BE1008230A3 - Werkwijze voor het vormen van een asymmetrisch keramisch membraan. - Google Patents

Abstract

Werkwijze voor het vormen van een asymmetrisch keramisch membraan, volgens dewelke men via natte weg een keramisch poeder op een poreuze drager aanbrengt en vervolgens aan een thermische behandeling onderwerpt, daardoor gekenmerkt dat men een suspensie vervaardigt van het keramisch poeder en een organisch bindmiddel in een solvent in een gewichtsverhouding van keramisch poeder tot bindmiddel die tussen 1 en 99 is gelegen, men deze suspensie door filmgieten op de poreuze drager aanbrengt, met het solvent door extraktie met een niet-solvent verwijdert, men het bindmiddel thermisch verwijdert en men sintert.

Description

Werkwijze voor het vormen van een asymmetrisch keramisch membraan.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vormen van een asymmetrisch keramisch membraan, volgens dewelke men via natte weg een keramisch poeder op een poreuze drager aanbrengt en vervolgens aan een thermische behandeling onderwerpt.

Keramische membranen met een asymmetrische toplaag van keramische poederdeeltjes worden veel gebruikt als filtratiemedia, in het bijzonder voor mikro-en ultrafiltratie. Deze membranen zijn immers vormvast en vertonen onder normale drukken geen merkbare vervormingen. Door de asymmetrie bezitten deze membranen voor een gegeven dikte een grote permeabiliteit. Ook weerstaan ze meestal aan hogere temperaturen dan organische membranen. Ze worden slechts langzaam geërodeerd door de vaste deeltjes in de te filtreren vloeistof en kunnen zeer hard worden gemaakt. In een groot aantal gevallen zijn ze zeer resistent tegen korrosieve chemische Produkten.

De meest gebruikelijke werkwijzen om via natte weg een asymmetrisch keramisch membraan te vormen zijn volgens de sol-geltechniek, waarbij men om over te gaan tot de relatief grote poriën van de poreuze drager naar de mikroporiën aan het oppervlak van het membraan meerdere laagjes aanbrengt. Dit aanbrengen van meerdere laagjes vergt meerdere stappen zodat deze werkwijzen tijdrovend zijn.

De uitvinding heeft tot doel dit nadeel te verhelpen en een werkwijze voor het vormen van een asymmetrisch membraan te verschaffen die zeer eenvoudig en snel is en toelaat in slechts één aanbrengbewerking een keramische asymmetrische laag, die dezelfde eigenschappen bezit als de meerdere lagen via de sol-geltechniek, volledig op de poreuze drager aan te brengen .

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat men een suspensie vervaardigt van het keramisch poeder en een organisch bindmiddel in een solvent in een gewichtsverhouding keramisch poeder tot bindmiddel die tussen 1 en 99 is gelegen, men deze suspensie door filmgieten op de poreuze drager aanbrengt, men het solvent door extraktie met een niet-solvent verwijdert, men het bindmiddel thermisch verwijdert en men sintert.

Door de keuze en de samenstelling van de suspensie en van de manier om het solvent te verwijderen, kan men de struktuur van de toplaag op de poreuze drager beïnvloeden.

Als niet solvent kan men water gebruiken.

In een doelmatige uitvoeringsvorm van de uitvinding gebruikt men als poreuze drager een buis.

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding gebruikt men als poreuze drager een drager van keramisch materiaal.

Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hiervolgende beschrijving van een werkwijze voor het vormen van een asymmetrisch keramisch membraan volgens de uitvinding. Deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet.

Om een asymmetrisch keramisch membraan volgens de uitvinding te vervaardigen, bereidt men een suspensie van een keramisch poeder in een oplossing van een polymeer bindmiddel in een solvent, brengt men deze suspensie op een keramische drager aan, vormt men het membraan door het verwijderen van het solvent, verwijdert men het polymeer en sintert men.

De suspensie bereiding.

In de eerste plaats lost men het polymeer, bijvoorbeeld polysulfon, in een organisch solvent op in een gewichtsverhouding van 1 tot en met 20% polymeer, in een mengtoestel met ontluchting en koeling.

Aan het mengsel voegt men keramisch poeder, in het bijzonder poeders uit de groep van oxides, carbides, nitrides of mengsels daarvan, bijvoorbeeld aluminiumoxide, met een gemiddelde diameter van 0,05 tot 5 mikrometer, toe in een gewichtsverhouding keramisch poeder tot polymeer tussen 1 en 99. Men mengt in een aangepast mengtoestel. De manier van mengen is afhankelijk van de viskositeit van de te bereiden suspensie, die op zijn beurt afhankelijk is van de aard van de keramisch poeder, de deeltjesgrootteverdeling van dit poeder, de vullingsgraad van dit poeder in de suspensie en de verhouding van het polymeer ten opzichte van het solvent.

Deze viskositeit kan varieëren van 1000 tot maximaal 1.000.000 centipoise. Suspensies met hogere of lagere viskositeit zijn niet geschikt om te worden aangebracht op een keramische drager.

Het aanbrencen van de suspensie op een keramische drager.

Men brengt de suspensie door middel van een gietkop (casting bob) aan op een keramische drager volgens de werkwijze die beschreven is in "Desalination", 79(1990)163-179. Deze drager kan vervaardigd zijn van een oxide, een Carbide, een nitride of een mengsel ervan. De keramische drager monteert men op een plaat die men omlaag kan bewegen in een precipitatiebad.

Indien men gebruik maakt van een buisvormige drager kan men een ronde gietkop gebruiken met een diameter die 50 tot 500 mikrometer kleiner is dan de binnendiameter van de keramische dragerbuis. Door middel van een aandrijfmechanisme laat men deze dragerbuis zakken met een snelheid van 0,1 tot 10 m/min. waardoor deze op de bovenaan door middel van een draad opgehangen gietkop wordt getrokken. Daarbij brengt de gietkop een homogene suspensielaag op de binnenwand van de dragerbuis aan.

Vervolgens leidt men de poreuze en beklede drager in een waterbad waar de membraanvorming plaatsvindt van het groene produkt door extraktie van het solvent met een niet-solvent. Een geschikt niet-solvent is bijvoorbeeld water. Hierna spoelt men de drager met het groene produkt met bijvoorbeeld water. Het nog overblijvende solvent verwijdert men tenslotte door middel van een behandeling met warm water.

Om een uniforme laag van de suspensie te verkrijgen, moet uiteraard de dragerbuis inwendig perfekt rond zijn met een maximale afwijking van 50 mikrometer.

Het thermisch verwijderen van het bindmiddel.

Vervolgens verwijdert men het bindmiddel, dit is het polymeer, door een thermische behandeling, ook calcinatie genoemd.

Bij het thermisch verwijderen van het polymeer, laat men de temperatuur stijgen met een snelheid gelegen tussen 10’C/h en 100°C/h. De temperatuurstijging per tijdseenheid moet immers worden gekontroleerd om beschadiging van de membraanlaag te voorkomen door de hevige gasontwikkeling ten gevolge van het vrijkomen van ontbindingsprodukten van het polymeer.

Het thermisch verwijderen van het polymeer voert men uit op een temperatuur die varieert tussen 300 en 800’C gedurende een periode die varieërt tussen 30 minuten en 3 uur.

De temperatuur waarbij de keramische poederdeeltjes aan elkaar worden gesinterd hangt uiteraard af van het poedermateriaal. Om te sinteren verwarmt men de keramische poederdeeltjes tot een temperatuur hoger dan 0,4 keer de smelttemperatuur van de keramische poederdeeltjes. Indien men evenwel vloeibaar fazesinteren toepast kan de sintertemperatuur lager liggen.

VOORBEELD.

De uitvinding zal nader worden geïllustreerd aan de hand van het volgende voorbeeld :

In een mengtoestel (High Speed Pendraulik TVD 10/S) met een mengbeker van 3 liter en aangesloten op een vacuümpomp (verder type N726 FTE) werden 252 gram polysulfon (Amoco

Chemicals type Udel P 1800 NT11) en 1148 gram N-methyl-2-pyrrolidon (Janssen Chimica type 14.9322.91 gemengd bij 2000 t/min gedurende 18 minuten.

Bij lagere rotatiesnelheid (465 t/min) werd verder gemengd terwijl met behulp van een vacuümpomp gedurende 18 min. ontlucht werd.

De verkregen gele stroperige oplossing die een temperatuur bezat van ongeveer 70*C en vrij was van luchtbellen, werd opgevangen in een glazen voorraadfles.

In een planetaire kogelmolen (type Retsch) werd in een teflon mengbeker van 250 ml en gevuld met respektievelijk 12 aluminiumoxide kogels met een diameter van 10 mm, 61,3 gram oplossing van polymeer/solvent en 99,2 gram aluminiumoxide (type CS 400M) toegevoegd.

Deze werden vervolgens respektievelijk als volgt gemengd : 5 min op 100 t/min.

120 min op 200 t/min.

30 min. op 260 t/min.

120 min. op 100 t/min.

30 min. op 50 t/min.

Vervolgens werd deze suspensie op een ronde keramische dragerbuis van aluminiumoxide aangebracht met behulp van een gietkop met een diameter van 5,6 mm. Deze dragerbuis bezat een porositeit van 40%, een gemiddelde poriëngrootte van 3,5 mikrometer, een buitendiameter van 10 mm, een binnendiameter van 6 mm met een afwijking die kleiner is dan 50 mikrometer en een lengte van 500 mm. Op deze dragerbuis werd 5 milliliter van de suspensie gespoten terwijl de dragerbuis tegenover de spuitkop met een snelheid van 3 m/min. werd verplaatst. De beklede dragerbuis werd met dezelfde snelheid in een waterbad op kamertemperatuur geleid.

Na een verblijftijd van 2 minuten in dit waterbad werd de dragerbuis gedurende 10 min. gespoeld met water op kamertemperatuur. Het restsolvent werd tenslotte verwijderd door indompelen in water van 75°C gedurende 60 min.

De dragerbuis met het groene membraan werd vervolgens in een oven onder stikstofatmosfeer geplaatst en opgewarmd tot 500°C met een temperatuurstijging van 50°C/h. De temperatuur van 500‘C werd gedurende 2 uur aangehouden voor het volledig verwijderen van het polysulfon, waarna de dragerbuis terug werd afgekoeld tot kamertemperatuur.

De dragerbuis met het membraan werd tenslotte in een luchtoven gebracht voor het sinteren. De temperatuur werd met 250’C/h verhoogd tot 1250'C en vervolgens met 50°C/h tot 1550°C. Deze laatste temperatuur werd 1 uur konstant aangehouden waarna de oven werd gekoeld tot kamertemperatuur.

Na het koelen van de oven werd er een keramisch membraan met een keramische drager verkregen met een gemiddelde poriëngrootte van 0,6 mikrometer gemeten met een Coulter porometer. De initiële waarden van waterflux en isopropanolflux bedroegen respektievelijk 8000 en 5500 L/hm2 bij 25'C en 1 bar drukverschil.

Met de hiervoor beschreven werkwijze is er in tegenstelling met de sol-geltechniek geen tussenlaag nodig maar bekomt men in één stap rechtstreeks een asymmetrische struktuur op de keramische drager.

De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvormen en binnen het raam van de oktrooiaanvrage kunnen aan de beschreven uitvoeringsvormen vele veranderingen worden aangebracht.

In het bijzonder moeten de keramische poederdeeltjes niet noodzakelijk aluminiumoxide zijn.

Ook de drager moet niet noodzakelijk van aluminiumoxide vervaardigd zijn. Hij kan trouwens van andere anorganische materialen vervaardigd zijn dan keramisch materiaal. Hij hoeft ook niet noodzakelijk een buis te zijn.

Het bindmiddel moet niet noodzakelijk polysulfon zijn en ook het organische solvent moet niet noodzakelijk N-methyl-2-pyrrolidon zijn.

Claims (6)

1. Werkwijze voor het vormen van een asymmetrisch keramisch membraan, volgens dewelke men via natte weg een keramisch poeder op een poreuze drager aanbrengt en vervolgens aan een thermische behandeling onderwerpt, daardoor gekenmerkt dat men een suspensie vervaardigt van het keramisch poeder en een organisch bindmiddel in een solvent in een gewichtsverhouding keramisch poeder tot bindmiddel die tussen 1 en 99 is gelegen, men deze suspensie door filmgieten op de poreuze drager aanbrengt, men het solvent door extraktie met een niet-solvent verwijdert, men het bindmiddel thermisch verwijdert en men sintert.

2. Werkwijze volgens vorige konklusie, daardoor gekenmerkt dat men als niet-solvent water gebruikt.

3. Werkwijze volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat men als poreuze drager een buis gebruikt.

4. Werkwijze volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat men als poreuze drager een drager van keramisch materiaal gebruikt.

5. Werkwijze volgens vorige konklusie, daardoor gekenmerkt dat men een drager gebruikt van een van de materialen uit de groep van oxides, carbides en nitrides of van een mengsel daarvan.

6.- Werkwijze volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat men als keramisch poeder een van de materialen uit de groep gevormd door oxides, carbides en nitrides of een mengsel daarvan, gebruikt.