slide1 l.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
А.В. БИЛЬДЮКЕВИЧ PowerPoint Presentation
Download Presentation
А.В. БИЛЬДЮКЕВИЧ

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 40

А.В. БИЛЬДЮКЕВИЧ - PowerPoint PPT Presentation


  • 172 Views
  • Uploaded on

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ. ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН. Лекция 1. А.В. БИЛЬДЮКЕВИЧ. ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'А.В. БИЛЬДЮКЕВИЧ' - gwendolyn


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

  • ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

Лекция 1

А.В. БИЛЬДЮКЕВИЧ

slide2

ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

МЕМБРАНА - АКТИВНЫЙ ИЛИ ПАССИВНЫЙ БАРЬЕР, РАЗДЕЛЯЮЩИЙ ДВЕ ФАЗЫ, ЧЕРЕЗ КОТОРЫЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПРИЛОЖЕННОГО СИЛОВОГО ПОЛЯ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВА МЕЖДУ ЭТИМИ ФАЗАМИ

Схематичное изображение частично проницаемой мембраны во время гемодиализа, где красным изображена кровь, синим — жидкость,

а жёлтым — мембрана

slide3

ДВИЖУЩАЯ СИЛА ПРОЦЕССА ПЕРЕНОСА

ВЕЩЕСТВА ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ – РАЗНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ КОМПОНЕНТОВ:

Ji = K Δμ

  • ГРАДИЕНТ КОНЦЕНТРАЦИИ, ДАВЛЕНИЯ (ДИФФУЗИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВ, ИСПАРЕНИЕ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ);
  • ГРАДИЕНТ КОНЦЕНТРАЦИИ (ОСМОС, ДИАЛИЗ);
  • ГРАДИЕНТ ДАВЛЕНИЯ (ОБРАТНЫЙ ОСМОС, НАНО-, УЛЬТРА- И МИКРОФИЛЬТРАЦИЯ);
  • РАЗНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ (ЭЛЕКТРООСМОС, ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ, ЭЛЕКТРОДЕИОНИЗАЦИЯ).
slide4

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРИРОДЫ РАЗДЕЛЯЕМЫХ ФАЗ МЕМБРАНЫ И МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ ДЕЛЯТСЯ НА:

  • ЖИДКОФАЗНЫЕ (БАРОМЕМБРАННЫЕ, ДИАЛИЗ, ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ);
  • ГАЗОФАЗНЫЕ (ДИФФУЗИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВ);
  • ФАЗОИНВЕРСИОННЫЕ (ПЕРВАПОРАЦИЯ, МЕМБРАННАЯ ДИСТИЛЛЯЦИЯ, МЕМБРАННАЯ ЭКСТРАКЦИЯ, МЕМБРАННОЕ САТУРИРОВАНИЕ);
slide5

ЖИДКОФАЗНЫЕ (БАРОМЕМБРАННЫЕ) ПРОЦЕССЫ

Ультра

Фильтрация

100 - 10 nm

Нано

Фильтрация

10 - 1 nm

Микро

Фильтрация

10 um–100 nm

Обратный

Осмос

< 1 nm

цветность

жесткость

пестициды

коллоиды

вирусы

ооцисты

соли

коллоиды

вирусы

цветность

жесткостьпестицидысоли

вода

цветность

жесткость

пестициды

соли

вода

соли

вода

вода

slide6

ЖИДКОФАЗНЫЕ МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ,ЭЛЕКТРОДЕИОНИЗАЦИЯ:

ДИАЛИЗ

slide7

ФАЗОИНВЕРСИОННЫЕМЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Растворенный кислород

Вакуум и/или инертный газ

Поверхность раздела газ-жидкость в поре

МЕМБРАННОЕ САТУРИРОВАНИЕ

МЕМБРАННАЯ ДЕГАЗАЦИЯ

slide8

ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

МЕМБРАНЫ РАЗЛИЧАЮТСЯ ПО СТРУКТУРЕ:

  • ПОРИСТЫЕ (СПОСОБНЫ РАЗДЕЛЯТЬ ЧАСТИЦЫ ПО РАЗМЕРУ);
  • НЕПОРИСТЫЕ (СПОСОБНЫ ОТДЕЛЯТЬ ДРУГ ОТ ДРУГА МОЛЕКУЛЫ ПРИМЕРНО ОДИНАКОВОГО РАЗМЕРА);
  • СИММЕТРИЧНЫЕ (ИЗОТРОПНЫЕ);
  • АСИММЕТРИЧНЫЕ (АНИЗОТРОПНЫЕ);
  • СОСТАВНЫЕ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ;
  • ИМПРЕГНИРОВАННЫЕ (ЖИДКИЕ МЕМБРАНЫ НА ПОРИСТОЙ ПОДЛОЖКЕ)
slide9

Непористыми следует считать такие мембраны, в которых отсутствуют поры постоянных размеров, а проницаемость обеспечивается системой «дырок» флуктуационной природы. Для этих мембран характерна диффузионная проницаемость компонентов разделяемых систем.

Пористыми мембранами являются такие мембраны, в которых существует система сквозных пор, которые обеспечивают фазовую проницаемость компонентов разделяемой смеси.

slide10

ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

СИММЕТРИЧНЫЕ (ИЗОТРОПНЫЕ) МЕМБРАНЫ

Заряженная мембрана

Непористая (плотная)

мембрана

Симметричная пористая

мембрана

Изотропная пористая

мембрана (трековая мембрана)

slide11

ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

АСИММЕТРИЧНЫЕ МЕМБРАНЫ

Анизотропная

мембрана

Тонкопленочная

композитная мембрана

slide12

ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

Непористая (плотная)

мембрана

Симметричная пористая

мембрана

Анизотропная мембрана с двумя селективными слоями

Анизотропная

мембрана

slide13

ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

ЗАРЯЖЕННЫЕ ( ИОНООБМЕННЫЕ) МЕМБРАНЫ - высокомолекулярные материалы, молекулы которых содержат ионогенные группы, т.е. группы, способные к диссоциации и обмену подвижных ионов на ионы других соединений в растворе

В зависимости от строения они делятся на:

  • гомогенные, состоящие только из ионообменного полимера;
  • гетерогенные, состоящие из зерен ионообменного компонента, диспергированных в инертном связующем;
  • интерполимерные, в которых ионит и связующее надмолекулярно связаны

Строение анионообменной

мембраны

slide14

ПРОТОНПРОВОДЯЩИЕ МЕМБРАНЫ

Структура твердого

полимерного электролита «Nafion»

Водородно- кислородный топливный элемент с ионообменной мембраной

slide15

ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ - композиционные мембраны, селективный слой которых образован частицами, содержащимися в разделяемом растворе и формирующими разделяющий слой на пористой подложке

ДИНАМИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА

DJ2 = 1/J2 – 1/J02 = Kt

высокая проницаемость и практически неограниченный срок службы

slide16

ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

ЖИДКИЕ МЕМБРАНЫ представляют собой отдельный класс мембран. Для мембран этого класса транспорт ни в коей мере не определяется мембраной, а связан со специфической молекулой-переносчиком. Переносчик содержится в жидкости, которая локализована внутри пор пористой мембраны. Селективность разделения зависит в основном от специфичности молекулы переносчика.

Заполненные жидкостью

поры

Полимерная матрица

Жидкая мембрана на пористой подложке

slide17

ТИПЫ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

МЕМБРАНЫ РАЗЛИЧАЮТСЯ ПОГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЕ:

  • ПЛОСКИЕ (ПОЛОТНА, ЛИСТЫ, ЛЕНТЫ)
  • ТРУБЧАТЫЕ
  • ПОЛОВОЛОКОННЫЕ, КОТОРЫЕ ПОДРАЗДЕЛЯЮТСЯ НА:

ПОЛЫЕ ВОЛОКНА

(ВНУТРЕННИЙ ДИАМЕТР МЕНЕЕ 0,5 мм)

КАПИЛЛЯРНЫЕ МЕМБРАНЫ (ВНУТРЕННИЙ ДИАМЕТР ОТ 0,5 ДО 5 мм)

slide18

ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИМЕРНЫМ МЕМБРАНАМ

ОБЩИЕ ДЛЯ ВСЕХ ТИПОВ МЕМБРАН:

  • ВЫСОКАЯ РАЗДЕЛЯЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ (СЕЛЕКТИВНОСТЬ);
  • ВЫСОКАЯ УДЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ;
  • УСТОЙЧИВОСТЬ ПО ОТНОШЕНИЮ К КОМПОНЕНТАМ РАЗДЕЛЯЕМОЙ СМЕСИ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ КОМПОНЕНТАМ;
  • СТАБИЛЬНОСТЬ СВОЙСТВ ВО ВРЕМЕНИ;
  • НИЗКАЯ СТОИМОСТЬ

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ЗАВИСЯТ ОТ КОНКРЕТНЫХ УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ МЕМБРАН

slide19

ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИМЕРНЫМ МЕМБРАНАМ

ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ:

  • К КОМПОНЕНТАМ РАЗДЕЛЯЕМОЙ СМЕСИ;
  • К РЕАГЕНТАМ, ПРИМЕНЯЕМЫМ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ (МОЙКИ, CIP-CLEANING)
  • ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ВЕЩЕСТВАМ;
  • КОНСЕРВАНТАМ

ЗАВИСИТ ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ ОТ ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ПОЛИМЕРА, И ВЫБОР ТИПА ПОЛИМЕРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕМБРАН ПОЛНОСТЬЮ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ОБЛАСТЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕРИАЛА

ИМЕЮТСЯ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОТЛИЧИЯ В ХИМИЧЕСКОЙ И ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ СОБСТВЕННО ПОЛИМЕРА, КАК БЛОЧНОГО КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, И МЕМБРАН НА ЕГО ОСНОВЕ

slide20

ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ:

ПА-20

АЦ – ацетат целлюлозы

ТЦА – триацетат целлюлозы

ПА - полиамид

ПА

ПС-100

ТЦА

АЦ

Допустимый рабочий интервал pH

Изменение задерживания мембран во времени: 5 %-й раствор HCl (1, 3); 5 %-й раствор NaOH (2, 4).

slide21

ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИМЕРНЫМ МЕМБРАНАМ

ИНЕРТНОСТЬ МЕМБРАНЫ включает отсутствие химического или физико-химического взаимодействия с компонентами разделяемой смеси, приводящего к изменению ее свойств, а также низкую степень модификации (сорбционную емкость) по отношению к компонентам разделяемой смеси.

МЕМБРАННЫЙ МАТЕРИАЛ:

ПС - полисульфон

ПСА - полисульфонамид

ПА - полиамид

ПАН - полиакрилонитрил

АЦ - ацетат целлюлозы

РЦ - регенерированная целлюлоза

slide22

ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИМЕРНЫМ МЕМБРАНАМ

ИНЕРТНОСТЬ МЕМБРАНЫ

УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ ВОДОМАСЛЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

уравнение Лапласа

P = ( - cos)/r

P - капиллярное давление;  - межфазное натяжение в системе вода-масло;  - краевой угол смачивания; r - радиус пор мембраны.

slide23

ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИМЕРНЫМ МЕМБРАНАМ

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

  • УСТОЙЧИВОСТЬ К ТЕПЛОВЫМ (СТЕРИЛИЗУЮЩИМ) ОБРАБОТКАМ (обработка лекарственных и биологических препаратов)
  • НИЗКАЯ АДСОРБЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ

(обработка низкоконцетрированных растворов ферментных препаратов)

  • МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И ЭЛАСТИЧНОСТЬ МАТЕРИАЛА

(гофрирование при изготовлении патронных фильтров)

  • УСТОЙЧИВОСТЬ В СРЕДЕ ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ

(разделение неводных сред)

slide24

УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ

РАСТВОРИТЕЛЕЙ

1 – ацетон;

2 – метилэтилкетон;

3 - метанол;

4 – этилацетат;

5 – бутилацетат;

6 – этанол;

7 – пропанол;

8 – бутанол;

9 - октанол.

Пунктир - вода

1 - диметилформамид;

2 - формамид;

3 - диметилсульфоксид

ЗАВИСИМОСТЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ МЕМБРАНЫ М-40 ОТ РАБОЧЕГО ДАВЛЕНИЯ

slide25

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАНЫ М-40

И НАБУХАНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Коэффициент относительной проницаемости:

Уравнение Дарси:

Lp, = Jv  /P

* = Lp, / Lp,0

slide26

ПОЛИМЕРЫ ДЛЯ МЕМБРАН

В ПРОМЫШЛЕННЫХ МАСШТАБАХ В КАЧЕСТВЕ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕМБРАН РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ:

  • ЭФИРЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И РЕГЕНЕРИРОВАННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА
  • ПОЛИАМИДЫ
  • ПОЛИСУЛЬФОНЫ
  • ФТОРИРОВАННЫЕ ПОЛИМЕРЫ
  • АРОМАТИЧЕСКИЕ СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ
  • СОПОЛИМЕРЫ АКРИЛОНИТРИЛА
slide27

ЭФИРЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И РЕГЕНЕРИРОВАННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

Целлюлоза – полисахарид из остатков D-глюкопиранозы соединенных 1,4-β-глюкозидными связями. Стереорегулярный высокоориентированный кристаллический полимер. Нерастворим в обычных органических растворителях.

ЭФИРЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ:

  • ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ
  • ПРИМЕНЕНИЯ:
  • Гемодиализ
  • Микрофильтрация
  • Ультрафильтрация

Нитрат целлюлозы (микрофильтрация)

Ацетаты целлюлозы (микрофильтрация,

ультрафильтрация, обратный осмос)

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ:

Высокая гидрофильность

Устойчивость к органическим растворителям

Термостойкость

slide28

ПОЛИСУЛЬФОНЫ

используются в качестве базовых материалов для УФ и МФ мембран, в качестве пористых подложек для ОО мембран и основного барьерного слоя в газоразделительных мембранах последовательно с проницаемыми слоями из силоксанов и других эластомеров.

Полисульфон ( «UDEL» «Ультросокс», ПС–Н, Ультрасон S)

Полиэфирсульфон («Виктрекс», «Ультрасон Е»)

Полифениленсульфон («Родель»)

slide29

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

РАЗЛИЧНЫХ МАРОК ПОЛИСУЛЬФОНОВ

* Данные производителя, эксклюзионная хроматография в метиленхлориде.

**Данные производителя, светорассеяние в N-МП.

slide30

ПОЛИАМИДЫ

  • Полностью алифатические (алифатическими являются мономеры, как двухосновной кислоты, так и диамина);
  • Ароматические (мономер двухосновной кислоты является ароматическим, а диамина - алифатическим);
  • Полностью ароматические (ароматическими являются мономеры, как кислоты, так и диамина).

Полиамиды всех перечисленных классов пригодны для использования в качестве мембран (МФ, УФ, ОО, НФ, газоразделение).

slide31

НЕКОТОРЫЕ МОНОМЕРЫ ДЛЯ СИНТЕЗА АРОМАТИЧЕСКИХ ПОЛИАМИДОВ

п- и м-фенилендиамин

изо- и тере-фталоилхлориды

хлорангидрид

4,4/-дифенил-дикарбоновой кислоты

2, 4-диаминотолуол

бис(п- аминофенил)эфир

ангидрид пиромелитовой кислоты

бис(п- аминофенил)сульфон

гидразиды изо- и терефталевой кислоты

2,4-диизоцианотолуол

slide32

Длина водородной связи N-H----O может характеризовать структуру полимера и является критичной с точки зрения его растворимости

l > 3,3 Ǻ - полимеры растворимы в органических растворителях

l< 3,3 Ǻ - растворяются только в сильных минеральных кислотах

slide33

АЛИФАТИЧЕСКИЕПОЛИАМИДЫ - лидирующая позиция в производстве микрофильтрационных мембран

АРОМАТИЧЕСКИЕПОЛИАМИДЫ - широкое промышленное применение в обратном осмосе, ультрафильтрации, газоразделении

Недостаток обратноосмотических мембран на основе арамидов – низкая устойчивость к растворенному в воде хлору при длительной эксплуатации. Включение объемного хлора в кольцо приводит к нарушению системы межмолекулярных связей –C=O---HN:

Повышение проницаемости и химической стойкости к окислителям:

slide34

ФТОРИРОВАННЫЕ ПОЛИМЕРЫ:

Политетрафторэтилен (тефлон, ПТФЭ, Ф-4)

Поливинилиденфторид (ПВДФ, Ф-2).

Сополимер винилиденфторида с

тетрафторэтиленом (фторопласт Ф-42)

Сополимер винилиденфторида с трифторэтиленом (фторопласт Ф-32)

Гидрофобные фторопластовые МФ мембраны выпускаются из тефлона (ПТФЭ) и поливинилиденфторида (ПВДФ), гидрофилизированные ПВДФ-мембраны используются для обработки молочных продуктов.

slide35

Физико-химические свойства фторполимеров Кирово-Чепецкого

химического комбината

slide36

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТРЕКОВЫХ МЕМБРАН

  • ПОЛИМЕР, РЕГИСТРИРУЮЩИЙ ТЯЖЕЛЫЕ ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ
  • МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
  • УСТОЙЧИВОСТЬ К ДЕЙСТВИЮ БОЛЬШОГО ЧИСЛА РАСТВОРИТЕЛЕЙ И ХИМИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ
  • ВЫСОКАЯ ТЕРМОСТОЙКОСТЬ
  • ОДНОРОДНОЙ ПО ТОЛЩИНЕ, МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЕ, СТЕПЕНИ КРИСТАЛЛИЧНОСТИ
slide37

ПОЛИМЕРЫ ДЛЯ ТРЕКОВЫХ МЕМБРАН

высокая прочность,

химической стойкость

термостойкость

ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ (ПЭТФ)

уступает ПЭТФ по прочностным свойствам

близок по термостойкости

биологически инертен

уникальная термо- и радиационной стойкость, стойкость к действию кислот и щелочей, окислителей, практически не растворимы в большинстве органических растворителей

поликарбонат

полиимид

slide38

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ МЕМБРАН

  • кремнийорганические полимеры
  • полиамиды
  • полиимиды

полидиметилсилоксан

поливинилтриметилсилан

политриметилсилилпропин

полиимид

силансилоксановые блоксополимеры

slide39

ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОЛИМЕРОВ

D-коэффициент диффузии,

σ - коэффициент растворимости,

dc/dx ~ движущая сила