DE19643566C2 - Method and device for membrane modification - Google Patents
Method and device for membrane modificationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Membranherstellungsverfah ren, bei dem per se bekannte Membranen durch Pfropf-co- Polymerisation chemisch modifiziert werden, und eine nach diesem Verfahren erhältliche modifizierte Membran.The invention relates to a membrane manufacturing process ren, in which membranes known per se by graft-co- Polymerization can be chemically modified, and one after modified membrane obtainable by this process.
Membranen werden in Abhängigkeit vom Trennprozeß mit sehr unterschiedlichen Stoffen konfrontiert, mit Gasen, Flüssigkeiten sowie Festkörpern. Entsprechend vielfältig sind daher auch die Wechselwirkungen innerhalb der Grenz schichten benachbarter Phasen.Membranes are dependent on the separation process faced with very different substances, with gases, Liquids and solids. Accordingly diverse are therefore also the interactions within the border layers of adjacent phases.
Um nun Membranen zu verbessern, sind diese bereits auf unterschiedlichste Weise durch physikalische oder chemi sche Prozesse modifiziert worden. Dabei sind schon die ver schiedensten Verfahren eingesetzt worden, beispielsweise photoinduzierte Pfropf-co-Polymerisation (surface photo grafting), Pfropfung mit ionisierender Strahlung (Grafting with ionization radiation), Plasmabehandlung (Plasma treat ment), Plasmapolymerisation (Plasma polymerization), Ko ronaentladung (Corona discharge) und Flammenbehandlung (Flame treatment). Alle diese Verfahren können erfindungs gemäß zum Einsatz gebracht werden, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird.To improve membranes, they are already on different ways by physical or chemi processes have been modified. The ver various processes have been used, for example photo-induced graft co-polymerization (surface photo grafting), grafting with ionizing radiation (grafting with ionization radiation), plasma treatment ment), plasma polymerization, Ko Corona discharge and flame treatment (Flame treatment). All of these methods can be fictional according to what is used below is discussed in more detail.
Es ist somit bekannt, Membranen chemisch zu modifizie ren, um dadurch deren Eigenschaften und somit deren Ein satzbereich zu verändern und/oder zu erweitern oder mit den modifizierten Membranen neue Trennaufgaben lösen zu können. Im einfachsten Fall wird dazu lediglich der mittlere Porendurchmesser bei gleichzeitiger Einengung der Durch messerverteilung verringert, so daß feinere Partikel in Ver bindung mit verbesserter Selektivität abgetrennt werden können, man vergleiche A. Oechel, Photochemisch indu zierte Gasphasen-Pfropf-co-Polymerisation von Acrylmo nomeren auf Ultrafiltrations-Membranen aus Polyacrylni tril; Dissertation Humboldt-Universität zu Berlin, 1995. Dieses Vorgehen kann bis zur Abdichtung der Poren geführt werden, wodurch ein Gasfluß ausgeschlossen wird.It is therefore known to chemically modify membranes ren, thereby their properties and thus their on to change and / or expand the range of terms or with the modified membranes solve new separation tasks can. In the simplest case, only the middle one is used Pore diameter while constricting the through Knife distribution reduced, so that finer particles in ver bond can be separated with improved selectivity can, see A. Oechel, Photochemisch indu adorned gas phase graft co-polymerization of Acrylmo nomers on ultrafiltration membranes made of polyacrylic tril; Dissertation Humboldt University Berlin, 1995. This procedure can lead to the sealing of the pores be, whereby a gas flow is excluded.
Es ist auch schon bekannt, Membranen zu modifizieren, indem man ihnen die Eigenschaften des Pfropflings über trägt, dabei jedoch gleichzeitig die Porenstruktur der Mem bran weitestgehend beibehält; diesbezüglich wird verwiesen auf M. Ulbricht, A. Oechel, C. Lehmann, G. Thomasch ewski, H. G. Hicke, in J. Appln. Polymer Sci. 55 (1995), 1707-1723.It is also known to modify membranes by transferring the properties of the graft to them while at the same time largely maintaining the pore structure of the membrane; in this regard, reference is made to M. Ulbricht, A. Oechel, C. Lehmann, G. Thomasch ewski, HG Hicke, in J. Appln. Polymer sci. 55: 1707-1723 ( 1995 ).
Es ist ferner bekannt, über die photoinduzierte Pfropfco- Polymerisation in Abhängigkeit von den eingesetzten Agen zien (Monomere, Initiatoren), die durch eine Flüssigkeit an die Membran herangeführt werden, die Hydrophilie/Hydro phobie der Membran gezielt einzustellen, man vergleiche M. Ulbricht, H. Matuschewski, A. Oechel, H. G. Hicke, in Proc. Euromembrane 1995 (Ed. W R. Bowen, R. A. Fields, J. A. Howell), Bath 1995, S. 398-401.It is also known to adjust the hydrophilicity / hydrophobicity of the membrane in a targeted manner via the photo-induced graft polymerization depending on the agents used (monomers, initiators) which are brought to the membrane by a liquid, cf. M. Ulbricht, H. Matuschewski, A. Oechel, HG Hicke, in Proc. Euromembrane 1995 (Ed. W R. Bowen, RA Fields, JA Howell), Bath 1995 , pp. 398-401.
Auf diese Weise ist es auch möglich, die Porenweite ge zielt zu verringern.In this way it is also possible to use the pore size aims to decrease.
Bei all diesen bekannten Verfahren wird eine Membran seite mit den Agenzien und der energiereichen Strahlung konfrontiert, um so die Eigenschaft dieser Membranseite gezielt zu verändern und die prozeßspezifische Eindringtiefe zu begrenzen.In all of these known methods, a membrane side with the agents and the high-energy radiation faced so the property of this membrane side specifically change and the process-specific penetration depth to limit.
Im einfachsten Fall wird die zu modifizierende Membran in Anwesenheit energiereicher Strahlung mit den chemi schen Agenzien überströmt, man vergleiche die oben ange führe Literaturstelle Oechel 1995. Es ist auch bekannt (C. Liu, C. R. Martin, Composite membranes from photochemi cally synthesis of ultrathin polymer films, Natur 352 (1991), 50-52), eine in Ruhe befindliche Trägerflüssigkeit innerhalb der Membranporen zu nutzen, die über die Unterseite durch Kapillaraszension eingebracht wurde. Dabei kann durch Anregung mit einer von oben herangeführten Xe-Lampe die radikalische Polymerisation erfolgen.In the simplest case, the membrane to be modified is flooded with the chemical agents in the presence of high-energy radiation; compare the Oechel 1995 cited above. It is also known (C. Liu, CR Martin, Composite membranes from photochemi cally synthesis of ultrathin polymer films, Natur 352 ( 1991 ), 50-52) to use a carrier liquid which is at rest within the membrane pores and which passes through the underside Capillary ascension was introduced. The radical polymerization can be carried out by excitation with an Xe lamp brought up from above.
Die bekannten Verfahren bzw. Techniken haben nun die Nachteile, daß sie zu einer dickenuneinheitlichen Polymer schicht, zu unterschiedlich großen Poren und/oder zu einem unkontrollierten Schichtwachstum führen.The known methods and techniques now have the Disadvantages that they become a non-uniform polymer layer, to different sized pores and / or to one lead to uncontrolled layer growth.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbesser tes Membranmodifierungsverfahren sowie eine verbesserte und insbesondere selektivere Membran bereitzustellen, die für Nanofiltrationsprozesse, Gasseparazion und Pervapora tion eingesetzt werden kann.The object of the present invention is to improve membrane modification process and an improved one and in particular to provide more selective membrane which for nanofiltration processes, gas separation and pervapora tion can be used.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Lehre der unabhän gigen Ansprüche.This task is solved by teaching independent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Membranmo difizierung werden somit poröse Membranen partiell che misch modifiziert, indem Monomere mit Hilfe eines trans membran strömenden Trägergases auf diejenige Seite der Membran transportiert bzw. geführt werden, die modifiziert werden soll. Bei der Pfropf-co-Polymerisation kann es sich dabei um jede übliche mit beliebiger Initiierung der chemi schen Reaktion (UV, Plasma, Laser usw.) handeln. Dabei können alle üblichen Polymerisationsverfahren der in der Beschreibungseinleitung erwähnten Art zur Anwendung ge bracht werden.In the inventive method for membrane mo Thus, porous membranes are partially differentiated mixed modified by using monomers with the help of a trans membrane flowing carrier gas to that side of the Membrane transported or guided, which modified shall be. Graft-co-polymerization can thereby any usual with any initiation of the chemi act (UV, plasma, laser, etc.). there can all the usual polymerization processes in the Introduction to the type mentioned application ge be brought.
Das Trägergas kann dabei in beliebiger Richtung, auch in wechselnder Richtung, transmembran durch die Membran strömen.The carrier gas can be in any direction, including in changing direction, transmembrane through the membrane stream.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine gezielte Einengung der Poren bis hin zur Abdichtung gegenüber ei nem hindurchströmenden Gas erreicht. Da sich die Poren durchmesser innerhalb einer Membranfläche unterscheiden, erfolgt letztlich eine durchmesserspezifische, also lokal und zeitlich versetzte Pfropf-co-Polymerisation, die, beginnend mit den größeren Poren und deren Einengung, mehr und mehr auch kleinere erfaßt, was letztlich bis zum Verschluß fortgeführt werden kann. Die Ausnutzung dieses sich selbst beschränkenden und sich letztlich durch Monomermangel selbst beendenden Pfropfprozesses führt bei vorzeitiger Un terbrechung des Reaktionsprozesses zu einer gegenüber der Ausgangsmembran engeren Porengrößenverteilung oder nach eigenständiger Beschränkung zu "dichten" Trennpha sen, wie sie in der Gasseparazion und der Pervaporation ein gesetzt werden können. Erfindungsgemäß können somit Membranen partiell modifiziert werden, indem man den Po lymerisationsfortschritt kontrolliert und steuert. Unter Nut zung des transmembranen Monomerstromes beliebiger Richtung und Einstellung des fließenden Volumens pro Zeit ist eine Kontrolle des Modifizierungsgrades möglich. So ist es beispielsweise möglich, den Modifizierungsprozeß jeder zeit zu unterbrechen und dadurch auf bestimmte Weise mo difizierte Membranen zu erhalten.The method according to the invention makes a targeted Narrowing of the pores up to the sealing against egg reached gas flowing through. Because the pores differentiate diameters within a membrane surface, there is ultimately a diameter-specific, i.e. local and staggered graft co-polymerization that begins with the larger pores and their narrowing, more and more also captured smaller, which ultimately until the closure can be continued. Taking advantage of this yourself restrictive and ultimately due to lack of monomers self-ending grafting process results in premature Un Interruption of the reaction process to one against the Output membrane narrower pore size distribution or after independent restriction to "dense" separation phase as they are used in gas parazion and pervaporation can be placed. According to the invention can thus Membranes can be partially modified by using the Po Lymerisation progress controls. Under groove generation of the transmembrane monomer stream any Direction and setting of the flowing volume per time the degree of modification can be checked. So is it is possible, for example, the modification process everyone time to interrupt and thereby mo to obtain differentiated membranes.
Erfindungsgemäß kann daher die Modifizierung zu einem bestimmten Zeitpunkt und somit wahlweise abgebrochen werden. Zudem ist die Polymerisation mehr oder weniger auf den Porenbereich der Membran beschränkt. Erfindungs gemäß wird somit ein Trägergas zur Heranführung der Mo nomere und vorzugsweise auch der gegebenenfalls benötig ten weiteren Agenzien zur Initiierung und/oder Aufrechter haltung des chemischen Prozesses eingesetzt.According to the invention, the modification to a certain point in time and thus optionally canceled become. In addition, the polymerization is more or less limited to the pore area of the membrane. Invention accordingly, a carrier gas for introducing the Mo nomers and preferably also those that may be required ten further agents for initiation and / or maintenance chemical process.
Vorzugsweise richtet man den Gasstrom von der unbe strahlten, nicht zu modifizierenden Seite zur bestrahlten, zu modifizierenden Seite der Membran hin. Zweckmäßiger weise leitet man die Restmonomere oberhalb der Membran ab. Die Pfropf-co-Polymerisation führt dabei im Strahlungs bereich zur Einengung und letztlich zum Verschluß der Membranporen. Geht man vereinfacht von einheitlichen Po ren aus, so hat die Pfropfung zur Folge, daß während der Po renverengung immer weniger Monomere hindurchströmen, bis letztlich mit dem Verschluß der Poren die Monomerver sorgung durch den Gasstrom eingestellt und der chemische Prozeß selbständig, auch bei fortdauernder Anregung, unter bunden wird. Angesichts der real existierenden Verteilung der Porendurchmesser, kann allerdings davon ausgegangen werden, daß anfänglich die Monomerversorgung durchmes serspezifisch erfolgt, da größere Poren intensiver durch strömt werden als engere Poren. Demzufolge erfolgt auch der chemische Prozeß zwischen Poren mit unterschiedli chem Durchmesser dahingehend differenziert, daß die Pfropfung innerhalb der größeren Poren schneller voran schreitet und hierüber eine Vereinheitlichung der Strö mungskanäle bewirkt wird.The gas stream is preferably directed from the unbe beamed, not to be modified side to the irradiated, too modifying side of the membrane. More appropriate wise one conducts the residual monomers above the membrane from. The graft-co-polymerization leads to radiation area for constriction and ultimately for closing the Membrane pores. To put it simply, one assumes a uniform bottom ren out, the grafting has the consequence that during the Po constriction less and less monomers flow through, until finally the monomer ver supply by the gas flow and the chemical Process independently, even with continued suggestion, under is bound. Given the real distribution the pore diameter, however, can be assumed be that initially the monomer supply specific because larger pores penetrate more intensely are flowing as narrower pores. As a result, too the chemical process between pores with different chem diameter differentiated in that the Grafting progresses faster within the larger pores steps and a unification of the streams channels is effected.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt, daß das Trägergas von der nicht zu modifizie renden Seite transmembran zur zu modifizierenden Seite hin strömt. Auch eine gegensätzliche Strömungsrichtung und auch ein Wechsel der Strömungsrichtung ist möglich. Ent scheidend ist lediglich, daß ein transmembraner Trägergas fluß erfolgt, damit die Monomere in die Poren hineingeführt werden. Strömt das Trägergas von der zu modifizierenden Seite transmembran zu der nicht zu modifizierenden Seite hin, dann kann es sein, daß eine Polymerisation auch an an deren Stellen als im Bereich der Poren stattfindet. Dessen ungeachtet findet jedoch die Polymerisation auch und gege benenfalls sogar primär im Bereich der Poren statt. Der Vor teil der bevorzugten Ausführungsform, bei der der Träger gasstrom von der nicht zu modifizierenden Seite zur zu mo difizierenden Seite hinströmt, liegt darin, daß die Pfropf-co- Polymerisation lokal begrenzter ist.However, the method according to the invention is not based on this limited that the carrier gas from the not to be modified side transmembrane to the side to be modified flows. Also an opposite flow direction and a change of flow direction is also possible. Ent the only difference is that a transmembrane carrier gas Flow takes place so that the monomers are introduced into the pores become. The carrier gas flows from the one to be modified Transmembrane side to the side not to be modified then, it may be that a polymerization also on whose places take place as in the area of the pores. Whose however, the polymerization also takes place against possibly even primarily in the area of the pores. The before part of the preferred embodiment in which the carrier gas flow from the side not to be modified to the mo flowing side, is that the graft co- Polymerization is locally limited.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren erhältliche modifizierte Mem bran.The invention also relates to one according to the invention Modified Mem obtainable according to the method bran.
Das aufzupfropfende Monomer wird im übrigen vorzugs weise in gasförmiger Form bzw. als Gas mit Hilfe des Trä gergases transportiert bzw. an die zu modifizierende Seite bzw. an und in die Poren herangeführt. Es ist jedoch auch möglich, die Monomere auf andere Weise heranzuführen, beispielsweise als Aerosol etc.The monomer to be grafted on is otherwise preferred wise in gaseous form or as gas with the help of the Trä gas gases transported or to the side to be modified or introduced to and into the pores. However, it is also possible to introduce the monomers in other ways, for example as an aerosol etc.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines, eine be vorzugte Ausführungsform erläuternden Ausführungsbei spiel es näher dargelegt.The invention is based on one, be preferred embodiment illustrative embodiment play it out in more detail.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine pho tochemisch induzierte Gasphasen-Pfropf-co-Polymerisation von Acrylmonomeren mittels eines transmembranen Stick stoffstromes an Ultrafiltrations-Membranen aus Polyacryl nitril durchgeführt. Dazu wird ein nachstehend näher be schriebener Reaktor zum Einsatz gebracht, der in der beilie genden, einzigen Figur schematisch und nicht maßstabsge treu sowie skizzenhaft dargestellt ist.According to the method according to the invention, a pho chemically induced gas phase graft co-polymerization of acrylic monomers using a transmembrane stick material flow on ultrafiltration membranes made of polyacrylic performed nitrile. This will be described in more detail below Written reactor used, which in the enclosed only single figure schematically and not to scale is faithful and sketchy.
Die per se bekannte Ultrafiltrations-Membran 1 teilt frei tragend einen Reaktor 2 in zwei Abteile 3 und 4.The ultrafiltration membrane 1 known per se divides a reactor 2 into two compartments 3 and 4 .
Das bei dem näher beschriebenen Beispiel verwendete Trägergas Stickstoff wird zusammen mit dem Monomer durch die Zuführung 5 in das Abteil 3 geleitet. Über die wei tere Zuführung 6 können weiteres Trägergas und weitere be nötigte Agenzien (beispielsweise Initiator) oder ein weiteres Monomer eingeleitet werden.The carrier gas nitrogen used in the example described in more detail is passed together with the monomer through the feed 5 into the compartment 3 . Further carrier gas and other necessary agents (for example initiator) or a further monomer can be introduced via the further feed 6 .
Die den Reaktor 2, der im übrigen temperierbar ist, tei lende Membran 1 kann nicht nur freitragend ausgestaltet sein, sondern auch durch einen geeigneten Träger gestützt sein, beispielsweise eine grobporöse Platte.The reactor 2 , which can be tempered, tei lende membrane 1 can not only be self-supporting, but also supported by a suitable carrier, for example a coarse-pored plate.
Die zu modifizierende Seite 7 der Membran 1 ist für die energiereiche Strahlung 8 zugänglich gestaltet. Die Strah lungsquelle muß die für die vorgesehene Pfropfung erfor derlichen Parameter (Wellenlänge und Intensität) erfüllen.The side 7 of the membrane 1 to be modified is made accessible for the high-energy radiation 8 . The radiation source must meet the parameters (wavelength and intensity) required for the intended grafting.
Die Membran 1 wurde zuvor durch Tränken in methano lischer Benzophenonlösung mit Benzophenon beladen, wel ches innerhalb der Porenstruktur adsorptiv am Polyacrylni tril gebunden ist.The membrane 1 was previously loaded with benzophenone by soaking in methanolic benzophenone solution, which is adsorptively bound to the polyacrylonitrile within the pore structure.
Der als Trägergas verwendete Stickstoff wird zusammen mit den von diesem Trägergas transportierten Bestandteile (Monomere etc.) aufgrund eines Überdruckes transmem bran und somit durch die Membran 1 hindurch in das mit UV-Licht durchflutete Abteil 4 gedrückt. Von dort werden das Trägergas und Restmonomer sowie weitere Bestandteile durch die Ableitung 9 abgeführt. Die Anreicherung des Trä gergases mit den notwendigen Agenzien sowie die Rückge winnung der die Membran passierenden Restmonomere er folgen außerhalb des Reaktors 2. Zur quantitativen Beherr schung und reproduzierbaren Gestaltung des Prozesses sind Druck- und Flußsensoren (nicht gezeigt) vorhanden.The nitrogen used as the carrier gas is pressed together with the components (monomers etc.) transported by this carrier gas due to an overpressure transmem bran and thus through the membrane 1 into the compartment 4 flooded with UV light. From there, the carrier gas and residual monomer and further constituents are discharged through the discharge line 9 . The enrichment of the carrier gas with the necessary agents and the recovery of the residual monomers passing through the membrane are carried out outside the reactor 2 . Pressure and flow sensors (not shown) are available for quantitative control and reproducible design of the process.
Auf der zu modifizierenden Seite 7 der Membran 1 erfolgt eine Radikalbildung über eine Wasserstoffabstraktion des Benzophenons von der Polymermatrix, wobei zweckmäßi gerweise andere Reaktionspartner (Monomere und Sauer stoff) abwesend sind. Durch die Anwesenheit des trans membran geführten Stickstoff/Methacrylsäure-Monomer- Gemisches kommt es zu einer Pfropf-co-Polymerisation und parallel zur Homopolymerisation im belichteten Porenbe reich der Membran.On the side 7 of the membrane 1 to be modified, radical formation takes place via a hydrogen abstraction of the benzophenone from the polymer matrix, with other reactants (monomers and oxygen) expediently being absent. The presence of the trans membrane-guided nitrogen / methacrylic acid monomer mixture leads to a graft-co-polymerization and parallel to the homopolymerization in the exposed pore area of the membrane.
Die Pfropfeffizienz (Verhältnis von Pfropf-co-Polymer zur Gesamtausbeute) ist sowohl von der Benzophenonkon zentration als auch von der Wellenlänge der UV-Strahlung abhängig. Mit der Temperatur erhöht sich die Gesamtaus beute und der Pfropfgrad. Als weiterer Parameter steht zur Steuerung des Prozesses und Steigerung der Reaktionsge schwindigkeit die Monomerkonzentration in der Gasphase zur Verfügung, die mit der Temperatur steigt.The graft efficiency (ratio of graft co-polymer to the overall yield) is both of the benzophenone concentration as well as the wavelength of UV radiation dependent. The total increases with temperature prey and the degree of grafting. Another parameter is available Controlling the process and increasing the response speed the monomer concentration in the gas phase available that increases with temperature.
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