Способ наномодифицирования синтетических полимерных мембран

Изобретение относится к технологии получения композитных мембран для мембранного разделения жидких и газообразных сред с селективным слоем, содержащим многослойные углеродные нанотрубки (УНТ). Способ включает формирование селективного слоя УНМ на полимерной микропористой подложке с применением ультразвукового диспергатора и последующую сушку. Селективный слой толщиной 6-8 мкм из УНТ и растворителя в виде устойчивой коллоидной смеси формируют путем пропускания 0,005-0,1%-ного раствора этой смеси через подложку при заданном давлении до достижения заданной селективности. Изобретение обеспечивает повышение стабильности процесса изготовления композитной мембраны с заданными транспортными свойствами (селективность и проницаемость) для мембранной обработки различных сред. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к способу получения композитных полимерных мембран, применяемых для очистки водных сред, с селективным слоем из углеродных нанотрубок и предназначено для получения композитных полимерных мембран, представляющих собой многослойное изделие, содержащее, по крайней мере два слоя. Такие мембраны могут быть использованы в химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Одним из способов повышения эффективности полимерных материалов является их модификация наночастицами (цеолит, графит, активированный уголь, фуллерены и т.д.).(H. StrathmannInMaterialsScienceofSyntheticMembranes, Lloyd, D.R, Ed.; ACSSymp. Ser. 269: ACS, WashingtonDC, pp 165-195 (1985)).

Известен также способ получения композитных полимерных первапорационных мембран [RU 2129910, 05.03.1997], включающий приготовление асимметричной микропористой подложки с последующим формованием на скип-слое подложки селективного диффузионного полимерного слоя. Согласно этому способу асимметричную микропористую подложку получают методом мокрого формования при нанесении раствора полиамида в апротонном полярном растворителе слоем на гладкую поверхность инертного материала с последующим погружением в осадительную ванну. На поверхности скип-слоя полученной подложки формируют диффузионный слой из поли-H-N,N,N,N-триметилметакрилоилоксиэтил аммониевой соли при нанесении водного раствора полимера на скин-слой микропористой подложки с последующей сушкой.

Существенным недостатком этого способа является необходимость дополнительной стадии, включающей приготовление микропористой подложки, что увеличивает временные и энергетические затраты, а также создает дополнительные экологические проблемы, в связи с использованием вредных химических реагентов при получении подложки. Полученная этим способом мембрана не может быть использована для выделения сложных эфиров, так как является гидрофильной, как и большинство известных композитных мембран.

Наиболее близким является способ получения композитных мембран с фуллерен содержащим полимерным селективным слоем для выделения эфиров в гибридном процессе получения алкил ацетатов [RU 2414953, МПК B01D 67/00, B01D 71/34, B01D 71/36, B01D 61/36, C08J 5/22, C01B 31/00, 27.03.2011]. Способ включает формование селективного диффузионного полимерного слоя на микропористой подложке, причем в качестве микропористой подложки используют микрофильтрационную мембрану из сополимера винилиденфторида с тетрафторэтиленом на лавсановой основе, селективный слой толщиной 6-8 мкм из смеси полифениленоксида и фуллерена С60 формируют путем нанесения 2%-ного раствора этой смеси на поверхность микропористой подложки с последующей сушкой, при этом используют смесь полифениленоксида и фуллерена С60, содержащую 0,5-2 мас.% С60, полученную при смешении растворов полифениленоксида в хлороформе и фуллерена С60 в толуоле с последующей ультразвуковой обработкой.

Недостатками этого способа являются нестабильность процесса формирования селективного слоя, содержащего углеродный наноматериал (УНМ), из-за сложности поддержания заданной толщины наносимого на подложку раствора, а также невозможность обеспечения контроля селективность мембранных элементов в процессе изготовления.

Технической задачей и технологическим результатом предлагаемого способа является создание композитной мембраны с заданными транспортными свойствами (селективность и проницаемость) для обработки жидкостей и газовых сред.

Поставленная техническая задача достигается тем, что заявляемый способ получения композитных мембран с УНМ-содержащим селективным слоем для проведения процесса мембранного разделения, включающий формирование селективного слоя УНМ на полимерной микропористой подложке с применением ультразвукового диспергатора и с последующей сушкой, согласно изобретению, селективный слой толщиной 6-8 мкм из углеродных нанотрубок (УНТ) и растворителя в виде устойчивой коллоидной смеси формируют путем пропускания 0,005-0,1%-ного раствора этой смеси через подложку при заданном давлении до достижения заданной селективности.

Для приготовления раствора УНТ может использоваться дистиллированная вода.

Для приготовления раствора УНТ может использоваться дистиллированная вода с добавлением ПАВ.

Для приготовления раствора УНТ могут использоваться органические растворители.

Формирование селективного слоя толщиной 6-8 мкм из УНТ и растворителя в виде устойчивой коллоидной смеси путем пропускания 0,005-0,1-ного раствора этой смеси через подложку при заданном давлении до достижения заданной селективности обеспечивает получение на микрофильтрационной подложке композитной мембраны с селективностью, которая может регулироваться до заданной величины в процессе формирования. Заданная селективность достигается тем, что пропускание коллоидного раствора до достижения заданной селективности мембраны означает, что в крупных сквозных отверстиях произошло осаждение нанотрубок, и все поры мембраны имеют одинаковый условный проход. Существенным преимуществом способа является использование серийно выпускаемых полимерных микрофильтрационных мембран в качестве подложки при создании ультрафильтрационных, нанофильтрационных и обратпоосмотических мембран, используемых в баромембранных процессах обработки жидкостей.

Использование коллоидных растворов УНТ для формирования мембран баромембранных процессов позволяет расширить перечень материалов, которые могут использоваться для изготовления микрофильтрационных мембран путем осаждения на их поверхности коллоидных растворов УНТ.

Использование для приготовления раствора УНТ дистиллированной воды, подвергаемой ультразвуковому диспергированию, обеспечивает получение устойчивого коллоидного состояния смеси и придание мембране гидрофильных свойств, которые могут использоваться, как и ацетатцеллюлозные мембраны, в обратноосмотических процессах.

Использование ПАВ для приготовления раствора УНТ позволяет снизить энергозатраты на приготовление устойчивого коллоидного раствора.

Использование органических растворителей для приготовления раствора УНТ позволяет получать мембраны с гидрофобными свойствами, что позволяет обрабатывать мембранным методом различные органические смеси (спирты, эфиры и др.), позволяет получать композитные мембраны для всего спектра баромембранного оборудования, в том числе для ультрафильтрации и проведения первапорационных процессов.

Используемые приборы и материалы

Нефелометр НФО предназначен для измерения коэффициентов яркости в направлениях, составляющих углы 45°, 90° и 135° с направлением освещающего пучка, а также для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности рассеивающих сред.

Мутномер (нефелометр) (HannaInstruments)HI 93703 соответствует стандарту IS07027, работающий в широком диапазоне от 0 до 1000FTU (NTU) с разрешением до 0,01 FTU.

Ультразвуковой диспергатор УЗГ-01.10 предназначен для приготовления тонких дисперсий и эмульсий с помощью многократной кавитационной обработки суспензии в ультразвуковом поле высокой интенсивности, которое создается в резонансной камере. Количество циклов обработки (циклов диспергирования) зависит от физико-механических свойств материала суспензии.

Технические характеристики ультразвукового диспергатора УЗГ-01.10

Мощность потребляемая, Вт 1000±20%
Частота колебаний, кГц 20±0,4
Производительность, л/мин 30-60
Напряжение/частота питания, В/Гц 220/50
Габаритные размеры генератора, мм 250×210×90
Длина/диаметр преобразователя и камеры, мм 1000/60

Для испытаний ООО «Нано Тех Центр» (Тамбов) были предоставлены образцы углеродных нанотрубок Таунит, обработанные в сухом виде в дезинтеграторе.

Технические характеристики УНТ «Таунит» приведены в табл.1

Таблица 1
№ п/п Характеристика Значение
1 Наружный диаметр, нм 20÷70
2 Внутренний диаметр, нм 5÷10
3 Длина, µм 2 и более
4 Общий объем примесей, % (после очистки) До 5 (до 1)
5 Насыпная плотность, г/см3 0,4÷0,6
6 Удельная геометрическая поверхность, м2 120-130 и более
7 Термостабильность, °C До 600

Получение композитных мембран с УНМ-содержащим селективным слоем для проведения процесса мембранного разделения путем формирования селективного слоя УНМ на полимерной микропористой подложке заключается в пропускании через микрофильтрационную подложку коллоидного раствора УНТ. В качестве микропористой подложки используют, например, микрофильтрационную мембрану из сополимера винилидепфторида с тетрафторэтиленом на лавсановой основе. Одновременно с помощью ультразвукового диспергатора УЗГ-01.10 готовят устойчивую коллоидную смесь УНТ и растворителя с концентрацией от 0,005-0,1% УНТ. Для приготовления раствора УНТ используют дистиллированную воду, дистиллированную воду с добавлением ПАВ, органические растворители. Готовый раствор заливают в накопительную емкость. Подложку закрепляют сетчатой перегородкой, установленной в герметичной камере, соединенной с насосом со стороны подложки. Из накопительной емкости насосом подают в полость камеры раствор, контролируя при этом изменение давления и достигаемую селективность на выходе из емкости с помощью нефелометра, одного из перечисленных выше. При достижении заданной селективности мембраны процесс нанесения прекращается. Подложку с нанесенной мембраной извлекают из емкости, промывают и подвергают сушке. В результате на подложке образуется селективный слой толщиной 6-8 мкм из УНТ.

Способ поясняется примерами его осуществления.

Пример 1. (получение ультрафильтрационной мембраны на микрофильтрационной подложке)

Паномодифицированную ультрафильтрационную мембрану с поверхностным слоем из УНТ толщиной 0,8-6 мкм получали пропусканием 0,005% масс. устойчивой смеси УНТ в дистиллированной воде через гидрофильную пористую подложку. Раствор подавали тангенциально к поверхности подложки под давлением 0,15-0,4 МПа. Смесь получали смешением 0,5 г УНТ с 10 л дистиллированной воды с применением ультразвукового диспергирования. Качество полученного слоя и структуру пористого пространства оценивали с помощью электронной микроскопии.

Процесс нанесения мембраны прекращали при достижении селективности, равной 90%.

Производительность мембраны площадью 0,078 м2 после работы в течение 180 мин для мембраны типа МФФК-1 составила 0,045 л/ч.

Производительность мембраны площадью 0,078 м2, полученной заявляемым способом, после работы в течение 180 мин составила 0,08 л/ч.

Таким образом, производительность в среднем увеличивается на 78%.

Пример 2. (получение обратноосмотической мембраны низконапорной на микрофильтрационной подложке)

Способ получения полученного слоя УНТ аналогичен описанному способу в примере 1. Сквозь гидрофильную подложку пропускали 0,05% масс. раствор УНТ в дистиллированной воде при давлении 1,2-2 МПа. Процесс нанесения мембраны вели до достижения селективности, равной 99,5%. Производительность мембраны типа МФФК-4 площадью 0,078 м2 после работы в течение 170 мин составила 0,081 л/ч.

Производительность мембраны площадью 0,078 м2, полученной заявляемым способом, после работы в течение 170 мин составила 0,141 л/ч.

Производительность в среднем увеличивается на 70-75%.

Пример 3. (получение нанофильтрационной мембраны на микрофильтрационной подложке)

Способ получения и характеризация полученного слоя УНТ аналогичны описанному в примере 1. Сквозь гидрофильную подложку пропускали 0,05% масс. раствор УНТ в дистиллированной воде при давлении 0,8-1,2 МПа до достижения селективности 70%.

Производительность нанофильтрационной мембраны типа ЭМН после работы в течение 550 мин составила 0,058 л/ч.

Производительность нанофильтрационной мембраны, полученной заявляемым способом, после работы в течение 550 мин составила 0,072 л/ч.

Эти данные показывают, что производительность в среднем увеличивается на 24-25%.

Таким образом, разработанный способ получения композитной мембраны позволяет получить новый тип мембраны с селективным слоем, основе УНТ на микрофильтрационной подложке, обладающий хорошими транспортными (мембранными) характеристиками.

1. Способ получения композитных мембран с УНМ-содержащим селективным слоем для проведения процесса мембранного разделения, включающий формирование селективного слоя УНМ на полимерной микропористой подложке с применением ультразвукового диспергатора и с последующей сушкой, отличающийся тем, что селективный слой толщиной 6-8 мкм из УНТ и растворитель в виде устойчивой коллоидной смеси формируют путем пропускания 0,005-0,1%-ного раствора этой смеси через подложку при заданном давлении до достижения заданной селективности.

2. Способ получения композитных мембран с УНМ-содержащим селективным слоем для проведения процесса мембранного разделения по п.1, отличающийся тем, что для приготовления раствора УНТ используют дистиллированную воду,

3. Способ получения композитных мембран с УНМ-содержащим селективным слоем для проведения процесса мембранного разделения по п.1 или 2, отличающийся тем, что для приготовления раствора УНТ используют дистиллированную воду с добавлением ПАВ.

4. Способ получения композитных мембран с УНМ-содержащим селективным слоем для проведения процесса мембранного разделения по п.1, отличающийся тем, что для приготовления раствора УНТ используют органические растворители.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области получения высокоэффективных фильтрующих материалов для сверхтонкой очистки воздуха и газов и может быть использовано при создании аэрозольных фильтров, средств индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания от различных аэрозолей, а в комбинации с другими фильтрующими материалами - в качестве финишного слоя.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов ниобата лития с бидоменной структурой, применяемых в устройствах нанотехнологии и микромеханики. .
Изобретение относится к области огнезащитных вспучивающихся композиций, используемых для снижения горючести и пожаростойкости материалов и конструкций. .
Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способам получения тонкодисперсных порошков на основе оксида циркония, который может быть использован для производства плотной износостойкой керамики, материалов для имплантологии, твердых электролитов.
Изобретение относится к нанотехнологиям и предназначено для получения высокопрочной трубчатой или комбинированной нити, пленки или ленты (разница только в ширине) нанотолщины из тройной структуры бор-углерод-кремний B-C-Si (насколько мне известно, оно не имеет названия, поэтому далее будем называть его, а точнее - наноизделия из него - «старброн»).

Изобретение относится к области изготовления поверхностных наноструктур и может быть использовано для изготовления устройств наноэлектроники, наноплазмоники, химических и биологических сенсоров, сенсоров на основе гигантского комбинационного рассеяния, СБИС и т.д.
Изобретение относится к способу получения водной суспензии коллоида благородного металла и его использования. .

Изобретение относится к области получения материалов на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и может быть использовано для изготовления композиционных керамических изделий, применяемых в электротехнике, машиностроении, химической, металлургической и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к биотехнологии и представляет собой способ получения композиции на основе белково-минеральных компонентов. .
Изобретение относится к композиции для изготовления материалов из древесины, содержащей олефины и сырьевые древесные материалы, применению олефинов для придания гидрофобности сырьевым древесным материалам и способу получения материалов из древесины из сырьевых древесных материалов.

Изобретение относится к поверхностям управления для летательного аппарата. .
Изобретение относится к способу получения водной суспензии коллоида благородного металла и его использования. .

Изобретение относится к способу получения средства для рентгенологических исследований путем обработки суспензии танталата элемента, выбранного из группы, включающей иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций в режиме ударных механических нагружений интенсивностью не менее 10 g, в присутствии натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), взятой в количестве 0,5-1,5 мас.% от общей массы.
Изобретение относится к области косметологии и представляет собой увлажняющий крем, содержащий гелеобразующий компонент, увлажняющий компонент глицерин, циклометикон DC 345 консервант, отдушку, биологически активную добавку и воду, отличающийся тем, что содержит в качестве биологически активной добавки дисперсию твердых липидных наночастиц размером от 50 до 300 нм с включенными в них очищенной водой, карнаубским воском, УФ-фильтром Бензофенон-3, децилглюкозидом, маслом черной смородины и стабилизатором дисперсии - пентиленгликолем, а в основу входят пропиленгликолевые экстракты лекарственных растений: ромашки аптечной (Matricaria chamomilla), зверобоя продырявленного (Hypericum perforatum) и череды трехраздельной (Bidens tripartitus) в соотношении 1:1:1, абрикосовое косточковое масло, структурообразователь COVACRYL MV 60, консервант Sharomix MCI, эмульгатор Solubilisant LRI и очищенная вода, причем компоненты в композиции находятся в определенном соотношении в мас.%.

Изобретение относится к преобразователям энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в производстве солнечных элементов.

Изобретение относится к подготовке нефти и может быть использовано в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности на стадии подготовки нефти к ее транспортировке и переработке для разделения водонефтяных эмульсий.
Изобретение относится к мембранной технологии и может найти широкое применение для очистки и разделения воды и водных растворов в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности, при опреснении морской воды, биотехнологии, при создании особо чистых растворов.

Изобретение относится к технологии получения композитных мембран для мембранного разделения жидких и газообразных сред с селективным слоем, содержащим многослойные углеродные нанотрубки. Способ включает формирование селективного слоя УНМ на полимерной микропористой подложке с применением ультразвукового диспергатора и последующую сушку. Селективный слой толщиной 6-8 мкм из УНТ и растворителя в виде устойчивой коллоидной смеси формируют путем пропускания 0,005-0,1-ного раствора этой смеси через подложку при заданном давлении до достижения заданной селективности. Изобретение обеспечивает повышение стабильности процесса изготовления композитной мембраны с заданными транспортными свойствами для мембранной обработки различных сред. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

Наверх