Трубчасті ультрафільтраційні мембрани є ключовим процесом у перетворенні полімерної або керамічної сировини в розділові мембранні елементи з певними характеристиками розділення, механічною міцністю та стабільною структурою завдяки точним фізико-хімічним процесам. Цей процес можна підсумувати як: підготовка сировини → підготовка опори → формування розділового шару → формування та затвердіння → до{1}}обробка та тестування → інкапсуляція модуля.
Підготовка сировини та приготування мембранного розчину. Першим кроком у виробництві є вибір відповідного матеріалу мембрани на основі таких показників, як цільова молекулярна маса, стійкість до температури та корозії та механічна міцність. Звичайні органічні мембранні матеріали включають поліефірсульфон (PES), полівініліденфторид (PVDF) і поліпропілен (PP); неорганічні мембрани в основному складаються з оксиду алюмінію (Al₂O₃), оксиду цирконію (ZrO₂) і діоксиду титану (TiO₂).
Після вибору матеріалу необхідно точно підготувати ливарний розчин. Взявши як приклад PES або PVDF, їх зазвичай змішують із розчинниками (такими як N,N-диметилацетамід, DMAC) і добавками (такими як полівінілпіролідон, PVP) у певному масовому співвідношенні (наприклад, полімер 10-35%, добавки 1-20%, розчинник 50-89%). Суміш перемішують при 50-90 градусах протягом 12-48 годин для забезпечення повного розчинення, потім фільтрують і дегазують для утворення однорідного і стабільного розчину для лиття.
Підготовка опори (основної труби): Щоб підтримати крихкий розділовий шар і забезпечити потік, спочатку потрібно підготувати пористі опорні труби. Існує два основні процеси:
• Органічна підтримуюча трубка: стрічки з не{0}}тканого матеріалу, як-от поліестер і поліетилен, спірально намотуються на металеву центральну трубку на автоматичній машині для намотування труб. Зміцнення досягається за допомогою клею-розплаву та ультразвукового зварювання, утворюючи опорну трубу з внутрішнім і зовнішнім не{2}}тканим композитним шаром.
• Неорганічні опорні трубки: виготовлені з керамічних порошків, таких як оксид алюмінію та оксид цирконію, ці трубки готують у вигляді суспензій, екструдують, сушать і потім спікають при високих температурах, щоб утворити високо-керамічні трубки з пористою структурою.
• Формування розділового шару: розділовий шар є основним фактором, що визначає продуктивність мембрани. Процес його формування в основному поділяється на дві категорії: інверсія мокрої фази та композитне покриття.
1. Інверсія вологої фази (основний процес): цей процес широко використовується в органічних трубчастих ультрафільтраційних мембранах. Підготовлений ливарний розчин рівномірно наноситься на внутрішню або зовнішню стінку опорної труби, яку потім занурюють у коагуляційну ванну (зазвичай водну). Розділення фаз відбувається між мембранним розчином і коагуляційною ванною з обміном розчинником і не-розчинником, утворюючи ультратонкий розділовий шар з асиметричною структурою на поверхні опори. Контролюючи склад розчину для лиття, температуру, час гелеутворення та кут входу води в опорну трубку, можна точно контролювати розмір пор і потік мембрани.
2. Композитне покриття: для покращення властивостей мембрани проти обростання або досягнення спеціальних роздільних функцій на поверхні пористої основи часто створюється композитний шар. Наприклад, покриття внутрішньої стінки опорної трубки з ПВДФ гідрофільним шаром PDA (допаміну), а потім осадження нанолистів GO (оксиду графену) може створити композитну нанофільтраційну мембрану з високим-потоком і високою{3}}швидкістю відторгнення-. У керамічних мембранах часто використовується процес багатошарового золь{6}}гелевого покриття, який послідовно осаджує нанозолі оксиду алюмінію, беміту та діоксиду титану на грубо-пористу основу, поступово зменшуючи розмір пор від мікрометричного рівня до рівня ультрафільтрації (<100 nm).
Формування, затвердіння та до{0}}обробка
Після нанесення покриття мембрану потрібно сформувати та затвердіти. Трубки з органічної мембрани охолоджуються та затверджуються, а потім розрізаються на стандартні довжини за потреби. Щоб підвищити гнучкість і стійкість до згинання, їх іноді занурюють у зволожуючий розчин, наприклад гліцерин. Керамічні мембрани вимагають сушіння та високо{3}}температурного спікання, щоб забезпечити міцний зв’язок між розділовим шаром і основою, утворюючи стабільну ієрархічну структуру пор.
Перевірка та контроль якості
Кожна партія продукції проходить сувору перевірку якості, щоб забезпечити відповідність стандартам. Ключові показники включають:
• Основні характеристики: потік чистої води під стандартним тиском (наприклад, 0,1-0,25 МПа). • Ефективність розділення: швидкість утримування стандартних речовин із певною молекулярною масою (таких як PEG, BSA) для визначення граничного значення молекулярної маси.
• Фізичні властивості: зовнішній вигляд, розміри, товщина стінки, механічна міцність і опір тиску.
Інкапсуляція модуля: перевірені мембранні трубки будуть інкапсульовані для формування кінцевого трубчастого мембранного модуля. Процес інкапсуляції включає:
1. Кінцеве ущільнення: нагрівання-розплавлення або прикріплення торцевих заглушок до обох кінців мембранної трубки для утворення закритої порожнини.
2. Об’єднання: завантаження кількох мембранних трубок у стійкий до тиску-корпус відповідно до проектних вимог і встановлення вхідних/вихідних отворів, з’єднувачів та інших компонентів.
3. Остаточна перевірка: Виконання загальних випробувань на герметичність і тиск на герметичному модулі. Після кваліфікації його можна зберігати як стандартний продукт або доставляти для використання.
