Rohrförmige Ultrafiltrationsmembranen sind ein Schlüsselprozess bei der Umwandlung von Polymer- oder Keramikrohstoffen in Trennmembranelemente mit spezifischer Trennleistung, mechanischer Festigkeit und stabiler Struktur durch präzise physikalisch-chemische Prozesse. Dieser Prozess kann wie folgt zusammengefasst werden: Rohmaterialvorbereitung → Trägervorbereitung → Trennschichtbildung → Formen und Aushärten → Nachbearbeitung und Prüfung → Modulverkapselung.
Rohstoffvorbereitung und Membranlösungsvorbereitung Der erste Schritt in der Produktion besteht in der Auswahl eines geeigneten Membranmaterials auf der Grundlage von Indikatoren wie dem angestrebten Molekulargewichtsgrenzwert, der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit sowie der mechanischen Festigkeit. Zu den gängigen organischen Membranmaterialien gehören Polyethersulfon (PES), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polypropylen (PP); Anorganische Membranen bestehen hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂) und Titandioxid (TiO₂).
Nach der Materialauswahl muss die Gusslösung präzise vorbereitet werden. Am Beispiel von PES oder PVDF werden sie typischerweise mit Lösungsmitteln (wie N,N-Dimethylacetamid, DMAC) und Zusatzstoffen (wie Polyvinylpyrrolidon, PVP) in einem bestimmten Massenverhältnis (z. B. Polymer 10–35 %, Zusatzstoffe 1–20 %, Lösungsmittel 50–89 %) gemischt. Die Mischung wird 12–48 Stunden lang bei 50–90 Grad gerührt, um eine vollständige Auflösung sicherzustellen, gefolgt von Filtration und Entgasung, um eine homogene und stabile Gießlösung zu bilden.
Vorbereitung der Stütze (Basisrohr): Um die empfindliche Trennschicht zu stützen und den Fluss sicherzustellen, müssen zunächst poröse Stützrohre vorbereitet werden. Es gibt zwei Hauptprozesse:
• Organisches Stützrohr: Vliesstoffbänder aus Polyester und Polyethylen werden auf einer automatischen Rohrwickelmaschine spiralförmig auf ein zentrales Metallrohr gewickelt. Die Verstärkung wird durch Schmelzkleber und Ultraschallschweißen erreicht, wodurch ein Stützrohr mit einer inneren und äußeren Vliesstoff-Verbundschicht entsteht.
• Anorganische Stützrohre: Diese aus Keramikpulvern wie Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid hergestellten Rohre werden als Aufschlämmungen hergestellt, extrudiert, getrocknet und dann bei hohen Temperaturen gesintert, um hochfeste Keramikrohre mit einer porösen Struktur zu bilden.
• Bildung der Trennschicht: Die Trennschicht ist der zentrale Faktor, der die Membranleistung bestimmt. Sein Bildungsprozess ist hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Nassphaseninversion und Verbundbeschichtung.
1. Nassphaseninversion (Hauptprozess): Dieser Prozess wird häufig in organischen röhrenförmigen Ultrafiltrationsmembranen eingesetzt. Die vorbereitete Gießlösung wird gleichmäßig auf die Innen- oder Außenwand des Stützrohrs aufgetragen, das dann in ein Koagulationsbad (normalerweise Wasser) getaucht wird. Zwischen der Membranlösung und dem Koagulationsbad kommt es zu einer Phasentrennung, wobei Lösungsmittel und Nichtlösungsmittel ausgetauscht werden und eine ultradünne Trennschicht mit asymmetrischer Struktur auf der Trägeroberfläche entsteht. Durch die Steuerung der Gießlösungsformulierung, der Temperatur, der Gelierungszeit und des Wassereinlasswinkels des Stützrohrs können die Porengröße und der Durchfluss der Membran präzise gesteuert werden.
2. Verbundbeschichtung: Um die Antifouling-Eigenschaften der Membran zu verbessern oder spezielle Trennfunktionen zu erreichen, wird häufig eine Verbundschicht auf der Oberfläche des porösen Trägers aufgebaut. Beispielsweise kann die Beschichtung der Innenwand eines PVDF-Stützrohrs mit einer hydrophilen PDA-Schicht (Dopamin) und die anschließende Ablagerung von GO-Nanoblättern (Graphenoxid) eine Komposit-Nanofiltrationsmembran mit hohem -Fluss und hoher -Abweisung-rate erzeugen. Bei Keramikmembranen kommt häufig ein mehrschichtiges Sol{6}}-Gel-Beschichtungsverfahren zum Einsatz, bei dem nacheinander Aluminiumoxid-, Böhmit- und Titandioxid-Nanosole auf einem grobporösen Träger abgeschieden werden, wodurch die Porengröße schrittweise vom Mikrometerniveau auf das Ultrafiltrationsniveau reduziert wird (<100 nm).
Formen, Aushärten und Nachbehandlung
Nach der Beschichtung muss die Membran geformt und ausgehärtet werden. Organische Membranschläuche werden abgekühlt und ausgehärtet und dann nach Bedarf auf Standardlängen zugeschnitten. Um die Flexibilität und Faltfestigkeit zu verbessern, werden sie manchmal in eine feuchtigkeitsspendende Lösung wie Glycerin getaucht. Keramikmembranen müssen getrocknet und bei hoher Temperatur gesintert werden, um eine starke Verbindung zwischen der Trennschicht und dem Träger sicherzustellen und eine stabile hierarchische Porenstruktur zu bilden.
Qualitätsprüfung und -kontrolle
Jede Produktcharge wird einer strengen Qualitätsprüfung unterzogen, um sicherzustellen, dass die Leistung den Standards entspricht. Zu den Schlüsselindikatoren gehören:
• Grundleistung: Reiner Wasserfluss unter Standarddruck (z. B. 0,1–0,25 MPa). • Trennleistung: Retentionsrate von Standardsubstanzen mit spezifischen Molekulargewichten (z. B. PEG, BSA) zur Bestimmung des Molekulargewichts-Cutoffs.
• Physikalische Eigenschaften: Aussehen, Abmessungen, Wandstärke, mechanische Festigkeit und Druckbeständigkeit.
Modulverkapselung: Die getesteten Membranschläuche werden verkapselt, um das endgültige röhrenförmige Membranmodul zu bilden. Der Kapselungsprozess umfasst:
1. Endversiegelung: Endkappen durch Erhitzen-auf beide Enden des Membranrohrs schmelzen oder kleben, um einen geschlossenen Hohlraum zu bilden.
2. Bündelung: Laden mehrerer Membranschläuche in das druckbeständige Gehäuse gemäß den Designanforderungen und Installieren von Einlass-/Auslassanschlüssen, Anschlüssen und anderen Komponenten.
3. Endkontrolle: Durchführung allgemeiner Luftdichtheits- und Drucktests am gekapselten Modul. Sobald es qualifiziert ist, kann es als Standardprodukt gelagert oder zur Verwendung geliefert werden.
