vpliv dodane vode na formiranje … dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih...
TRANSCRIPT
VPLIV DODANE VODE NA FORMIRANJE POLIMERNIH
ASIMETRIČNIH POROZNIH MEMBRAN PO POSTOPKU MOKRE
FAZNE INVERZIJE V TERNARNEM SISTEMU CELULOZNI ACETAT
(CA)/TETRAHIDRO FURAN (THF) : VODA
Študent: Boštjan Klep
Študijski program: visokošolski, kemijska tehnologija
Smer: kemijska tehnologija
Mentor: izr. prof. dr. Črtomir Stropnik
Somentor: izr. prof. dr. Peter Krajnc
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
II
ZAHVALA
Zahvaljujem se profesorju dr. Črtomirju Stropniku za vso pridobljeno znanje, strokovno pomoč in čas med izvajanjem diplomskega dela. Posebna zahvala gre moji družini za vsestransko podporo v času študija. Zahvaljujem se tudi vsem tistim , ki so mi kakorkoli stali ob strani in moja študijska leta naredili nepozabna.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
I
VPLIV DODANE VODE NA FORMIRANJE POLIMERNIH ASIMETRIČNIH
POROZNIH MEMBRAN PO POSTOPKU MOKRE FAZNE INVERZIJE V
TERNARNEM SISTEMU CELULOZNI ACETAT (CA)/TETRAHIDRO FURAN
(THF) : VODA
Ključne besede: asimetrične porozne membrane, mokra fazna inverzija, celulozni acetat,
tetrahidro furan, motnost, povprečna debelina, zakasnitveni čas.
Povzetek:
Diplomsko delo temelji na raziskavi polimernih asimetričnih poroznih membran, narejenih s
postopkom mokre fazne inverzije. Membrane so formirane iz celuloznega acetata (CA),
tetrahidro furana (THF) in destilirane vode.
Prioriteta med nastankom membran je bilo merjenje motnosti, ki se je spreminjalo glede na
dodano količino masnega deleža destilirane vode. Masni delež destilirane vode je prav tako
vplival na merjenje naše druge karakteristike – debeline. S povečanjem masnega deleža
destilirane vode se debelina membran sorazmerno povečuje. Zakasnitvemi čas se je pojavljal
kot zakasnelo razmešanje med CA in THF pri nižjih koncentracijah raztopin polimera in pri
naraščujočih debelinah nanosa.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
II
INFLUENCE OF ADDED WATER TO POLYMERIC ASYMETRIC POROUS
MEMBRANES FORMATION BY WET PHASE INVERSION IN THE TERNARY
SYSTEM CELLULOSE ACETAT (CA) / TETRAHYDRO FURAN (THF) : WATER
Key words: asymmetric porous membranes, wet phase inversion, cellulose acetate,
tetrahydro furan, turbidity, average thickness, delay time.
Abstract:
My diploma work is based on a research of polymeric asymmetric porous membranes
prepared with wet phase inversion process. Membranes are formed from cellulose acetate
(CA), tetrahydro furan (THF) and distilled water.
Priority throughout formation of membranes was turbidity measuring that was changing
according to added mass amount of distilled water. Mass amount also influenced measuring
of other characteristic – thickness. The thickness of membranes proportionally increases with
increase of distilled water mass share. Delay time appears as delayed demixing between CA
and THF at lower concentrations of polymer solutions and with incremental thicknesses of
coating.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
III
UPORABLJENI SIMBOLI IN KRATICE
CA celulozni acetat
THF tetrahidrofuran
SD spinodalna razgradnja
NG rastni mehanizem
RO reverzna osmoza
UF ultrafiltracija
MF mikrofiltracija
povprečna debelina membrane
d debelina meritve
N število meritev
tz zakasnitveni čas
D debelina nanosa polimera
c koncentracija
α naklon krivulje
∆t sprememba časa
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
IV
KAZALO
Povzetek.......................................................................................................................................I
Abstract......................................................................................................................................II
1 UVOD ................................................................................................................................. 1
2 TEORETIČNI DEL ............................................................................................................. 2
2.1 Membrane in delitev .................................................................................................... 2
2.2 Membrane z asimetrično strukturo .............................................................................. 3
2.3 Karakterizacija polimerne asimetrične porozne membrane ......................................... 4
2.4 Motnost polimerne asimetrične porozne membrane .................................................... 4
2.5 Polimerne asimetrične porozne membrane .................................................................. 5
2.6 Fazna inverzija ............................................................................................................. 6
2.7 Nastanek polimernih asimetričnih poroznih membran ................................................ 9
2.8 Trg in uporaba membran ............................................................................................ 12
2.9 Kemikalije, uporabljene za pripravo polimernih asimetričnih poroznih membran ... 14
2.9.1 Tetrahidro furan (THF) ....................................................................................... 14
2.9.2 Celulozni acetat .................................................................................................. 15
3 EKSPERIMENTALNI DEL ............................................................................................. 17
3.1 Kemikalije .................................................................................................................. 17
3.2 Priprava raztopin CA / THF : VODA ....................................................................... 17
3.3 Priprava membran po postopku mokre fazne inverzije ............................................. 17
3.4 Merjenje motnosti ...................................................................................................... 19
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
V
3.5 Debeline membran ..................................................................................................... 19
4 REZULTATI IN DISKUSIJE ........................................................................................... 20
4.1 Motnost membranotvornega sistema ......................................................................... 20
4.2 Motnosti 10 % raztopine polimera CA/THF in po dodanih 10 in 15 % H20 ............. 20
4.3 Motnosti 12,5 % raztopine polimera CA/THF in po dodanih 10 in 15 % H20 .......... 22
4.4 Motnosti 18 % raztopine polimera CA/THF in po dodanih 10 in 15 % H20 ............ 24
4.5 Motnosti 21 % raztopine polimera CA/THF in po dodanih 15 % H20 ..................... 26
4.6 Zakasnitveni čas nastanka motnosti za sistem CA/THF/voda ................................... 28
4.7 Povprečna debelina membran ......................................................................................... 30
4.8 Povprečne debeline membran pri 10 % CA/THF, 10 % CA/THF + 10 % H2O, 10 %
CA/THF + 15 % H2O ............................................................................................................ 31
4.9 Povprečne debeline membran pri 12.5 % CA/THF, 12.5 % CA/THF + 10 % H2O, 12.5
% CA/THF + 15 % H2O ....................................................................................................... 34
4.10 Povprečna debelina membran pri 18 % CA/THF, 18 % CA/THF + 10 % H2O, 18 %
CA/THF + 15 % H2O ............................................................................................................ 37
4.11 Povprečna debelina membran pri 21 % CA/THF, 21 % CA/THF + 10 % H2O ........... 38
5 ZAKLJUČEK .................................................................................................................... 40
6 LITERATURA .................................................................................................................. 41
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
VI
KAZALO SLIK
Slika 1: Prikazuje simetrične, asimetrične in sestavljene membrane. ........................................ 2
Slika 2: Shematski prečni pogled na asimetrično membrano. .................................................... 3
Slika 3: Prikazuje površje membrane in njeno motnost pod mikroskopom. .............................. 5
Slika 4: Spreminjanje debeline membrane s časom. .................................................................. 5
Slika 5: Asimetrična porozna membrana. ................................................................................... 7
Slika 6: Mehanizem fazne separacije med tvorbo membrane. ................................................... 8
Slika 7: Mešanje raztopin na steklenem propelerskem mešalu. ............................................... 10
Slika 8: Termostatiranje steklene plošče in noža. ..................................................................... 11
Slika 9: Nastajanje membrane v koalgulacijski kopeli. ............................................................ 11
Slika 10: Tetrahidro furan. ........................................................................................................ 15
Slika 11: Molekula celuloze. .................................................................................................... 16
Slika 12: Noži za pripravo membran. ....................................................................................... 18
Slika 13: Elektronski merilnik tipa HD1. ................................................................................. 19
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
VII
KAZALO GRAFOV
Graf 1: Motnost 10 % raztopine CA/THF. ............................................................................... 20
Graf 2: Motnost 10 % raztopine CA/THF + 10 % H20. ........................................................... 21
Graf 3: Motnost 10 % raztopine CA/THF + 15 % H20. ........................................................... 21
Graf 4: Motnost 12,5 % raztopine CA/THF. ............................................................................ 22
Graf 5: Motnost 12,5 % raztopine CA/THF + 10 % H20. ........................................................ 23
Graf 6: Motnost 12,5 % raztopine CA in THF + 15 % H20. .................................................... 23
Graf 7: Motnost 18 % raztopine CA/THF. ............................................................................... 24
Graf 8: Motnost 18 % raztopine CA/THF + 10 % H20. ........................................................... 25
Graf 9: Motnost 18 % raztopine CA/THF + 15 % H20. .......................................................... 25
Graf 10: Motnost 21 % raztopine CA/THF. ............................................................................. 26
Graf 11: Motnost 21 % raztopine CA/THF + 10 % H20. ......................................................... 27
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
VIII
KAZALO TABEL
Tabela 1: Zakasnitveni časi nastanka motnosti za sistem CA/THF. ........................................ 28
Tabela 2: Zakasnitveni časi nastanka motnosti za sistem CA/THF + 10 % H2O. .................... 29
Tabela 3: Zakasnitveni časi nastanka motnosti za sistem CA/THF + 15 % H2O. .................... 30
Tabela 4: Povprečne debeline membran 10 % raztopine CA/THF. ......................................... 31
Tabela 5: Povprečne debeline membran 10 % raztopine CA/THF + 10 % H2O...................... 32
Tabela 6: Povprečne debeline membran 10 % raztopine CA/THF + 15 % H2O...................... 33
Tabela 7: Povprečne debeline membran 12,5 % raztopine CA/THF. ...................................... 34
Tabela 8: Povprečne debeline membran 12,5 % raztopine CA/THF + 10 % H2O................... 35
Tabela 9: Povprečne debeline membran 12,5 % raztopine CA/THF + 15 % H2O................... 36
Tabela 10: Povprečne debeline membran 18 % raztopine CA/THF. ....................................... 37
Tabela 11: Povprečne debeline membran 18 % raztopine CA/THF + 10 % H2O.................... 37
Tabela 12: Povprečne debeline membran 18 % raztopine CA/THF + 15 % H2O.................... 38
Tabela 13: Povprečne debeline membran 21 % raztopine CA/THF. ....................................... 38
Tabela 14: Povprečne debeline membran 21 % raztopine CA/THF + 10 % H2O.................... 39
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
1
1 UVOD
Membrane igrajo osrednjo vlogo v našem vsakdanjem življenju in tako kot je rekel Richard
Bowen: »Če ste utrujeni od membran, ste utrujeni od življenja«. Definicijo membran je težko
podati, čeprav bi se splošna lahko glasila, da je membrana selektivna pregrada med dvema
fazama, z izrazom selektivna pa označujemo tako membrane kot membranske procese 1.
Najpogostejši postopek po katerem se membrane izdelujejo, se imenuje mokra fazna
inverzija. Na stekleno ploščo, ki jo predhodno termostatiramo, nanesemo raztopino polimera
in jo prenesemo v koagulacijsko kopel, v kateri se nahaja destilirana voda, ki služi kot
netopilo.
Membrane so pripravljene iz ternarnega sistema celulozni acetat (CA) / tetrahidro furan
(THF) / voda. Polimerni raztopini pripravljeni iz (CA) in (THF) smo dodajali različne masne
deleže destilirane vode in spremljali vpliv le-te na naslednje karakteristike: motnost, debelino
membrane in zakasnitveni čas.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
2
2 TEORETIČNI DEL
2.1 Membrane in delitev
Kot je zapisano že v uvodu, so membrane definirane kot selektivne pregrade med dvema
fazama, z izrazom selektivna pa označujemo tako membrane kot membranske procese. Kljub
zapleteni definiciji pa je njihova delitev precej bolj preprosta.
Membrane so lahko narejene iz velikega števila različnih materialov. Membrana je lahko
tanka ali debela, njena struktura pa homogena ali heterogena. Razdelimo jih v dve skupini in
sicer biološke ter sintetične membrane. Biološke membrane so bistvene za življenje na zemlji.
Vsaka živa celica je obkrožena z membrano, vendar se te bistveno razlikujejo glede na
strukturo in funkcionalnost.
Sintetične membrane se razdelijo na organske (polimerne in tekoče) in anorganske (keramične
in kovinske), naravne t.i. biološke pa na žive in nežive. Nežive membrane so zelo pomembne
pri separacijskih procesih v medicini in biomedicini 1,2.
Glede na morfološke značilnosti pa poznamo asimetrične in simetrične membrane.Te
membrane nam ponazarja slika 1.
Simetrična membrana Asimetrična membrana Sestavljena membrana
Slika 1: Prikazuje simetrične, asimetrične in sestavljene membrane.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
3
2.2 Membrane z asimetrično strukturo
Večina membran, narejenih v industriji, ima asimetrično strukturo. Slika 2 prikazuje
shematsko tipični prečni pogled na asimetrično membrano.
Slika 2: Shematski prečni pogled na asimetrično membrano.
Sestavljena je iz dveh plasti, zgornja je sestavljena iz zelo tanke goste plasti – imenovana tudi
povrhnjica; spodnjo plast pa sestavlja porozna podplast. Zgornja, gosta plast, ureja izvajanje
membrane, spodnja pa predstavlja mehanično moč membrane. Membrane z simetrično
strukturo nimajo zgornje plasti. Če ima asimetrična membrana enako zgornjo in spodnjo plast,
se imenuje celovito odprta asimetrična membrana. Po drugi strani pa, če je polimer na vrhu
plasti drugačen kot je na spodnji plasti membrane, se membrana imenuje sestavljena
membrana. Prednost sestavljenih membran pred celovitimi odprtimi asimetričnimi
membranami je ta, da sta zgornja in spodnja plast izbrani ločeno, le tako lahko dobimo
optimalne karakteristike.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
4
2.3 Karakterizacija polimerne asimetrične porozne membrane
Za učinkovito ločevanje materialov bi membrana morala imeti naslednje karakteristike:
kemijski upor, mehanska stabilnost, termična stabilnost, visoka prepustnost, visoka stabilnost,
stabilna operacija. Vse te karakterizacije so med sabo povezane v procesih in se nanašajo na
kapitalske in operacijske stroške. Kemijski upor je povezan z operacijsko življenjsko dobo
membrane. 3
Med samim izvajanjem smo membrani merili motnost, kasneje pa še debeline le teh.
2.4 Motnost polimerne asimetrične porozne membrane
Motnost ali propustnost svetlobe se pojavi zaradi nastanka faznih mej. Nastanejo pore, ki so
bogate s polimerom revno fazo ali s polimerom bogato fazo. Na faznih mejah teh por pride do
sipanja svetlobe. Več kot je teh faznih mej, večja je motnost. Ko se začneta izmenjavati topilo
in netopilo in pride do nastanka faznih mej, se začne pojavljati motnost (ta se kaže v obliki
bele barve). Na začetku formiranja membrane je prepustnost svetlobe največja, s časom pa se
manjša. Ko se membrana dokončno izoblikuje, je prepustnost svetlobe najmanjša, motnost
prikazana na grafu pa maksimalna (Trbmax). Hitrost nastajanja membrane imenujemo naklon
krivulje in jo izražamo s koeficientom alfa (α):
tgα=∆motnost/∆t
∆ motnost in ∆ t odčitamo iz grafa motnosti v odvisnosti od časa in sicer tako, da izberemo
najbolj strm del grafa in potegnemo tangento.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
5
Slika 3: Prikazuje površje membrane in njeno motnost pod mikroskopom.
2.5 Polimerne asimetrične porozne membrane
V umetnih membranah, kljub strukturi homogenih membran, ki nimajo pod elektronskim
mikroskopom nobenih opaznih por, se lahko smatra kot da imajo isti tip supermolekularne
strukture. Združitev polimernih verig v porozni membrani bi morala biti karakterizirana
vnaprej kot prispevek por k transportu. Ko se celotna membrana močno poveča se poveča
tudi pora.
Slika 4 prikazuje, kako se debelina membrane spreminja z časom. Vse te membrane imajo
pore, ki se jih da opazovati. Takrat, ko je membrana prerezana vzporedno na površje v
ultratanke rezine, prerez kaže direktno strukturo por. Tukaj «porozne membrane« vsebujejo
tako porozne membrane ravnega tipa kot porozne membrane z votlimi vlakni.1
Slika 4: Spreminjanje debeline membrane s časom.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
6
Neporozne homogene membrane so ponavadi pripravljene iz raztopine samo z izhlapevanjem
topila ali z iztiskanjem stopljenega polimera. Kakorkoli, neporozne homogene membrane
imajo praktičen pomen samo takrat, ko so narejene iz močno prepustnega polimera, kot je
silikon. Ponavadi je tok okoli membrane precej nizek, kajti za zagotavljanje membranine
mehanične stabilnosti je zahtevana minimalna debelina. Večina dosegljivih membran je
poroznih ali pa sestojijo iz gostega zgornjega sloja na porozni strukturi. Priprava membranine
strukture s kontrolirano velikostjo por vključuje veliko tehnik z relativno preprostimi načeli,
ki pa so precej zapletena. Asimetrične membrane kombinirajo visoko permeanatni tok, ki ga
zagotavljata zelo tanka selektivna zgornja plast in smiselna mehanska stabilnost, ki je rezultat
osnovne porozne strukture. Asimetrična struktura ima predvsem značilnosti sedanjih
komercialno dosegljivih membran, ki so proizvedene iz mnogih različic polimerov. Najbolj
pogosto uporabljena metoda uporabljena med asimetričnimi strukturami v membranah je
proces imenovan ''fazna inverzija''. 1
2.6 Fazna inverzija
Proces fazne inverzije sestoji iz indukcije fazne separacije v predhodni homogeni polimerni
raztopini s temperaturno spremembo, s potapljanjem raztopine v kopel netopila (mokri
proces) ali z izpostavljanjem atmosferi netopila (suh proces). V termalnem procesu se
komponenta nizke molekularne teže ponavadi obnaša kot topilo pri visoki temperaturi ali kot
netopilo pri nizki temperaturi. Odstranjena je po formaciji porozne strukture. Kljub temu, da
je lahko termalni proces uporabljen v širokem spektru polimerov, je posebej zanimiv pri tistih
z slabo topnostjo, kot je polipropilen. Pogosto je formirana izotropna mikroporna struktura.
Izotermalna fazna inverzija je komercialno veliko bolj razširjena. Ponavadi je polimerna
raztopina potopljena v kopel netopila (mokri proces) in izmenjava topilo-netopilo vodi do
fazne separacije. S polimerom obogatena faza formira porozno matriko, medtem ko
polimerno neobogatena faza povečuje pore. Morfologija je ponavadi asimetrična, z selektivno
kožo na površju, kot je prikazano na sliki 5.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
7
Slika 5: Asimetrična porozna membrana.
Struktura por je tvorjena s fazno inverzijo. Fazna inverzija je v tem primeru predvsem proces
razmešanja tekočina-tekočina, kljub temu da pomembno vlogo v sistemih, ki obvladajo
kristalizacijske polimere, kot sta celulozni acetat in poli(viniliden florid), igra tudi trdno-
tekoče razmešanje. Po potopitvi v kopel netopila, izmenjava topila-netopila prinese začetni
termodinamični stabilni sistem v stanje, za katerega je minimalna prosta Gibbsova energija
dosežena z ločitvijo v dve soobstajajoči fazi. Prevladujoč mehanizem fazne inverzije, ki vodi
do oblikovanja por in vmešane termodinamike, je tema konstruktivnih in včasih
kontroverznih diskusij v literaturi kot tudi najbolj možne poti v faznem diagramu.
Poenostavljen diagram je prikazan na sliki 6. Mehanizem fazne inverzije v osnovi temelji na
križajoči točki na nestabilni regiji. Če zamenjava sistema topilo-netopilo najprej pripelje do
metastabilnega stanja je zaželjen nukleacijski in rastni mehanizem (NG). Razpršena faza je
sestavljena iz delcev raztopine, ki ima zelo malo polimerov, formirana pa je v koncentrirani
matriki. Če v sistemu ni nobenega dodatnega netopnega pritoka ali spremembe temperature,
potem bi bila kompozicija znotraj jedra v zgodnji fazi praktično ista kot je pričakovano v
ravnotežju in se ne spreminja s časom. Samo velikost kapljic se povečuje s časom. Če gre pot
razmešavanja mimo kritične točke, direktno v nestabilno območje (pot B), prevladuje
spinodalna razgradnja (SD).
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
8
POT A Polimer POT B
A
B
Topilo Netopilo
Slika 6: Mehanizem fazne separacije med tvorbo membrane.
Koncentracijsko nihanje se pojavlja v sprva homogenem sistemu in napreduje s povečanjem
amplitude, ki vodi do ločitve v dve neprekinjeni fazi. Polimerno neobogatena faza bo tako
formirala pore. Začetna koraka fazne separacije, tako NG kot SD, sta lahko relativno dobro
opisana skladno s teorijami fazne separacije. V kasnejših fazah NG in SD ponavadi
napredujeta do zlitja faz in končna struktura je zelo težko napovedljiva. Vsaj tako pomembna
kot začetni mehanizem fazne separacije je točka, kjer je napredujoča struktura fiksirana.
Paralelno z razmešanjem, ko se koncentracija polimerne raztopine spremeni z zamenjavo
topilo-netopilo, se mobilnost sistema zmanjša. Razlogi za to variirajo od fizično neugodne
interakcije polimer-topilo (ali netopilo), ki vodi do močnejših stikov polimer-polimer,
vitrifikacije polimerno koncentrirane faze, ko se koncentracija topila zmanjša in v nekaterih
primerih tudi do delne kristalizacije. Če se sistem zgelira in strdi direktno po prvih korakih
fazne separacije, bo imela membrana fino strukturo por, ki ohranjajo originalne značilnosti, ki
jih da začetni mehanizem za razmešanje. Če se NG razmešanje ustavi med prvimi fazami, bo
morfologija zaprtih celic ugodna. V kasnejših fazah NG bodo jedra rastla in se dotikala eden
drugega ter s tem formirala med seboj povezane pore. Za SD razmešanje je ugodnejša
formacija med seboj povezanih pornih struktur že na začetku. Asimetrična struktura je
ponavadi formirana čez membrano, kajti zamenjava topilo-netopilo lahko vodi do različnih
začetnih pogojev za fazno separacijo na plasteh daleč od površja. Poleg SD in NG razmešanja
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
9
na morfologijo vplivajo tudi drugi faktorji. Celotna membranska struktura je ponavadi lahko
klasificirana kot gobasta ali podobna prstom. Votline podobne prstom so formirane v mnogo
primerih, ko netopilo vstopi v polimerno raztopino. Ta makro praznina lahko prispeva k
pomanjkanju mehanične stabilnosti v membranah, ki se uporablja pri visokih pritiskih.
Kombinacija faktorjev je odgovorna za formacijo makro praznin. V praktične namene je
lahko prevlada gobaste ali makro prazne strukture inducirana na različne načine. V osnovi je
gobasta struktura ugodnejša, ker:
1. Povečuje polimerno koncentracijo ulite raztopine.
2. Povečuje viskoznost ulite raztopine z dodajanjem navzkrižno povezanega sredstva.
3. Spreminja topilo.
4. Dodajanje topila v netopno kopel.3
2.7 Nastanek polimernih asimetričnih poroznih membran
Pripravili smo si raztopino, ki se je nekaj dni mešala na steklenem mešalu, vse dokler ni
postala homogena. Sledila je priprava koagulacijske kopeli, v katero smo do določene oznake
natočili destilirano vodo. Destilirana voda je služila kot netopilo. Po predhodnem
termostatiranju fino brušene steklene plošče in noža določene debeline, smo na stekleno
ploščo nanesli raztopino polimera in jo potopili v koagulacijsko kopel. Po potopitvi je začela
nastajati membrana, ker se topilo - tetrahidro furan in netopilo- voda izmenjata na podlagi
prenosa snovi. V primeru, da ne pride do takojšnega razmešanja, se pojavi »delay time«
oziroma zakasnitveni čas.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
10
Slika 7: Mešanje raztopin na steklenem propelerskem mešalu.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
11
Slika 8: Termostatiranje steklene plošče in noža.
Slika 9: Nastajanje membrane v koalgulacijski kopeli.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
12
2.8 Trg in uporaba membran
Prodaja membran in modulov je bila v letu 1998 ocenjena z več kot 4.4 bilijonov ameriških
dolarjev po svetu. Če upoštevamo tudi opremo in celotni membranski sistem se ocena
podvoji. Vsaj 40 % trga je v ZDA, 29 % trga pa si delita Evropa in Srednji Vzhod. Tudi trgi v
Afriki in Južni Ameriki hitro rastejo. Nedavno objavljena študija ocenjuje, da je kombiniran
trg za membrane, uporabljen v separacijskih in neseparacijskih aplikacijah, vreden samo 5
bilijonov ameriških dolarjev v ZDA, nekje z letno rastjo 6.6 %. Samo s
hemodializo/hemofiltracijo se je v letu 1998 zaslužilo več kot 2200 milijonov ameriških
dolarjev. Reverzna osmoza (RO), ultrafiltracija (UF) in mikrofiltracija (MF) skupaj so v
prodaji leta 1998 nanesle za 1.8 bilijonov ameriških dolarjev. V tem času v ZDA je bilo za
uporabo v reverzni osmozi vsako leto prodanih za 400 milijonov ameriških dolarjev vrednih
membran in modulov. Nekje 50 % trga reverzne osmoze sta kontrolirala Dow/FilmTec in
Hydranautics/Nitto. Sledila sta jim DuPont in Osmonics. Membrane so nanešene med
destilacijo morske vode, ravnanjem z odpadnimi vodami in v industrijskih sektorjih. Trg za
RO in nanofiltracijo raste za več kot 10 % na leto. Trg za razsoljevanje se je občutno povečal,
kot se je povečal tudi trg za procesno čiščenje voda. Za samo razsoljevanje je bilo
pričakovano, da bo v letu 2008 zraslo do 2 bilijonov ameriških dolarjev. ZDA je največji
kupec RO membran in opreme, medtem ko je Japonska druga, Saudska Arabija pa tretja. S
povečanjem povpraševanja po dosegljivih zalogah komunalnih voda v večjih mestih na
Kitajskem, se trg s sistemi domače reverzne osmoze hitro povečuje in za opremo za reverzno
osmozo v Aziji je bilo pričakovano, da bo leta 2008 presegla 1.8 bilijona ameriških dolarjev
na leto. Ultrafiltracijske membrane in moduli so v prodaji leta 1998 prinesli okoli 500
milijonov ameriških dolarjev, s pričakovano stopnjo rasti 10 % letno. Več kot 58 % prodaj je
v ZDA. Za razliko od reverzne osmoze, si trg z ultrafiltracijami deli veliko število podjetij,
vodilni pa so Pall, Amicon/Milipore in Koch. Ultrafiltracijske membrane so v veliki meri
odgovorne tudi za zagotavljanje čiste vode za polprevodno industrijo. Povečujoče se zahteve
po ultravisoko čistih kemikalijah v tem sektorju bi lahko bile zagotovljene tudi s pomočjo
ultrafiltracije, z dosegljivostjo kemijsko dosegljivih membran. Ločitev olje/voda je zdaj velika
aplikacija za ultrafiltracijo v industrijskih sektorjih, kot sta čiščenje kovin in volne, in še
vedno raste z uporabo nove okoljske zakonodaje. Uporaba ultrafiltracije v biotehnološki
industriji raste še hitreje kot sam sektor. Za kombinirani biotehnološko in farmacevtsko
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
13
industrijo je bilo pričakovano, da bosta kupili membrane in module v vrednosti 300 miljonov
ameriških dolarjev na leto v letu 2008.
Za prodajo mikrofiltracijske opreme in membran je bilo pričakovano, da zrasteta iz 1.9
bilijona ameriških dolarjev po svetu v letu 2005, na 2.5 bilijona ameriških dolarjev leta 2008.
Glavne aplikacije so proizvodnja sterilizirane vode za farmacevtsko in biotehnološko
industrijo.3
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
14
2.9 Kemikalije, uporabljene za pripravo polimernih asimetričnih poroznih
membran
Za pripravo polimernih asimetričnih poroznih membran smo uporabili tetrahidro furan (THF),
ki je služil kot topilo in celulozni acetat (CA), ki je služil kot topljenec.
2.9.1 Tetrahidro furan (THF)
THF je izredno strupen 5-členski heterociklični eter. THF je industrijsko topilo za številne
organske snovi in se uporablja kot surovina za različne sinteze. Meša se z vodo in vsemi
skupinami organskih topil. Lahko bi rekli, da je vsestransko topilo. Je tudi brezbarvna
tekočina z vonjem po etru ter zmes, ki ima kemično formulo C4H8O. Je zelo polarna spojina,
ki ima zelo nizko tališče.6
FIZIKALNE IN KEMIJSKE LASTNOSTI:
Oblika: tekočina
Barva: brezbarvna
Vonj: po etru
pH-vrednost: 7
Tališče: -108° C
Vrelišče: 66° C
Temperatura samovžiga: 230° C
Plamenišče: - 20°C
Meja eksplozivnosti:- spodnja: 2.0 Vol %; zgornja: 12.4 Vol %
Parni tlak (20° C): 200 mbar
Gostota (20° C): 0,89 g/cm3
Topnost v vodi (20°C): topno
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
15
Viskoznost (20° C): 788 mPas
Slika 10: Tetrahidro furan.
2.9.2 Celulozni acetat
Izhodišče za izdelavo acetatnih vlaken je celuloza, ki se pri obdelavi z ocetno
kislino spremeni v acetatno celulozo. Obstajata acetat in triacetat. Imeni imata izvor v
spremembi celuloze v acetat. Pri triacetatu se spremenijo vse tri funkcionalne skupine, pri
acetatu pa v povprečju 2,5 skupine. Pri obdelavi celuloze z ocetno kislino nastane
v acetonu topljiv celulozni acetat.
Lasnosti
S spremembo v acetat se spremenijo lastnosti, ki so bistveno drugačne kot pri čisti celulozi,
na primer pri bombažu. Vlakna so zelo gladka in imajo svilnat sijaj.
Trdnost
Trdnost suhega acetata je nižja kot pri viskozi, če je moker se še zmanjša na 65 do 75 %.
Raztezanje
Skupen raztezek je približno 30 %. Ker ima acetat tudi veliko elastično razteznost se manj
mečka, kot na primer viskoza.
Vsrkavanje vlage
Acetat vpije le skromnih 6 % vlage. Zato se acetat hitro posuši. Zaradi majhnega vpijanja
vlage se oblačila iz acetata rada elektrostatično nabijejo.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
16
Gorljivost
Vlakna gorijo s plavkastim plamenom in tvorijo kapljice.
Obstojnost
Pri 180 do 200° C postane acetat termoplastičen, kar pomeni, da se vlakna lahko oblikujejo.
Že nad 85° C se izgubi svilnat lesk. Acetat ni hrana za mikroorganizme in je zato odporen
proti plesni, glivicam in bakterijam. Obstojnost na svetlobi je dobra. Občutljiv je
za kisline in baze. Odporen je proti oksidacijskim sredstvom. Ker ni odporen proti topilom, je
potrebna velika previdnost pri kemičnem čiščenju, predvsem pri uporabi tekočin za
odstranjevanje madežev.6
Slika 11: Molekula celuloze.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
17
3 EKSPERIMENTALNI DEL
3.1 Kemikalije
Tetrahidro furan,
Celulozni acetat, Aldrich-chemichal company.
Destilirana voda, pripravljena v laboratoriju.
3.2 Priprava raztopin CA / THF : VODA
V erlenmajerico smo s pomočjo precizne tehnice zatehtali 150 g raztopine, ki je vsebovala
CA, THF in v določenih primerih še destilirano vodo.
Potek (primer za pripravo raztopine s sestavo 10 % CA/THF + 10 % H2O): V suho
erlenmajerico sem zatehtal 15 g CA, 120 g THF in 15 g destilirane vode.
Za tem je sledilo mešanje raztopine polimera na propelerskem magnetnem mešalu, dokler
raztopina ni postala homogena. Mešanje je potekalo od 24 do 36 ur, večja kot je bila sestava
raztopine polimera dlje je bilo potrebno, da se je raztopina popolnoma razmešala.
3.3 Priprava membran po postopku mokre fazne inverzije
Ko so se raztopine polimerov razmešale, sem začel pripravljati stvari za postopek mokre
fazne inverzije. Najprej sem termostatiral fino brušeno stekleno ploščo in nož določene
debeline pri 250 C. Fino brušeno stekleno ploščo sem očistil s papirnatimi brisačami in
acetonom. Sledila je priprava koagulacijske kopeli, ki sem jo do oznake napolnil z destilirano
vodo, njena temperatura je znašala 250 C. Napravo za merjenje motnosti sem nastavil na 3V.
Sledilo je »vlečenje« membrane, na fino brušeno stekleno ploščo sem nastavil nož določene
debeline in v njegovo odprtino nalil raztopino polimera in povlekel membrano. Fino brušeno
stekleno ploščo sem potopil v koagulacijsko kopel ter spremljal dogajanje v njej. Po preteku
10 minut sem iz kopeli vzel nastalo membrano ter jo za 24 ur potopil v kad z destilirano vodo,
da se je topilo odstranilo.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
18
Sestave raztopin, ki sem jih uporabljal:
• 10 % CA/THF, 10 % CA/THF + 10 % H2O, 10 % CA/THF + 15 % H2O
• 12.5 % CA/THF, 12.5 % CA/THF + 10 % H2O, 12.5 % CA/THF + 15 % H2O
• 18 % CA/THF, 18 % CA/THF + 10 % H2O, 18 % CA/THF + 15 % H2O
• 21 % CA/THF, 21 % CA/THF + 10 % H2O
Opomba: Pri vseh raztopinah polimerov sem dodal 10 % in 15 % H2O, razen pri 21%
sestavi, ker bi se raztopina mešala predolgo, hkrati pa bi bila zelo viskozna.
Za pripravo membran sem uporabljal nože naslednjih debelin: 50, 100, 200 in 300 µm.
Slika 12: Noži za pripravo membran.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
19
3.4 Merjenje motnosti
Motnost oz. prepustnost svetlobe membran sem med formiranjem meril s fotouporom, ki je
bil nameščen pod kadjo. Nad kadjo je bil izvir svetlobe. Glede na sestavo polimerne
raztopine, sem na zapisovalniku dobil krivulje različnih naklonov, iz katerih sem odčitaval
motnost membran.
3.5 Debeline membran
Ko sem membrano po 24 urah vzel iz kadi, sem ji na desetih različnih mestih izmeril širino in
debeline. Širino sem izmeril z ravnilom, debeline pa z elektronskim merilnikom tipa HD1, z
natančnostjo + 10-3, kar prikazuje tudi slika 13.
Slika 13: Elektronski merilnik tipa HD1.
Povprečno debelino membran sem izračunal po enačbi 3.1:
kjer je: - povprečna debelina membrane
di - debelina membrane
N – število meritev
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
20
4 REZULTATI IN DISKUSIJE
4.1 Motnost membranotvornega sistema
Membranam, ki sem jih formiral s pomočjo nožev debelin 50, 100, 200 in 300 µm sem meril
motnost. Ta se je spreminjala glede na delež CA, THF in destilirane vode. Pri raztopinah z
manjšimi koncentracijami, kjer ni bilo dodane destilirane vode, se motnost ni pojavila oz. je
bila membrana prozorna. Motnost se je spreminjala tudi z debelino nanosa polimera, večja kot
je bila debelina noža večja je bila motnost membrane. S pomočjo grafov sem prikazal kako se
motnost spreminja s časom in debelino nanosa pri naslednjih koncentracijah: 10 % CA/THF,
10 % CA/THF + 10 % H2O, 10 % CA/THF + 15 % H2O; 12.5 % CA/THF, 12.5 % CA/THF +
10 % H2O, 12.5 % CA/THF + 15% H2O; 18 % CA/THF, 18 % CA/THF + 10 % H2O, 18 %
CA/THF + 15 % H2O; 21 % CA/THF, 21 % CA/THF + 10 % H2O.
4.2 Motnosti 10 % raztopine polimera CA/THF in po dodanih 10 in 15 %
H20
Graf 1: Motnost 10 % raztopine CA/THF.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
21
Pri debelini nanosa 50 in 100 µm membrana ni postala motna oz. je bila prozorna, med njeno
tvorbo pa so se v koagulacijski kopeli pojavljali »vrelci«. Pri debelini 200 in 300 µm sta
membrani postali motni, njuni površini sta bili »peskasti«. Obe pa sta se tudi delno odlepili od
steklene plošče.
Graf 2: Motnost 10 % raztopine CA/THF + 10 % H20.
Graf 3: Motnost 10 % raztopine CA/THF + 15 % H20.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
22
Ko sem raztopini 10 % CA/THF dodal 10 % H2O je membrana postala neenakomerno motna
pri vseh debelinah nanosa, le ta pa je sorazmerno naraščala z debelino, razen pri 200 µm je
motnost večja kot pri 300 µm zaradi večjega nanosa raztopine polimera. Pri debelini 200 in
300 µm so po razmešanju z destilirano vodo na vrhu plavali delci topila CA. Pri vseh
debelinah so se pojavili vrelci. »Peskasta« površina se je pojavila pri večjih debelinah nanosa.
Pri dodatku 15 % H20 je motnost naraščala sorazmerno z debelino nanosa, največjo vrednost
je dosegla pri 300 µm in sicer 5,2. Vrelci so bili prisotni pri debelini nanosa 100, 200 in 300
µm, še posebej burni pa so bili pri debelini 200 in 300 µm., prav tako se je membrana pri teh
dveh debelinah odlepila in posledično je prišlo do zvijanja membrane.
4.3 Motnosti 12,5 % raztopine polimera CA/THF in po dodanih 10 in 15 %
H20
Graf 3: Motnost 12,5 % raztopine CA/THF.
Za razliko od 10 % raztopine se pri 12,5 % raztopini motnost pojavi tudi pri debelini 50 in
100 µm, le ta se povečuje do nanosa 300 µm in doseže motnost vrednosti 5,8. Prva
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
23
membrana se le delno odlepi, medtem ko so se ostale tri odlepile v celoti. Membrani debeline
200 in 300 µm so se rahlo nagubale, opaziti pa je bilo tudi zvijanje membrane.
Graf 4: Motnost 12,5 % raztopine CA/THF + 10 % H20.
Graf 5:Motnost 12,5 % raztopine CA in THF + 15 % H20.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
24
Motnost 12,5 % CA/THF po dodatku 10 % H20 je naraščala pri vseh debelinah nanosa. Prav
tako je bilo opaziti vrelce, ki so bili še posebej burni pri debelini nanosa 200 in 300 µm, hkrati
pa je membrana postala rahlo nagubana in se je zvijala navzgor.
Po dodanih 15 % H20 se motnost pri 50 in 100 µm ni bistveno razlikovala, medtem ko je bila
pri 200 µm zaradi debeline nanosa nekoliko večja kot pri 300 µm. Pri 300 µm je motnost
skozi celotno formacijo membrane počasi naraščala in dosegla vrednost 4,4. Vrelci so se
pojavili pri 100, 200 in 300 µm. Pri večjih debelinah nanosa se je membrana v celoti odlepila
in zvijala navzgor.
4.4 Motnosti 18 % raztopine polimera CA/THF in po dodanih 10 in 15 %
H20
Graf 6: Motnost 18 % raztopine CA/THF.
Pri 18 % CA/THF je motnost zaznati že ob potopitvi v koagulacijsko kopel, le ta pa
narašča skozi celotno formacijo membrane. Membrana se v celoti odlepi in ima
»peskasto« površino.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
25
Graf 7: Motnost 18 % raztopine CA/THF + 10 % H20.
Graf 8: Motnost 18 % raztopine CA/THF + 15 % H20.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
26
Pri dodatku 10 % H20 membrana v trenutku, ko jo potopimo, postane motna. Motnost znaša
2,2 in se tekom formacije ne spremeni.
Ko smo 18 % raztopini dodali 15 % H20, je membrana ob potopitvi v netopilo takoj postala
motna in se je odlepila od steklene plošče. Motnost je naraščala skozi vso njeno formacijo in
je dosegla vrednost 4,8.
4.5 Motnosti 21 % raztopine polimera CA/THF in po dodanih 15 % H20
Graf 9: Motnost 21 % raztopine CA/THF.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
27
Graf 10: Motnost 21 % raztopine CA/THF + 10 % H20.
Motnost pri 21% raztopini se je pojavila v trenutku, ko smo membrano potopili v kopel,
pojavili so se burni vrelci, površje membrane pa je postalo »peskasto«.
Pri dodatku 10 % H20 ni bilo bistvene razlike, le da je motnost na začetku naraščala in kmalu
dosegla konstantno vrednost 2,2.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
28
4.6 Zakasnitveni čas nastanka motnosti za sistem CA/THF/voda
D (µµµµm)
tz (s)
10 %
CA/THF
tz (s)
12,5 %
CA/THF
tz (s)
18 %
CA/THF
tz (s)
21 %
CA/THF
50 0 0 / /
100 0 0 / /
200 14 7 / /
300 17 0 0 0
Tabela 1: Zakasnitveni časi nastanka motnosti za sistem CA/THF.
Pri raztopinah polimera, ki jim nisem dodal destilirane H2O se zakasnitveni čas motnosti
pojavi le pri 10 % in 12,5 % raztopini CA/THF. Pri 10 % CA/THF ter nanosu 50 in 100 µm
so bile membrane prozorne, motnost se je pojavila pri 200 µm, kjer se pojavil tudi
zakasnitveni čas. Pri 10 % raztopini je zakasnitveni čas naraščal z debelino nanosa polimera.
Pri 18 % in 21 % raztopini CA/THF sta membrani postali motni ob potopitvi v koagulacijsko
kopel in zakasnitvenega časa ni bilo zaznati.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
29
D (µµµµm)
tz (s)
10 % CA/THF
+ 10 % H2O
tz (s)
12,5%
CA/THF + 10
% H2O
tz (s)
18 % CA/THF
+ 10 % H2O
tz (s)
21 % CA/THF
+ 10 % H2O
50 0 0 / /
100 0 0 / /
200 14 14 / /
300 0 24 0 0
Tabela 2: Zakasnitveni časi nastanka motnosti za sistem CA/THF + 10 % H2O.
Po dodatku 10 % H2O raztopinam koncentracij 10, 12,5, 18 in 21 % CA/THF so se
zakasnitveni časi pojavili le pri 10 % CA/THF + 10 % H2O in 12,5 % CA/THF + 10 % H2O.
pa še to le pri večjih debelinih nanosa. Pri 18 % CA/THF + 10 % H2O in 21 % CA/THF + 10
% H2O zakasnitvenega časa ni bilo, saj pride do razmešanja v trenutku, ko stekleno ploščo
potopimo v kopel.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
30
D (µµµµm)
tz (s)
10 % CA/THF
+ 15 % H2O
tz (s)
12,5%
CA/THF + 15
% H2O
tz (s)
18 % CA/THF
+ 15 % H2O
tz (s)
21 % CA/THF
+ 15% H2O
50 0 0 / /
100 0 0 / /
200 22 24 / /
300 12 0 0 /
Tabela 3: Zakasnitveni časi nastanka motnosti za sistem CA/THF + 15 % H2O.
Tudi po dodanih 15 % H2O raztopinam polimera se je zakasnitveni čas pojavil le pri 10 %
CA/THF + 15 % H2O in 12,5 % CA/THF + 15 % H2O, kar kaže na to, da zakasnitveni časi
nastanka motnosti rastejo z naraščujočo debelino nanosa.
4.7 Povprečna debelina membran
Po enačbi 3.1 sem izračunal povprečne končne debeline membran, ki so se spreminjale glede
na različno koncentracijo raztopin polimera in debelino nanosa. Debeline so naraščale pri
vseh kocentracijah raztopin CA in THF, kakor tudi pri povečevanju masnega deleža H20.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
31
4.8 Povprečne debeline membran pri 10 % CA/THF, 10 % CA/THF + 10 %
H2O, 10 % CA/THF + 15 % H2O
Masni delež H20 v
raztopini polimera
(%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna končna
debelina (µm)
0
50
3 2 2
3 2 3 3
3 4 2
2,6
0
100
3 4 4
3 3 3 2
4 3 2
3,1
0
200
15 12 11
13 14 14 12
13 17 12
13,3
0
300
15 18 17
26 20 24 21
23 24 20
20,8
Tabela 4: Povprečne debeline membran 10 % raztopine CA/THF.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
32
Masni delež H20
v raztopini
polimera (%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna
končna debelina
(µm)
10
50
4 3 2
3 4 3 2
3 2 2
2,8
10
100
8 7 5
6 4 4 3
9 5 4
5,5
10
200
15 18 15
16 13 14 16
18 14 13
15,2
10
300
16 23 23
21 22 24 23
24 19 25
22,0
Tabela 5: Povprečne debeline membran 10 % raztopine CA/THF + 10 % H2O.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
33
Masni
delež H20
v raztopini
polimera
(%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna
končna
debelina
(µm)
15
50
4 2 3
4 3 3 3
3 2 3
3,1
15
100
7 6 5
6 6 5 4
8 5 4
5,6
15
200
20 15 17
17 14 14 13
17 17 14
15,8
15
300
29 26 22
24 26 21 21
24 22 20
23,5
Tabela 6: Povprečne debeline membran 10 % raztopine CA/THF + 15 % H2O.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
34
4.9 Povprečne debeline membran pri 12.5 % CA/THF, 12.5 % CA/THF + 10
% H2O, 12.5 % CA/THF + 15 % H2O
Masni delež H20 v
raztopini polimera
(%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna končna
debelina (µm)
0
50
3 2 2
2 3 2 2
2 2 1
2,1
0
100
4 5 5
4 4 4 3
4 4 1
3,9
0
200
15 16 17
15 15 12 16
18 11 17
13,7
0
300
27 29 25
24 21 17 25
27 27 20
24,2
Tabela 7: Povprečne debeline membran 12,5 % raztopine CA/THF.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
35
Masni delež H20 v
raztopini polimera
(%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna končna
debelina (µm)
10
50
4 1 2
6 4 5 2
1 3 2
3,0
10
100
7 6 3
6 4 4 4
5 6 5
5,0
10
200
21 19 19
21 21 18 21
20 19 20
19,9
10
300
40 32 30
38 32 28 31
33 31 27
32,2
Tabela 8: Povprečne debeline membran 12,5 % raztopine CA/THF + 10 % H2O.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
36
Masni delež H20 v
raztopini polimera
(%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna končna
debelina (µm)
15
50
6 4 4
6 7 5 6
4 5 6
5,3
15
100
8 8 7
9 9 7 6
12 9 7
8,2
15
200
22 20 20
21 21 19 22
22 20 21
20,8
15
300
36 33 32
38 34 37 34
37 38 35
35,4
Tabela 9: Povprečne debeline membran 12,5 % raztopine CA/THF + 15 % H2O.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
37
4.10 Povprečna debelina membran pri 18 % CA/THF, 18 % CA/THF + 10 %
H2O, 18 % CA/THF + 15 % H2O
Masni delež H20 v
raztopini polimera
(%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna končna
debelina (µm)
0
300
34 32 30
37 29 25 31
32 34 34
31,8
Tabela 10 Povprečne debeline membran 18 % raztopine CA/THF.
Masni delež H20 v
raztopini polimera
(%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna končna
debelina (µm)
10
300
36 29 29
36 35 33 31
38 33 36
33,6
Tabela 11 Povprečne debeline membran 18 % raztopine CA/THF + 10 % H2O.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
38
Masni delež H20 v
raztopini polimera
(%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna končna
debelina (µm)
15
300
40 38 36
47 40 40 35
44 39 39
39,8
Tabela 12: Povprečne debeline membran 18 % raztopine CA/THF + 15 % H2O.
4.11 Povprečna debelina membran pri 21 % CA/THF, 21 % CA/THF + 10 %
H2O
Masni delež H20
v raztopini
polimera (%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna končna
debelina (µm)
0
300
36 31 33
37 36 34 32
35 33 33
34,0
Tabela 13: Povprečne debeline membran 21 % raztopine CA/THF.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
39
Masni delež H20 v
raztopini polimera
(%)
Debelina nanosa
polimera D (µm)
Končna debelina
d (µm)
Povprečna končna
debelina (µm)
10
300
44 42 40
45 43 43 40
42 42 39
42,0
Tabela 14: Povprečne debeline membran 21 % raztopine CA/THF + 10 % H2O.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
40
5 ZAKLJUČEK
Pri mehanizmu nastajanja asimetričnih polimernih membran v ternarnem sistemu celulozni
acetat (CA)/tetrahidro furan (THF) : voda, so se karakteristike (motnost, debelina,
zakasnitveni čas) spreminjale glede na sestavo polimerne raztopine in dodanega masnega
deleža destilirane H2O. Motnost membran je skoraj pri vseh raztopinah polimera naraščala
sorazmerno z debelino nanosa, razen pri 12,5 % raztopini CA/THF in dodatku 15 % H20 in 10
% raztopini CA/THF in dodatku 10 % H20, kar kaže na vpliv debeline nanosa polimera. Pri
debelini nanosa 50 in 100 µm ni opaziti bistvene razlike v motnosti, medtem ko je pri debelini
nanosa 200 in 300 µm opaziti precejšnje povečanje motnosti.
Podobno dogajanje je bilo opaziti tudi pri merjenju debelin membran, katere so se
sorazmerno povečevale glede na sestavo raztopine polimera.
Zakakasnitveni časi so se pojavljali kot zakasnelo razmešanje med CA in THF pri raztopinah
nižjih koncentracij in večjih debelinih nanosa (200 in 300 µm). Tako lahko ugotovimo, da na
zakasnitveni čas vplivata sestava raztopine polimera in debelina nanosa ternarnega sistema
CA/THF/voda.
Vpliv dodane vode na formiranje polimernih asimetričnih poroznih membran po postopku mokre fazne inverzije v ternarnem sistemu CA/THF : voda
41
6 LITERATURA
1. M. Mulder; Basic principles of membrane technology, Kluver Academic
Publishers Dordecht
2. Č. Stropnik, L. Oberš, V. Lahovnik; Mechanism of the polymer asymmetric
porous membrane formation by wet phase inversion
3. S. Pereira Nunes,Klaus-Viktor Peinemann; Membrane technology in the
chemical industry
4. K. C. Khulbe,C. Y. Feng,T. Matsuura; Synthetic Polymeric Membranes:
Characterization by Atomic Force Microscopy
5. J.Brenčič, M. Kočevar; Kemija-splošni priročnik, TZS 1993
6. http://wikipedia.org