Tubulární ultrafiltrační membrány jsou klíčovým procesem při přeměně polymerních nebo keramických surovin na separační membránové prvky se specifickým separačním výkonem, mechanickou pevností a stabilní strukturou prostřednictvím přesných fyzikálně-chemických procesů. Tento proces lze shrnout jako: příprava suroviny → příprava nosiče → tvorba separační vrstvy → lisování a vytvrzování → následné -zpracování a testování → zapouzdření modulu.
Příprava suroviny a příprava membránového roztoku Prvním krokem ve výrobě je výběr vhodného membránového materiálu na základě ukazatelů, jako je limit cílové molekulové hmotnosti, odolnost vůči teplotě a korozi a mechanická pevnost. Mezi běžné organické membránové materiály patří polyethersulfon (PES), polyvinylidenfluorid (PVDF) a polypropylen (PP); anorganické membrány se skládají hlavně z oxidu hlinitého (Al2O3), oxidu zirkoničitého (ZrO2) a oxidu titaničitého (TiO2).
Po výběru materiálu je potřeba přesně připravit licí roztok. Vezmeme-li jako příklady PES nebo PVDF, obvykle se mísí s rozpouštědly (jako je N,N-dimethylacetamid, DMAC) a přísadami (jako je polyvinylpyrrolidon, PVP) ve specifickém hmotnostním poměru (např. polymer 10-35 %, aditiva 1-20 %, rozpouštědlo 50-89 %). Směs se míchá při 50-90 stupních po dobu 12-48 hodin, aby se zajistilo úplné rozpuštění, následuje filtrace a odplynění za vzniku homogenního a stabilního odlévacího roztoku.
Příprava podpěry (základní trubice): Pro podepření křehké separační vrstvy a zajištění tavidla je třeba nejprve připravit porézní podpěrné trubky. Existují dva hlavní procesy:
• Organická nosná trubice: Pásky z netkané textilie, jako je polyester a polyetylen, jsou spirálovitě navinuty na kovovou centrální trubici na automatickém navíjecím stroji. Vyztužení je dosaženo pomocí tavného lepidla a ultrazvukového svařování, čímž se vytvoří nosná trubka s vnitřní a vnější kompozitní vrstvou z netkané textilie.
• Anorganické nosné trubky: Vyrobeny z keramických prášků, jako je oxid hlinitý a oxid zirkoničitý, tyto trubky jsou připravovány jako kaše, extrudovány, sušeny a poté sintrovány při vysokých teplotách za vzniku vysoce pevných keramických trubek s porézní strukturou.
• Tvorba separační vrstvy: Separační vrstva je hlavním faktorem určujícím výkonnost membrány. Proces jeho tvorby se dělí hlavně do dvou kategorií: inverze mokré fáze a kompozitní povlak.
1. Inverze mokré fáze (hlavní proces): Tento proces je široce používán v organických tubulárních ultrafiltračních membránách. Připravený licí roztok se rovnoměrně nanese na vnitřní nebo vnější stěnu nosné trubky, která se poté ponoří do koagulační lázně (obvykle vody). Mezi membránovým roztokem a koagulační lázní dochází k separaci fází, přičemž dochází k výměně rozpouštědel a -rozpouštědel, čímž se na povrchu nosiče vytváří ultratenká separační vrstva s asymetrickou strukturou. Řízením složení licího roztoku, teploty, doby želatinace a úhlu vstupu vody do nosné trubky lze přesně řídit velikost pórů a tok membrány.
2. Kompozitní povlak: Pro zlepšení vlastností membrány proti znečištění nebo pro dosažení speciálních separačních funkcí je často na povrchu porézního podkladu konstruována kompozitní vrstva. Například potažením vnitřní stěny PVDF nosné trubice hydrofilní vrstvou PDA (dopaminu) a následným uložením nanovrstvy GO (oxid grafenu) lze vytvořit kompozitní nanofiltrační membránu s vysokým -průtokem a vysokou-odmítavostí-. Keramické membrány často využívají vícevrstvý sol-gelový potahovací proces, při kterém se nanosoly oxidu hlinitého, boehmitu a oxidu titaničitého postupně ukládají na hrubou-porézní podložku, čímž se postupně zmenšuje velikost pórů od úrovně mikrometrů až po úroveň ultrafiltrace (<100 nm).
Tvarování, vytvrzování a následné{0}}ošetření
Po potažení je potřeba membránu vytvořit a vytvrdit. Trubky s organickou membránou jsou ochlazeny a vytvrzeny, poté podle potřeby nařezány na standardní délky. Aby se zlepšila flexibilita a odolnost proti přehybům, jsou někdy ponořeny do zvlhčovacího roztoku, jako je glycerin. Keramické membrány vyžadují sušení a vysokoteplotní slinování, aby se zajistila pevná vazba mezi separační vrstvou a podkladem a vytvořila se stabilní hierarchická struktura pórů.
Kontrola a kontrola kvality
Každá šarže produktů prochází přísnou kontrolou kvality, aby bylo zajištěno, že výkon splňuje normy. Mezi klíčové ukazatele patří:
• Základní výkon: Tok čisté vody pod standardním tlakem (např. 0,1-0,25 MPa). • Separační výkon: Míra retence standardních látek se specifickými molekulovými hmotnostmi (jako je PEG, BSA) pro stanovení mezní hodnoty molekulové hmotnosti.
• Fyzikální vlastnosti: Vzhled, rozměry, tloušťka stěny, mechanická pevnost a odolnost vůči tlaku.
Zapouzdření modulu: Testované membránové trubice budou zapouzdřeny, aby vytvořily konečný tubulární membránový modul. Proces zapouzdření zahrnuje:
1. Koncové utěsnění: Zahřátím-tavením nebo lepením koncových uzávěrů na oba konce membránové trubice se vytvoří uzavřená dutina.
2. Svázání: Vložení více membránových trubek do tlakově odolného pouzdra podle požadavků návrhu a instalace vstupních/výstupních portů, konektorů a dalších součástí.
3. Závěrečná kontrola: Provedení celkové vzduchotěsnosti a tlakových zkoušek na zapouzdřeném modulu. Jakmile je kvalifikován, může být skladován jako standardní produkt nebo dodán k použití.
