентрації в ба0,04 9,9 8 98,2-98,7 гатокомпонентних -"системах 0,01 9,7 21 98,8 розділення компонен- Поліамід 0,01 9,6 36 99,0-99,1 тів в системі розчин-"мембрана-розчинник, підготовка питної во0,001 9,3 38 99,4 -"ди *Пори - як результат флуктуації полімерних ланцюжків. М-1,2,3 - мікрофільтраційні мембрани; У-1,2 - ультрафільтраційні мембрани; Н-1,2 нанофільтраційні мембрани; 3-1,2,3 - зворотноосмотнчні мембрани. Перевірка показників умовної пористості здійснювалась за відповідною програмою, яка реалізовувалася комп'ютером на приладі, який створено і запатентовано, для вивчення процесів в системі розчин - мембрана - розчинник. Торію Комп’ютерна верстка О. Гапоненко вання приладу здійснювалося на модельних розчинах і стандартних мембранах з визначеними розмірами пор. Параметром цих вимірів є проникність мембран при відповідному тиску і їх розділюючи властивості. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601