DE2621519C3 - Verfahren zur Herstellung von asymmetrischen permselektiven Zellulosetriacetatmembranen mit Skinschicht - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von asymmetrischen permselektiven Zellulosetriacetatmembranen mit SkinschichtInfo
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Description
a) daß das eingesetzte Cellulosetriacetat eine Viskosität, gemessen als 2%ige Lösung in
Methylenchlorid/Methanol 9/1, gemessen nach Höppler bei 25° C, von 7,5 cP bis 10 cP besitzt,
der Acetylgehalt mindestens 43% beträgt und die Konzentration an Triacetat in der Gießlösung
zwischen 12 und 30% liegt,
b) das Verhältnis von Aceton zu eigentlichem Lösungsmittel der Triaceiats 1, 25 :1 bis 3,0 :1
beträgt,
c) die Konzentration an Quellmitteln in der Gießlösung 5-15% beträgt und jo
d) das Quellmittel der Triacetatlösung als letzte Komponente zugesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Lösungsmittel für Triacetat, J5
Dioxan oder Dimethylsulfoxid einsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Dimethylsulfoxid
als Lösungsmittel 2 bis 6% desselben, bezogen auf Gesamtgießlösung, eingesetzt werden, wobei die m>
Cellulosetriacetat-Lösung bei -10 bis —400C
hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Dimethylsulfoxid
als Lösungsmittel 20% desselben, bezogen auf J">
Gesamtgießlösung, eingesetzt werden, wobei die Cellulosetriacetat-Lösung bei Raumtemperatur hergestellt
wird.
5. Verwendung einer nach Anspruch 1 hergestellten, getemperten Membran zur einstufigen Meer- -.·>
wasserentsalzung und einer nach Anspruch 1 hergestellten ungetemperten Membran zur Brackwasserentsalzung.
6. Permselektive asymmetrische Cellulosetriacetatmembran,
dadurch gekennzeichnet, daß sie nach >> dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 4 hergestellt ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von asymmetrischen permselektiven Zellulosetriacetatmembranen
mit Skinschicht auf mindestens einer Seite der Membran, wobei man ein Zellulosetriacetat in
einem Lösungsmittelgemisch löst, das aus Aceton, einem Lösungsmittel für Triacetat und einem Quellmittel
für Triacetat besteht, die Lösung zu einer Membran vergießt, diese 2 bis 90 Sekunden exponiert und dann in
kaltem Wasser fällt und anschließend gewünschtenfalls in Wasser, das gegebenenfalls ein Modifizierungsmittel
enthält, bei 50 bis 1000C tempert und gegebenenfalls
nach Behandlung mit einer Mischung von Glacerin und Wasser trocknet sowie die nach diesem Verfahren
hergestellten Membranen und ihre Verwendung. Solche Membranen eignen sich zur osmotischen Trennung,
insbesondere für die selektive Diffusion einer '.ösungskomponente
sowie für die Umkehrosmose, wobei insbesondere die Entsalzung von Meerwasser und
Brackwasser hervorgehoben sei.
Es gibt eine Reihe von Membranen, die bis zu einem gewissen Grad die Eigenschaft besitzen, selektiv
gegenüber verschiedenen Komponenten von Lösungsgemischen permeabel zu sein. So besitzen beispielsweise
gewisse Membrane ein Rückhaltevermögen für Ionen, während sie Wasser durchlassen. Andere
Membranen haben selektiv unterschiedliche Durchlaßgeschwindigkeiten für zwei oder mehr verschiedene
nicht-ionische Komponenten und wieder andere Membrane gehören zum Typ der sogenannten Molekularsiebe.
Derartige Eigenschaften haben breite Anwendbarkeit, beispielsweise zur Zurückgewinnung von Wasser
aus Salzlösungen, z. B. bei der Meerwasserentsalzung, der Wasserenthärtung oder der Reinigung von Abwässern,
der Wiedergewinnung kleiner Mengen gelöster oder kolloid-disperser Substanzen aus Lösungen, der
Aufkonzentrierung von Lösungen oder Dispersionen oder der Trennung oder Reinigung von makromolekularen
oder kolloidalen Stoffen aus Lösungen, die niedermolekulare Verunreinigungen enthalten. Im letzteren
Falle sind z. B. die Reinigung von Blut und die Anwendung in künstlichen Nieren besonders bekannte
Beispiele.
Ein für die Großtechnik wichtiges Anwendungsgebiet ist die Meer- und Brackwasserentsalzung zur Gewinnung
von Trinkwasser. Hier werden Membrane aus vollsynthetischen Polymeren, insbesondere Polyamidhydrazidmembrane,
Membiane aus Mischungen von Cellulosediacetat und -triacetat sowie Mehrschichtenmembrane
aus einer Celluloseester-Trägermembran, die mit Cellulosetriacetat beschichtet ist, vorgeschlagen
und eingesetzt. Meerwasser hat ca. 35 000 ppm Trokkensubstanz bzw. Salze; Trinwasser darf maximal
500 ppm Salze haben. Um das Wasser bei einem Durchgang durch die Membran hinreichend zu reinigen,
wäre eine Salzrejektion (R) von theoretisch 98,6% notwendig. In der Praxis jedoch, bedingt durch gewisse
unabänderliche Verlustfaktoren, ist hierfür eine Salzrejektion (R) von 99,5% erforderlich. Die Salzrejektion R
ist jedoch nicht das einzige Kriterium einer solchen Membrane. Die Membrane muß auch eine genügende
Durchflußleistung (D) aufweisen, um technisch brauchbar zu sein. Als unterste Grenze der Wirtschaftlichkeit
gilt ein Wert von D=400 l/m2 · d.
Bekannte Membrane kranken meist daran, daß sie bei hoher Salzrejektion eine zu geringe Durchflußleistung
haben oder umgekehrt. Die DE-AS 15 70 163 (Loeb) zeigt eine Acetatmembran, die aber in der Leistung
nicht genügt. Als Verbesserung zeigt die DE=AS 21 15 969 Membranen aus Cellulose-2^-acetat, die aus
Salzwasser mit einem NaCI-Gehalt von 5000 ppm (0,5%) eine Durchflußleitung von 1001 Wasser pro m2
Membranfläche in 24 Stunden aufweisen, wobei der Salzgehalt des durchgetretenen Wassers noch 600 ppm
(0,06% = /? = 88%) beträgt. Bei höherer Salzrejektion zur Erzielung eines Permeats mit 100 ppm
(0,01% = Ä=98%) Salz ist jedoch durch Durchflußleistung nur noch 40 l/m2 · d. Man muß also das Permeat
mehrmals durch eine Membran schicken, um eine genügende Entsalzung zu erzielen, also »mehrstufig«
arbeiten. Daher wird z. B auch in einer Publikation (4th International Symposium on Fresh Water from the Sea,
Vol.4, 285-295 (1973) ausgeführt, daß mit den bekannten Membranen sich nur Brackwasser mit einem
Salzgehalt von etwa 1% üu Trinkwasser aufbereiten läßt Bei höhertn Ausgangskonzentrationen shxl entweder
die Leistung, d. h. der spezifische Durchfluß, oder das Rückhaltevermögen (Salzrejektion) der Membranen
zu gering.
Die einstufige Meerwasserentsalzung ist jedoch wirtschaftlicher als die mehrstufige und wäre daher von
großer technischer Wichtigkeit
In der Technik wird Cellulosediacetat verwendet, obwohl grundsätzlich bekannt ist, daß Cellulosetriacetat
für die Entsalzung theoretisch besser geeignet sein müßte (Riley et al 3rd International Symposium on
Fresh Water from the Sea, Vol. 2, 551-560, [1970]). Es
hätte den Vorteil einer höheren Beständigkeit gegen
hydrolytischen und biologischen Angriff a';j Diacetat
Der Hydrolysebeständigkeit kommt in soweit besondere Bedeutung zu, als der pH des Meerwassers etwa 8,5
beträgt, Diacetatmembranen jedoch nur unter Ansäuerung bei pH 6 eingesetzt werden können. Die
Notwendigkeit der Beschaffung, die Lagerung und Dosierung von Schwefelsäure ist besonders bei
entlegenen Einsatzgebieten von Nachteil. So zeigt bei jo einem verschärften Versuch zur alkalischen Hydrolyse
bei pH 11,5 und 500C eine Triacetatfolie nur eine Abnahme des Acetylgehaltes (bezogen auf 100%
Acetyigehalt im Ausgangsmaterial) auf 37,9% nach 4 Stunden, während eine Diacetatfolie eine Abnahme des
Acetylgehaltes von 100% auf 5,8% zeigt
Es ist jedoch bis jetzt nur gelungen, Cellulosetriacetat in Mischung mit Cellulosediacetat in den sogenannten
Mischungsmembranen (Membranen vom Blend-Typ) oder als dünne Deckschicht von Mehrschichtenmembranen
zu verwenden. Diese sind aber sehr aufwendig in der Herstellung.
Aus der GB-PS sind Membranen aus Mischungen von Triacetat und Diacetat bekannt, die nach dem
Fällungsverfahren hergestellt sind, jedoch zeigt die GB-PS, daß ab einem Verhältnis von Diacetat/Triacetat
von 40 :60 die Leistung rapide abfällt, was wohl darauf
zurückzuführen sein dürfte, daß dort Acetylgehalte unter 42,7% empfohlen werden und die GieOlösung
überwiegend aus Aceton, einem Nichtlöser für Triacetat aber Lösungsmittel für biacetat, besteht.
Aus der US-PS 38 84 801 sind ebenfalls Mischmembrane
aus Diacetat mit einem kleineren Anteil Triacetat bekannt, wobei jedoch die Membran nicht nach dem
Fällungsverfahren sondern durch Vergießen eines Filmes und Trocknenlassen hergestellt werden. Deshalb
muß dort auch ein gesondertes Porenbildungsmittel mitverwendet werden, daß geringeren Dampfdruck hat
als das Lösungsmittel.
Diese Mischungsmembranen oder, wie sie auch genannt werden, Membranen vom Bjendtyp, sind
sowohl hinsichtlich der chemischen Beständigkeit als auch der tatsächlichen Leistung unzufriedenstellend und
bis jetzt ist es nicht gelungen, weitgehend aus Triacstat bestehende Membranen mit zufriedenstellender Leistung
zu erzielen.
Die Erzielung einer Skinschicht bei Cellulosetriacetat ist bisher gescheitert, weil Cellulosetriacetat schwer
verarbeitbar und nur in wenigen Lösungsmitteln löslich ist und die Lösungen hohe Viskosität haben. Außerdem
ist es bekannt (DE-AS 15 70 163 und 21 15 969), daß Membranen aus höher substituiertem Acetat wesentlich
weniger durchlässig sind als solche aus Diacetat, so daß die Durchflußleistung zu gering ist Die Entsalzungswirksamkeit von Celluloseaceteten steigt zwar mit dem
Acetylierungsgrad (Riley a,a.O.), jedoch sinkt die
Durchlässigkeit für Wasser ganz erheblich ab. Eine Konsequenz der niedrigen Durchlässigkeit von Celluloseacetat
allgemein für Wasser ist daher die Forderung nach einer extrem dünnen, aktiven Schicht (Skinschicht)
der Membranen zur Erzielung wirtschaftlicher Durchflußraten.
Die herkömmlichen Membranfilter aus Cellulosediacetat zeigen an sich keine brauchbaren Entsalzungseigenschaften
und müssen daher in Wasser bei 70 bis 90° C getempert v/erden. Die TemperuBg ist allerdings mit
einem starken Verlust an Durchflußleistung verbunden. Die direkte Übertragung dieser Temperung bei
Diacetat in Wasser war bis jetzt a··' Triacetatmembrar.en
noch nicht möglich.
Sogenannte Iniegralmembrnnen, also Membrane aus nur einer Schicht, die aber hinreichend dick ist, um
handhabbar zu sein, wären jedoch wesentlich günstiger als Mehrschichtenmembrane.
Integralmembrane sind in der Herstellung einfacher. Sie könnten grundsätzlich in einem Guß aus nur einem
homogenen Material hergestellt werden. Wegen der Dichtheit von Triaceiatmembranen, die keine hinreichende
Durchflußleistung gestatten einerseits und wegen der weiteren Schwierigkeit, daß es bisher nicht
gelungen ist Triacetatmembranen zu tempern, um ihre Eigenschaften hinreichend zu verbessern, wurden bisher
keine integralen Triacetatmembranen eingesetzt.
Das häufigste derzeit verwendete Membranfilter ist. wie erwähnt ein Diacetatfilter, das nach dem sogenannten
Loeb-Verfahren hergestellt wird. Versuche, das Loeb-Verfahren auf Cellulosetriacetat zu übertragen.
führte zu unbefriedigenden Ergebnissen. Skiens und Mahon (DE-OS 19 23 187) und J. Appl. Poly, Sei. 7. 1549
(1?63) erzielten einen Durchfluß von 57 l/m2 · d bei
einer Salzrejektion von 92,5% (ausgehend von I %iger NaCI) (48,9 bar). Die günstigsten in der Literatur
beschriebenen Ergebnisse (Saltonstall 3rd International Symposium on Fresh Water from ihe Sea. Vol. 2.
579—586 [1970]) mit Triacetatmembranen zeigen einen Durchfluß von 180 l/m2 - d und eine Salzrejektion von
98,7% bei einer Ausgangssalzkonzentration von 3.5% NaCI und 105 bar Druckdifferenz. Die Membranen
wurden aus Aceton/Dioxan mit Methanol- und Maleinsäurezusätzen gezogen und es ist gleichzeitig angegeben,
daß Gemische aus Diacetat und Triacetat den reinn Komponenten vorzuziehen sind. Abweichend
vom Loeb-Verfahren können z. B. Cellulosetnacetatmembranen auch durch Schmelzextrudie/en mit Si'lfolan
und Polyäthylenglyko! hergestellt werden. Dabei werden aber nur unzureichende Ergebnisse erzielt
(Davis et al ACS Polym. Prepr. 12(2), 378 (1971).
Sämtliche bis.ier beschriebenen Membranen aus
reinem Cellulosetriacetat sind den Loeb-Membranen auf der Basis von Cellulosediacetat unterlegen.
Es wurde jedoch überraschend gefunden, daß es wohl möglich ist, unter bestimmten Bedingungen asymmetrische
Integralmembrane aus Cellulosetriacetat unter bestimmten Bedingungen herzustellen und gewünschtenfalls
auch zu tempern. Solche Membranen sind Für verschiedene Niederdruckverfahren, beispielsweise die
Wasserenthärtung oder die Zuckerkonzentrierung in ungetempertem Zustand verwendbar. Sie können durch
ein bestimmtes Temperverfahren für die einstufige Meerwasserentsalzung brauchbar gemacht werden.
Die Hauptschwierigkeit bei Triacetat ist die geringe ->
Auswahl an Lösungsmitteln und die im erforderlichen Konzentrationsbereich (14 bis 18%) sehr hohen
Lösungsviskositäten. Diese treten besonders dann auf, wenn in Analogie zu bekannten Verfahren eines der
beiden in Frage kommenden leichtflüchtigen, wasser- ι ο mischbaren Lösungsmittel (Dioxan. Tetrahydrofuran)
anstelle von Aceton das ein Nichtlösungsmittel für Triacetat aber ein Lösungsmittel für Diacetat ist
verwendet wird.
Als Hauptkomponente sämtlicher bekannter Gießlö- ι -, sungen zur Herstellung von Celluloseacetatmembranen
des I.oeb-Typs hat sich bisher nur Aceton bewährt. Die Anwendung erheblicher Acetongehalte scheint eine
Voraussetzung des Loeb-Verfahrens zu sein.
Da Cellulosetriacetat (TA) in Aceton unlöslich ist. jo
müssen den Cellulosetriacetat-Gießlösungen andere Lösungsmittel zugesetzt werden. Die dabei erforderlichen
Mengen richten sich nach dem Polymerisationsgrad des Triacetats: |e höher das Molekulargewicht, um
so mehr echtes Lösungsmittel (z. B. Dioxan, Dimethyl- r, Milfoxid) ist erforderlich. Nach einem bekannten
Verfahren werden Dioxan : Aceton-Verhältnisse von deutlich mehr als 1:1 angewandt (King, Hoernschemeyer
und Saltonstall in »Reverse Osmosis Membrane Research« Plenum Press. New York-London 1972, Seite in
!48).
Anmeldungsgegenstand ist demnach ein Verfahren
der eingangs genannten Gattung, das dadurch gekennzeichnet ist.
!5
a) daß das eingesetzte Zellulosetriacetat eine Viskosität,
gemessen als 2%ige Lösung in Methylenchlorid/Methanol 9/1. gemessen nach Höppler bei
25" C. von 7,5 cP bis 10 cP besitzt, der Acetylgehalt mindestens 43% beträgt und die Konzentration an
Triacetat in der Gießlösung zwischen 12 und 20% liegt.
b) das Verhältnis von Aceton zu eigentlichem Lösungsmittel des Triacetats 1,25:1 bis 3,0:1
beträgt.
c) die Konzentration an Quellmitteln in der Gießlösung 5— 15% beträgt und
d) das Quellmittel der Triacetatlösung als letzte Komponente zugesetzt wird.
50
Es ist überraschend, daß Formamid zuletzt zugesetzt werden muß und dies für die Qualität der Membranen
von wesentlicher Bedeutung ist
Als Triacetat werden solche Sorten verwendet, deren Viskosität gemessen als 2%ige Lösung in Methylenchlorid/Methanol
9/1. gemessen nach Höppler bei 25° C, maximal 10 cP beträgt Viskositäten um 7,5 cP bis 10 cP
sind sehr geeignet Der Acetylgehalt beträgt mindestens ca. 43%. insbesondere 433% oder mehr. Reines
Triacetat hätte einen Acetylgehalt von 443%, der jedoch in der Praxis kaum erreicht wird. Die Sorten
T 900 und T 700 der Firma Bayer sind z. B. sehr gut geeignet
Die Konzentration an Triacetat in der Gießlösung kann allgemein zwischen etwa 12 und 20% liegen,
beträgt jedoch vorzugsweise 14 bis iS%. Der Formamidgehalt der Endlösung kann bei 5 bis 15%,
bezogen auf Gesamtmischung Hegen, beträgt jedoch vorzugsweise 8 bis 12%. wobei ein maximales
Verhältnis von 1 : I, bezogen auf Polymeres, nicht überschritten wird. Das gut brauchbare Verhältnis liegt
zwischen 0,5 : 1 bis 0,75 : I und das bevorzugte Verhältnis zwischen 0.6 : 1 und 0.65 : I. Das Optimum
liegt bei ca. 10% Formamid in der Gesamtmischung.
Das Verhältnis von Formamid zu Polymereni soll zweckmäßig konstant gehalten werden. Bei Veränderung
der Polymerkonzentration soll demnach auch die Konzentration an Formamid verändert werden.
Wie erwähnt erhält die Gießlösung mehr als 40% Aceton, bezogen auf Gesamtmischung. vorzugsweise
jedoch mehr als 50% Aceton. Das Verhältnis von Aceton zu eigentlichem Lösungsmittel. /. B. Dioxan.
beträgt 1.25 : I bis 2.5 : 1, insbesondere 1.75 : 1 bis mehr
als 3 : I und liegt bei Dioxan zweckmäßig bei 1,75 bis 2.25 : I, wobei ein Optimum bei etwa 2 : 1 liegt. Bei
DMSO als Lösungsmittel liegt das Verhältnis vorzugsweise bei 2 : 1 bis 3 : I.
Die Menge an Aceton + Lösungsmittel, z.B. Dioxan. beträgt ca. 70 bis 80% der Gesamtmischung, wobei der
Rest aus dem Triacetat und Formamid besteht.
Bei Verwendung von Dimethylsulfoxid (DMSO) als Lösungsmittel kann gewünschtenfalls eine Modifizierung
der Gießlösung dann vorgenommen werden, wenn die Herstellung der Lösungen bei Temperaturen
wesentlich unter O0C vorgenommen wird. Stellt man die CTA ' ösungen bei Temperaturen von -10 bis -40" C.
vorzugsweise bei —15 bis — 25' C, z. B. bei -20'C her,
dann genügt die Verwendung von 2 bis 6%. vorzugsweise 3 bis 5% DMSO. wobei ein Optimum bei etwa 4%
liegt, während bei der Herstellung von CTA-Lösungen bei Raumtemperatur zweckmäßig ca. 20% DMSO.
bezogen auf Gesamtmischung bzw. auf Gesamtgießlösung, mit Vorteil eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird sie bei Raumtemperatur gehalten und verarbeitet.
Beim Vergießen der Lösungen auf der Maschine beträgt die bevorzugte Schichtdicke nach dem Gießen
ca. 300 μ, wobei es besonders bevorzugt ist. eine lösungsmitteldampfhaltige Atmosphäre über der Gießmaschine
und der gegossenen Folie aufrecht zu erhalten. Die Lösung kann auch mit beispielsweise einer
Rakel von 300 mm Wehrhöhe auf Glasplatten gezogen werden. Die in der Praxis anzuwendenden Expositionszeiten, also die Zeit zwischen dem Gießen und Ausfällen
in Wasser, betragen bis zu 45 Sekunden, wobei insbesondere bei Dioxan als Lösungsmittel Verdunstungszeiten
von 5 bis 15 Sekunden bevorzugt werden, wenn keine nachfolgende Temperung erfolgen soll und
keine lösungsmitteldampfhaltige Atmosphäre >"ber der
gegossenen Membran vorliegt Falls die Atmosphäre über der gegossenen Membran partiell mit Lösungsmitteln
gesättigt ist oder bei niedrigerer Temperatur als Raumtemperatur gearbeitet wird, können die Verdunstungszeiten
erhöht werden, und zwar bis zu 90 Sekunden obwohl Zeiten bis ca. 45 Sekunden in diesem
Fall bevorzugt sind.
Die Fällungstemperatur ist 0 bis I0Cz. B. Eiswasser.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, insbesondere wenn Dioxan als Lösungsmittel in der Gießlösung vorliegt,
zum Gießen Lösungen zu verwenden, die 12 bis 72 Stunden gealtert sind, vorzugsweise 24 Stunden. Es wird
bei Temperaturen nicht über Raumtemperatur vergossen, wobei die dem Fachmann an sich bekannten
Variationen zu berücksichtigen sind Für die Herstellung
der Lösungen wurde schon erwähnt, daß bezüglich der Zugabe der Lösungskomponenten das Quellmittel, also
Formamid, immer zuletzt zugegeben werden muß.
Durch die Alterung der Gießlösung steigt die Salzrejektion, die bei 1- bis 2tägiger Alterung ein
Maximum zeigt. Auch die Durchflußleistung wird mit der Alterung erhöht.
Eine der Merkmale der bekannten Loeb-Membran ist die Temperung in reinem Wasser bei Temperaturen
unter dem Siedepunkt von Wasser. Es ist bisher nicht gelungen, Cellulosetriacetatmembranen in Wasser unter
Verbesserung ihrer Eigenschaften zu tempern. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß erfindungsgemäß hergestellte
Membranen eine Verbesserung ihrer Eigenschaften durch Tempern zugänglich sind und dieser Effekt
durch gewisse Zusätze noch stark gesteigert werden kann. Während die Temperung von Cellulosediacetat.·
membranen auf ä50°C zu einer Durchflußminderung führt, die im Bereich von 75 bis 95°C sehr steil und
beinahe linear verläuft, jedoch eine ausgeprägte Ztiii,ihme der Salzrejektion zur Folge hat, zeigen die
erfindungsgemäöen Membranen beim Tempern in reinem Wasser eine etwa gleichbleibende Membrankonstante zwischen etwa 25 und 75°. Dies ist äußerst
überraschend. Bei den Membranen aus Cellulosediacetat nimmt man durch Durchflußverminderung in Kauf,
da sie erst durch das Tempern in Wasser von 70 bis 85°C überhaupt entsalzungswirksam werden. Triacetatmembranen
dagegen sind per se schon entsalzungswirksam und bei Membranen der Erfindung kann diese
Wirksamkeit durch das Tempern noch gesteigert werden.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen können dieje Gießlösungen noch bis zu 20% einer niederen
Carbonsäure oder bis zu 10% einer niederen Oxycarbonsäure
oder Dicarbonsäure(Ci-Ct)enthalten.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung:
Beispiel 1
Es wurde folgende Gießlösung hergestellt:
Es wurde folgende Gießlösung hergestellt:
16% Cellulosetriacetat (T 700 Bayer)
24% Dioxan
50% Aceton
24% Dioxan
50% Aceton
dieser Lösung wurden dann am Ende noch 10% Formamid zugesetzt.
Die Herstellung der Membranen erfolgte nach der seit Einführung der Loeb-Membrane bekannten Methode
durch Aufrakeln auf Glasplatten unter Verwendung eines Streichgerätes für Dünnschichtchromatographie
(Marke Desaga), Wehrhöhe: 300 μ.
Exposition bei Raumtemperatur (zur Verdunstung von Lösungsmitteln) 30 sek.
Fällung durch senkrechtes Einstellen der Platten in aqua dest.0 bis 1°C.
Soweit zu Vergleichszwecken die klassische CeIIuIosediacetatmembrane
von Loeb-Manjikian nach der Literatur hergestellt und unter identischen Bedingungen
geprüft wurde, hatte die Gießlösung folgende Zusammensetzung:
Vergleichsbeispiel
25% Cellulosediacetat
(E398-3, Eastman Kodak)
30% Formamid
45% Aceton.
30% Formamid
45% Aceton.
Die Herstellung erfolgt im übrigen wie oben beschrieben.
Die erhaltene erfindungsgemäße Membran hatte nach einer 2 Minuten in Wasser mit 5% Diacetin
durchgeführten Temperung Durchflüsse von ca. 600 I/ m2 ■ d bei /?=99,6, während die Loeb-Membran bei
400 l/m2 ■ d ein Λ von 92,25 aufwies.
Die gleiche Gießlösung wie in Beispiel 1 wurde auf einer Laborgießmaschine gezogen. Die Bedingungen
waren wie folgt:
wie in Beispiel
250 μ
250 μ
Gießlösung:
Wehrhöhe:
Umdrehungsgeschwindigkeit
der Gießtrommel: 0,5 upm.
Verweilzeit
ander Luft:
Luftzufuhr:
Fällbad:
Wehrhöhe:
Umdrehungsgeschwindigkeit
der Gießtrommel: 0,5 upm.
Verweilzeit
ander Luft:
Luftzufuhr:
Fällbad:
45 sek.
27 i/min
entionisiertes Wasser mit Zusatz von
0,01% Netzmittel (Monflor 51, ICI)
rc.
Auf diese Weise konnten Membranen erbalten werden, die bei D=400ein /? = 99,75 aufwiesen, bzw. bei
D=650 ein/? = 99,5.
Beispiele 3 bis 7
Die Beispiele zeigen eine Reihe von GieOlösiingen
sowie die Daten einiger dabei erhaltener Membranen.
Die Gießlösung wurde entweder an der Raumatmosphäre oder (bei kontrollierter Gießatmosphäre) in der
Glove-Box mit Hilfe eines Camag-Dünnschichtstreichgerätes auf Glasplatten 200 χ 200 mm aufgerakelt. Nach
einer bestimmten Verdunstungszeit wurden die Platten senkrecht in das Fällbad (aqua dest.. 1—2°C) gestellt.
Bei den Ziehungen in Raumatmosphäre wurde dazu die Kühlmittelwanne eines Lauda-Ultrakrysostaten verwendet,
sonst befand sich die Fällbadwanne in de
Glove-Box.
Glove-Box.
3 18% T 900 (Cellulosetriacetat)
18% DMSO
18% DMSO
10% Formamid*)
54% Aceton
Viskosität: 17 800 cP(j?rri=24 300)
DMSO/Aceton = 25/75
4 18% T 900 (Cellulosetriacetat)
26% DMSO
26% DMSO
46,2% Aceton
3,8% Maleinsäure
6% Methanol
Viskosität: 21 000 cP
DMSO/Aceton = 36/54
Viskosität: 21 000 cP
DMSO/Aceton = 36/54
5 18% T 900 (Cellulosetriacetat)
27,7% DMSO
27,7% DMSO
44,5% Aceton
9,8% Milchsäure*)
Viskosität: 24 50OcP
DMSO/Aceton = 38/62
9,8% Milchsäure*)
Viskosität: 24 50OcP
DMSO/Aceton = 38/62
6 18% T 900 (Cellulosetriacetat)
20% DMSO
20% DMSO
*) Diese Komponente muß der fertigen Losung zugesetzt
werden.
20% Ameisensäure
2% Maleinsäure
40% Aceton
40% Aceton
20% T 900 (Cellulosetriacetat)
20% DMSO
20% DMSO
3% Ameisensäure
57% Aceto;·
57% Aceto;·
Die folgende Tabelle zeigt einige Daten der so erhaltenen Membranen.
NnCI-Rejektion und Durchflußrate (0,5% NaCI, 100 bar)
GieBlösung
Bsp.
Bsp.
t
(sek.)
(sek.)
A · 105
6 30 10,0
Vor Temperung mit Formamid behandelt:
7 15 15,3
Vor Temperung mit Formamid behandelt:
Temperung | /?NaO | D |
rc) | (%) | (Im2· d) |
76 | 8,0 | 2800 |
99,0 | 302 | |
76 | 12,5 | 3360 |
99,3 | 445 |
Die Verwendung eines neuen Lösungsmittelsystems, nämlich Aceton/Dioxan 2/1 + 10% Formamid führt zu
einer Membran, die auch einer speziellen Temperung zugänglich ist Die Membran liefert nach Temperung
Durchflüsse von ca. 600 l/m2 · d bei /? = 99,6%. Eine so
hergestellte Membran hat bei Einsatz von 3,5%iger NaCI-Lösung und 105 bar eine Salzrejektion von 99,5%
bei einer Dtirchflußieistung D von ca. 700 l/m2 · d und
bei der kritischen Durchflußleistung von 400 l/m2 · d zeigt sie schon eine Salzrejektion von 99,8%. Zum
Vergleich dazu zeigt unter den gleichen Bedingungen eine Loeb-Membran, also die beste im Einsatz
befindliche Membran, bei U= 400 ein R = 99,25 und
erreicht auch bei Durchflußleistungen unter 300 l/m2 d nur ein R=99,45. Es wurde in Wasser mit 5 bis 7%
Diacetinbei70bis 100°C getempert.
Es ist möglich, CTA-Membranen für die Brackwasserentsalzung nach einem vereinfachten Verfahren ohne
Temperatur herzustellen, wenn extrem kurze Verdun-
sn stungszeiten gewählt werden.
Beispiel 9 Gießlösung
16% T 700 (Bayer)(Cellulosetriacetat)
50% Aceton
24% Dioxan
10% Formamid
50% Aceton
24% Dioxan
10% Formamid
Die Lösung wird mit einem Rakel von 300 μ Wehrhöhe auf Glasplatten (200 χ 200 mm) gezogen.
Nach unterschiedlichen Verdunstungszeiten werden die Platten in Eiswasser getaucht.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß kurze Verdunstungszeiten zu Membranen führen, die bereits
in ungetempertem Zustand ein hohes Entsalzungsvermögen
aufweisen.
Es ist dabei von besonderem Interesse, daß gerade jene Membranen, die ungetempert eine nennenswerte
Salzrejektion aufweisen, einer weiteren Verbesserung durch Temperung weniger zugänglich sind als solche
mit ursprünglich niedrigerer Rejektion.
Der folgende Vergleich zwischen den Eigenschaften ungetemperter und getemperter , Membranen bei
verschiedenen Verdunstungszeiten soll diesen Zusammenhang verdeutlichen.
Verdunstungszeit
(Sek.)
(Sek.)
bei Raumtemperatur
ungetempert
(geprüft mit 03% NaCl bei 41 bar)
(l/m2 d)
getempert mit 5% Giycerindiacetat
in Wasser bei 74° C
(geprüft mit 33% NaCI bei 105 bar)
(l/m2 d)
5
15
30
45
15
30
45
1240
1470
1725
2375
1470
1725
2375
96,2 95,1 87,7 20,2
575
585
580
480
98,54
99,28
99,48
99,56
99,48
99,56
Die Werte der Tabelle zeigen, daß mit Vorteil bei
dieser Arbeitsweise mit Verdunstungszeiten für ungetemperte Brackwassermembranen bei weniger als 5 bis
30 Sekunden, nämlich ca. 2 bis 30 Sekunden, gearbeitet
werden kann, wobei vorzugsweise 5 bis 15 Sekunden angewandt werden.
Wie schon früher erwähnt kann der gleiche Effekt durch Verminderung der Verdunstungsgeschwindigkeit,
65
z. B. durch Temperaturerniedrigung oder durch partielle
Lösungsmittelsättigung der Atmosphäre auch bei längeren Verdunstungszeiten erzielt werden.
Gemäß einer Variante wird die Membran zuerst einer raehrminütigen, insbesondere ca. 5-minütigen Behandlung
mit Fonr.air.id unterzogen und dann in Wasser von
50 bis 1000C, insbesondere 75 bis 95° C mehrere
Minuten getempert. Hierbei erhält also da? Wasser
keinem Zusatz.
Während die Vorbehandlung f'Jr die anschließende
Temperuns in reinem Wasser eine spezifische Wirkung
des Formamids zu sein scheint, ist die andere Variante, nämlich in einem ein Modifizierungsmittel enthaltenden ■>
Wasser zu tempern, recht variabel hinsichtlich dieses Modifizierungsmittels. Mit Vorteil werden niedere
Alkan- oder Alkencarbonsäuren, Ester davon, die
vorzugsweise bis zu 5 Kohlenstoffatome im Alkan- oder Alkenteil oder gegebenenfalls auch im Esterteil haben, in
oder Ci -CVAlkohole verwendet, wobei CrVerbindungen
im Säure- und Esterrest bevorzugt werden. Insbesondere werden Essigsäure und Diacetin bevor
zugt. Die Wirksamkeit in abnehmender Reihenfolge ist wie folgt: 2% Glyzerintriacetat, 5% Glyzerindiacetat, r,
10% Essigsäure und 40% Äthanol sind etwa äquivalent. Als spezielle Verbindung sei noch Sulfolan genannt, das
allerdings nur dann wirkt, wenn die Temperung bei über 70"C erfolgt und es sich um die erfindungsgemäß
hergestellten 'veichmacherfesten und polyolfreien m
Membranen handelt.
Eine mit Sulfolan zu behandelnde Membran darf in der Gießlösung höchstens bis zu ca. 12% Quellmittel
erhalten, das aber bei der Temperung schon weitgehend entfernt sein soll. r>
Die bevorzugten Mengen der Modifizierungsmittel im Wasser sind 2 bis 10%. Die obere Grenze für
Sulfolan, Diacetin und Triacetin kann bis 15% gehen, jedoch ist auch hier eine Menge von 2 bis 10%
bevorzugt. Dies ist überraschend, da beispielsweise m gemäß DE-OS 19 23 987 bei Triacetatmembranen, die
extrudiert sind, und schon einen Weichmacher enthalten, eine nachträgliche Behandlung mit einer Weichmacherlösung,
die bei Entsalzungsmembranen 65 bis 60Gew.-% Sulfolan und 75 bis 40Gew.-% Wasser π
enthält, angewandt wird. Die Behandlungstemperatur liegt bei 20 bis 400C. Dabei werden allerdings nur
Salzrejektionen von 90 bis 98% und, wie erwähnt, Durchflußraten bis 100l/m2d erreicht. Bei der
erfindungsgemäßen Temperung dagegen ist eine 4« Behandlungstemperatur unter 50° C praktisch wirkungslos.
Bei Ci -C3-Alkoholen haben sich 35 bis 40%
bewährt, bei Q Butanol, das mit Wasser gesättigt ist.
Es ist auf diese Weise möglich, Triacetatmembranen herzustellen, die eine Durchflußleistung von gut 4i
600 l/m2 · d bei einer Salzrejektion von 99,5% aufweisen,
was sie für die einstufige Meer- oder Brackwasserentsalzung brauchbar macht.
Die erfindungsgemäß aus Lösungen von Raumtemperatur, also vor allem dioxanhaltigen Lösungen erhaltene so
und gegebenenfalls getemperte Membran kann aber auch ohne Vorbehandlung getrocknet werden, was
bekanntlich bei Loeb-Membranen nicht möglich ist, weil sie sonst völlig dicht «verden. Man muß bei Loeb-Membranen
in mindestens 30%iges Glyzerin tauchen, um die Poren mit Glyzerin zu füllen, damit man sie trocknen
kann. Sie bleiben dann durch die Glyzerin füllung opaleszent Für die oben genannten erfindungsgemäßen
Membranen genügt es, in eine Mischung vc3i 10% Glyzerin in Wasser zu tauchen, damit sie anschließend
ohne Verlust an Durchflußleistung getrocknet werden können, wobei auch keine Verminderung der Salzrejektion
eintritt Dies gilt insbesondere für die getemperte Membran. Im vorliegenden F^H wird als weniger
Glyzerin als beispielsweise oeim Loeb-Verfahren
benutzt, de £3 nicht notwendig ist, die Poren ZU füllen,
wegen der speziellen Struktur der erflndungsgemäßen asymmetrischen Integralmembran, soweit diese aus
Lösungen von Raumtemperatur gezogen werden, also außer den bei tiefen Temperaturen aus Lösungen mit
geringem DMSO-Gehalt gezogenen Membranen. Die grobe Struktur der neuen Me.Kranen ist am ausgeprägtesten
bei den aus dioxanhaltigen Lösungen gezogenen Membranen. Diese spezielle Struktur gestattet
es, daß beim Trocknen mit oder ohne Glyzerin die Poren mit Luft gefüllt werden, da ja der Hauptteii der
Membran grobporiger ist. Die neue, ggf. getemperte au? einem Aceton/Dioxan oder Aceton/DMSO-System
gezogene Membran verliert zwar beim Trocknen ohne Glyzerin an Durchflußleistung, wird aber keineswegs
unbrauchbar. Der Abfall an Durchflußleistung beträgt noch nicht einmal 50% und die Rejektion wird kaum
verändert, während bei der Trocknung nach Behandlung mit Glyzerin/Wasser 10/90 praktisch gar keine
Veränderung der Durchflußleistung und der Rejektion erfolgt.
Die folgenden Beispiele zeigen die Temperung.
Eine Cellulosetriacetatmembran wurde wie eingangs
beschrieben hergestellt. Sie zeigte nach der Herstellung, also im ungetemperten Zustand, eine Durchflußleistung,
die von 3000 l/m2 d und einer Salzrejektion R von 32%.
Nach Temperung in reinem Wasser bzw. in 5-, 6- und 7%igen Diacetinlösungen bei 62 bis 740C, erreichte die
naß getemperte Membran bei einer Salzrejektion von 98,5% noch eine Durchflußleistung von 300 I, die in 5%
Diacetin getemperte Membran zeigte bei 99,5% Salzrejektion eine Durchflußleistung von knapp 700 I/
m2 · d wobei die beiden Angaben sich auf 0,5% Magnesiumsulfat und 41 bar beziehen, und bei 3,5%
NaCl und 105 bar zeigte die mit 5% Diacetin getemperte Membran im Durchschnitt bei /? = 99.5%
ein D= 500 bis 550, die mit 6% Diacetin getemperte Membran zeigte bei /?=99,5% ein D=etwa 500 und die
mit 7% Diacetin getemperte Membran zeigte bei /? = 99,5%einD=450.
In der folgenden Tabelle sind weitere Werte beim Tempern der gleichen Membran bei 74°C in Wasser, das
10% der angegebenen Zusätze enthielt, zusammengestellt:
Zusatz | D | R | Wir |
(l/m2 d) | (%) | kung | |
ungetempert | 3000 | 32,0 | |
Wasser | 1610 | Sl.O | |
Methylglykolacetat | 229 | 99,2 | + |
Triglykoldiacetat | 411 | 9938 | + |
Ameisensäure | 855 | 98,1 | + |
Propionsäure | 368 | 99,1 | + |
Milchsäure | 1054 | 95,9 | + |
y-Butyrolacton | 477 | 99,47 | + |
Dimethylformamid | 1121 | 94,7 | + |
Entsprechende Versuche wurden mit 10% Diacetin, Triacetin und Essigsäure wiederholt Diese Verbindungen
liefern noch bessere Ergebnisse, was mit den schon genannten Einschränkungen auch für Sulfolan gilt
Interessanterweise liefern Polyglykole, die ausgesprochene Weichmacher für Triacetat sind, keine Verbesserung.
Beim Tempern werden folgende Bedingungen bevorzugt: Sulfolan in einer Menge von 5 bis 10%, bezogen
auf Wasser, Essigsäure, bevorzugt 5 bis 20%, Diacetin,
bevorzugt 5 bis 15% oder Triacetin, bevorzugt 2 bis 10%, einwertige Ci- C3- Alkohole 30—45% mit Butanol
gesättigtes Wasser, Dioxan sowie Cz-Cs-Ketone 5 bis
10%.
Die beigefügte F i g. 1 zeigt die in Abhängigkeit vom Essigsäuregehait des Temperbades erreichbaren DurchfluB-Rejektionsprcfile
bei Temper-Temperaturen zwischen 55 und 98° C und zwar bei einer Membran, die
gemäß Beispiel 15 hergestellt war. In Beispiel 15 sind auch die Werte für D und R vor und nach dem Tempern
angegeben.
Die Verdunstungszeit bei der Membranherstellung betrug 30 Sekunden.
Aus dieser Abbildung wird deutlich, daß eine Salzrejektion von 99,5% schon bei 5% Zusatz
Essigsäure zum Temperbad erreichbar ist F i g. 2 zeigt, daß eine Essigsäurekonzentration um 10% das Optimum
darstellt, wenn die Durchflußleistung bei 993%
Dalzrejektion als Optimierungskriterium herangezogen wird.
Die erfindungsgemäß erhaltenen Triacetatmembrane können stets ohne Temperung als Ultra- und Hyperfilter
eingesetzt werden. Schon bei unter 7 at körnen sie beispielsweise für die abwasserarme Prozeßtechnik, wie
die Galvanotechnik, Papier-, Leder-, Färberei-, Molkerei- oder Textilindustrie, also bei allen Prozessen wo viel
Abwasser anfällt, das gereinigt werden muß unc zurückgeführt werden soll oder nur in hochgereinigten·
Zustand in den Vorfluter abgelassen wenden darf, abei auch für die Wasserenthärtung und die Eiweißkonzentrierung.
Bei einem Druckbereich von z. B. 3 bis 5 at arbeiten sie schon sehr gut, so daß auch ihr Einsatz füj
die Anmeldungszwecke im Haushalt möglich ist, da ihi
Rejektionswert 85 bis 99% beträgt Die getemperte Membran zeigt einen Rejektionswert von 98 bis mehl
ίο als 99,5%, was sie für die einstufige Meer- unc
Brackwasserentsalzung geeignet macht
Die erfindungsgemäßen Triacetatmembranen zeiger noch einen weiteren Vorteil, daß man sie nämlich aucl
bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei einei Speisewassertemperatur von 500C, betreiben kann
Dies ist für heiße Länder sehr wichtig, wo es kauir möglich ist das Wasser bei der Verarbeitung, ohne es zi
kühlen, auf 25° C oder darunter zu halten. Während die
beste Membran des Standes der Technik, die Loeb-Membran,
bei höherer Betriebstemperatur eine beinahe lineare Abnahme des Durchflusses und der Salzrejektion
in Abhängigkeit von der Zeit aufweist liegt dii Salzrejektion der Triacetatmembran bei höherei
Betriebstemperatur höher und steigt mit der Dauer den
Hochtemperaturbetriebes und der Durchfluß zeigt nui anfänglich einen kleinen Abfall.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung von asymmetrischen permselektiven Cellulosetriacetatmembranen mit
Skinschicht auf mindestens einer Seite der Membran, wobei man ein Cellulosetriacetat in einem
Lösungsmittelgemisch löst, das aus Aceton, einem Lösungsmittel für Triacetat und einem Quellmittel
für Triacetat besteht, die Lösung zu einer Membran vergißt, diese 2 bis 90 Sekunden exponiert und dann
in kaltem Wasser fällt und anschließend gewünschtenfalls in Wasser, das gegebenenfalls ein Modifizierungsmittel
enthält, bei 50 bis 100"C tempert und gegebenenfalls nach Behandlung mit einer Mischung
von Glycerin und Wasser trocknet, dadurch
gekennzeichnet,
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