Titelaufnahme

Titel
Preparation and optimisation of polyethersulfone multi-channel capillary membranes / Martin Spruck
VerfasserSpruck, Martin
Betreuer / BetreuerinBechtold, Thomas
Erschienen2015
Umfang165, XXXIX S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2015
Datum der AbgabeOktober 2015
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Membrantechnik / Membranherstellung / Phaseninversionsprozess / Mehrkanal-Kapillarmembranen / Grenzflächenpolymerisation / Nanofiltration
Schlagwörter (EN)Membrane technology / Membrane preparation / Phase inversion process / Multi-channel capillary membranes / Interfacial polymerization / Nanofiltration
Schlagwörter (GND)Spinndüse / Polyethersulfone / Kapillarpermeabilität
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Membranverfahren haben sich in den letzten Jahrzehnten zu einer Schlüsselkomponente in verschiedenen industriellen und technischen Bereichen entwickelt. Polymermembranen sind aufgrund von ökonomischen Gesichtspunkten und ihrer Fähigkeit, unterschiedliche Strukturen zu bilden, am Markt etabliert. Um Membranen technisch einsetzbar zu machen, werden sie zu unterschiedlichen Modultypen weiterverarbeitet. Membranmodule werden durch verschiedene Eigenschaften in Bezug auf die Herstellungskosten, Packungsdichte oder Foulinganfälligkeit charakterisiert. Kapillarmodule sind aus rohrförmigen Kapillarmembranen aufgebaut und zeichnen sich durch ein vergleichsweise hohes Filterfläche/Modulvolumen Verhältnis, geringe Herstellungskosten und eine gute Kontrollierbarkeit der Konzentrationspolarisation aus. In der Fertigung von keramischen Rohrmembranen findet das Mehrkanalkonzept bereits seit Jahren Verwendung. Bei polymeren Werkstoffen kann damit die Packungsdichte und mechanische Stabilität von Kapillarmembranen verbessert werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit lag in der Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von Polyethersulfon (PES) Mehrkanal-Kapillarmembranen. Diese werden mittels eines modifizierten Nassspinnprozesses und einer speziell gefertigten Mehrkanal-Spinndüse hergestellt. Unterschiedliche Prozessparameter wie beispielsweise die Polymerkonzentration, Molekulargewicht und Anteil von Additiven, Länge des Air gaps, Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Zusammensetzung der Fällungsmittel sowie die Nachbehandlung mit Natriumhypochlorit (NaClO) wurden systematisch untersucht. Die Auswirkungen der Herstellungsparameter auf die Struktur und die Filtrationsleistung (Wasserpermeabilität und Rückhalt von Makromolekülen) wurden evaluiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass sich die unterschiedlichen Spinnparameter gegenseitig beeinflussen. Permeabilitätsmessungen und Rasterelektronenmikroskop (REM) Aufnahmen zeigten den starken Einfluss von Wasserdampf im Bereich zwischen Fällungsbad und Spinndüse. Die Porosität der Faserhülle wurde erhöht, was eine Reduktion des Membranwiderstandes und daraus resultierend eine deutliche Steigerung der Permeabilität zur Folge hatte. Die Nachbehandlung der Mehrkanalkapillarmembranen stellte einen entscheidenden Faktor hinsichtlich einer Optimierung der Membranleistung dar. Im Vergleich zu einer Lagerung in reinem Wasser konnte die Wasserpermeabilität durch eine Behandlung mit 5000 ppm Natriumhypochlorit um den Faktor 6 10 gesteigert werden. Eine Erhöhung der Spinntemperatur von 10 auf 50 C führte zu einer Verdoppelung des Wasserflusses, wobei ein Absinken des Makromolekülrückhalts (Dextran 500 kDa) von 95,4 auf 60,7 % ermittelt wurde. Aufgrund einer deutlich veränderten Membranporosität konnten diese Ergebnisse mittels REM Analyse bestätigt werden. Die Zugabe von Ethanol, Aceton oder Lösungsmittel zum internen oder externen Fällungsbad führte zu keinem eindeutigen Trend hinsichtlich der Membranpermeabilität. Die Ergebnisse zeigten eine Steigerung des Wasserflusses bei der Zugabe von Lösungsmittel zum Fällungsmittel. Ein hoher Anteil (>50 %) an Lösungsmittel resultierte in der Ausbildung einer unregelmäßigen Geometrie der Siebenkanalmembranen. PES Mehrkanalmembranen erscheinen aufgrund ihrer mechanischen Stabilität geeignet für den Einsatz als Nanofiltrationsmembranen (NF) im Niederdruckbereich (< 10 bar). Diese werden in der Regel als Dünnschicht Komposite Membranen gefertigt, welche sich durch eine dünne aktive Schicht, gestützt durch eine offenporige Struktur auszeichnen. Die Oberflächen der Mehrkanalkapillarmembranen wurden mittels eines Grenzflächenpolymerisationsprozesses beschichtet. Erste Ergebnisse zeigten, dass dieser Prozessschritt grundsätzlich durchgeführt werden konnte. In weiterer Folge wurde die NF Leistungscharakteristik durch gezielte Variation unterschiedlicher Prozessbedingungen verbessert. Der Magnesiumsulfat Rückhalt konnte durch eine gezielte Variation von Einflussparametern wie beispielsweise der Trocknungszeit, Reaktionszeit und Monomerverhältnis auf 91,4 % gesteigert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das Potential für weitere Optimierungen von PES Mehrkanal-Kapillarmembranen auf. Einerseits hinsichtlich einer Verbesserung der Filtrationsleistung des Membrangrundkörpers, andererseits in Bezug auf eine Weiterentwicklung der Mehrkanaltechnologie im Bereich der Nanofiltration.

Zusammenfassung (Englisch)

Membrane technology has emerged as a key component in a wide range of industrial applications. This growth is based on a consequent development of membrane materials, modules and operating modes. Due to economic aspects and their ability of forming a wide range of different structures, organic materials such as polyethersulfone (PES) or polyamide are used in a large majority of the technical processes. In order to provide large membrane areas, numerous module types have been developed. However, the modules have typical areas of application, with respect to their characteristic strengths and weaknesses in terms of production costs, packing density or fouling susceptibility. Capillary membranes are tubular shaped fibres, providing a comparatively large membrane area per module volume, low fabrication costs and a well control of concentration polarization. The multi-channel geometry that is already widespread in the fabrication of tubular ceramic membranes is able to increase the packing density and mechanical stability of polymeric capillary membranes. The aim of this work is the preparation, characterisation and optimisation of polyethersulfone multi-channel capillary membranes (MCM). Phase inversion of a homogeneous dope solution is the most important preparation process of polymer membranes. MCM fibres were fabricated by a modified wet-dry spinning procedure with a custom made seven needle spinneret. Various preparation parameters such as polymer concentration, molecular weight and content of a polymeric additive, length of the air gap and its humidity, temperature and composition of the precipitation medium or the post-treatment with an oxidising agent (sodium hypochlorite) were investigated. Effects on the fibre morphology and the separation performance (pure water flux and retention of macromolecules) were evaluated. The experimental results clearly illustrate that the spinning parameters are not independent from one another. Rheological analyses revealed a required minimum viscosity of the polymer solution in order to fabricate fibres with a sufficient wall thickness and mechanical strength. Water flux measurements and scanning electron microscopy (SEM) images showed the impact of water vapour in the air gap length. The porosity on the outer fibre shell was increased, which led to a reduction of the membrane resistance and a distinct increase of the permeation rate. Furthermore, the post-treatment procedure had a massive influence on the permeation performance of MCM. In contrast to fibres stored in pure water, a flux improvement by the factor 6-10 was observed for MCM post-treated with 5000 ppm sodium hypochlorite. The temperature of the internal and external coagulation medium (water) had a pronounced impact on the fibre structure, porosity and performance. An increase of the spinning temperature from 10 to 50 C led to a doubling of the permeation flux, whereas a decline of dextran retention from 95.4 to 60.7 % was obtained. The results were confirmed by SEM images, as overall porosity of the MCM fibre changed distinctly. Addition of ethanol, acetone or solvent to the internal and external precipitation medium led to a divergent development of the MCM permeability. Results revealed an increase of the membrane flux in terms of solvent addition to the coagulants. However, an excessive solvent content in the bore fluid led to a collapse of the multi-channel geometry. Due to their mechanical stability, fabricated PES multi-channel fibres appear to be suitable for low pressure (<10 bar) nanofiltration (NF) applications. NF membranes are generally fabricated as thin film composite membranes, characterised by a thin active polyamide layer located on the surface of a porous support material. The surfaces of the seven feed channels were coated by an interfacial polymerization process of two reactive monomers. First results showed that the preparation procedure of composite MCM fibres was generally practicable. The NF separation characteristics were improved in a subsequent optimisation process of the composite MCM. MgSO4 retention increased to 91.4 % by a variation of different production parameters such as drying duration, monomer ratio or the reaction time. The results of this work clearly indicate a potential for optimisation of PES multi-channel capillary fibres. On one hand, in terms of an enhancement of the separation performance, and on the other hand in terms of a further development of the polymeric MCM technology into the nanofiltration region.