RU2714644C1 - Composite asymmetric polymer pervaporation membrane - Google Patents

Composite asymmetric polymer pervaporation membrane Download PDF

Info

Publication number
RU2714644C1
RU2714644C1 RU2019119532A RU2019119532A RU2714644C1 RU 2714644 C1 RU2714644 C1 RU 2714644C1 RU 2019119532 A RU2019119532 A RU 2019119532A RU 2019119532 A RU2019119532 A RU 2019119532A RU 2714644 C1 RU2714644 C1 RU 2714644C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
sublayer
microns
pervaporation
thickness
Prior art date
Application number
RU2019119532A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Денис Анджеевич Сапегин
Original Assignee
Денис Анджеевич Сапегин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Денис Анджеевич Сапегин filed Critical Денис Анджеевич Сапегин
Priority to RU2019119532A priority Critical patent/RU2714644C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2714644C1 publication Critical patent/RU2714644C1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/58Other polymers having nitrogen in the main chain, with or without oxygen or carbon only
    • B01D71/62Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain
    • B01D71/64Polyimides; Polyamide-imides; Polyester-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to the chemistry of high-molecular compounds. Membrane consists of a porous working selective diffusion layer formed from a polyimide with a link formula:
Figure 00000011
m:n = 0–2, or a salt form thereof with triethylammonium ions, alkali and/or alkali-earth metals, or a cross-linked aromatic diamine of a nanoporous form underlayer and microporous substrate, together comprising an ultrafiltration membrane substrate made from the same polyimide, or other polymer used to make ultrafiltration membranes, thickness of the working layer is 0.01–5 mcm, thickness of sublayer is 1–30 mcm, total thickness of membrane is 120–300 mcm, average pore diameter of sublayer is 3–60 nm, average diameter of the pores of substrate is 5–8 mcm.
EFFECT: technical result is providing a membrane which can be used to separate a mixture of liquid substances having similar boiling points, forming azeotropes, undergoing chemical conversions when heated to temperatures close to boiling points; concentrating aqueous solutions of organic substances, primarily aliphatic alcohols, in a wide range of concentrations, desalting solutions in the technology of producing medicines, alcoholic beverages and biofuel.
3 cl, 2 tbl, 18 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области химии высокомолекулярных соединений, точнее к асимметричным полимерным первапорационным мембранам на основе полиимидов.The invention relates to the field of chemistry of macromolecular compounds, more specifically to asymmetric polyvalent pervaporation membrane membranes.

Полученные в результате реализации изобретения мембраны могут быть использованы в химической, пищевой, фармацевтической промышленности. Конкретно, там, где необходимо селективно выделять воду из растворов веществ, претерпевающих ^ химические превращения при нагревании, в которых в качестве растворителя (дисперсной среды) использованы водно-спиртовые смеси, имеющие близкие температуры кипения, образующие азеотропы, не применяя при этом энерго- и материалоемкие технологии для обеспечения необходимой эффективности разделения. Это актуально, прежде всего, для повышения содержания спирта в растворах, содержащих до 40 мас. % алифатических спиртов - бутанола, изопропанола и этанола.The membranes obtained as a result of the invention can be used in the chemical, food, and pharmaceutical industries. Specifically, where it is necessary to selectively separate water from solutions of substances that undergo chemical transformations upon heating, in which water-alcohol mixtures having close boiling points forming azeotropes are used as solvent (dispersed medium), without using energy and material-intensive technologies to ensure the necessary separation efficiency. This is important, first of all, to increase the alcohol content in solutions containing up to 40 wt. % aliphatic alcohols - butanol, isopropanol and ethanol.

Уровень техникиState of the art

В химической промышленности традиционно широко используются процессы ректификации и дистилляции - выделение чистых компонентов из жидких смесей и растворов путем многократного или однократного испарения смеси компонентов и конденсации их паров. Процессы универсальны для большинства жидких смесей и растворов, используется стандартное оборудование - ректификационные колонны и перегонные установки; при этом одно из главных технологических условий - подбор конкретных параметров процесса, таких как температура и давление. Однако не все жидкие смеси и растворы могут быть разделены ректификацией или дистилляцией, имеются существенные исключения. Актуальной проблемой является повышение содержания спирта или других органических компонентов в водно-органических растворах веществ претерпевающих химические превращения при нагревании. Эта проблема в ряде случаев может быть решена с помощью первапорации, или испарения через мембрану. Под первапорацией понимают массоперенос жидких веществ через мембрану диффузионного типа под воздействием разности значений химического потенциала, сопровождающийся изменением фазового состояния проникающих компонентов [Baker, Richard W.Membrane technology and applications / Richard W. Baker. - 2nd ed./ John Wiley & Sons Ltd, Chichester, England, 2004]. Процесс первапорации протекает в более мягких условиях и с меньшими энергозатратами, чем процессы ректификации и дистилляции. Первапорация в 2-4 раза более эффективна в силу снижения энтальпии испарения компонентов через мембрану по сравнению со свободным испарением. Особенностью первапорации является необходимость создания конкретной мембраны под определенную задачу, что не умаляет ее значения. Ключевая роль принадлежит мембранам, обладающим высокой проницаемостью и селективностью разделения в сочетании с высокой механической и химической устойчивостью. В качестве такого рода мембран перспективны асимметричные композиционные полимерные первапорационные мембраны, состоящие из взаимосвязанных силами межмолекулярных взаимодействий трех слоев: тонкого поверхностного непористого рабочего селективного диффузионного слоя (скин-слоя), нанопористого подслоя и микропористой подложки - ультрафильтрационной мембраны. При этом под асимметричной мембраной понимают полимерную структуру, морфология которой изменяется в направлении, перпендикулярном плоскости мембраны, так что размер пор увеличивается в направлении движения потока разделяемых жидкостей [патент РФ №2126291].In the chemical industry, rectification and distillation processes are traditionally widely used - the separation of pure components from liquid mixtures and solutions by repeated or single evaporation of a mixture of components and condensation of their vapors. The processes are universal for most liquid mixtures and solutions; standard equipment is used - distillation columns and distillation plants; however, one of the main technological conditions is the selection of specific process parameters, such as temperature and pressure. However, not all liquid mixtures and solutions can be separated by distillation or distillation, there are significant exceptions. An urgent problem is the increase in the content of alcohol or other organic components in aqueous-organic solutions of substances undergoing chemical transformations when heated. This problem in some cases can be solved by pervaporation, or evaporation through the membrane. By pervaporation is understood the mass transfer of liquid substances through a diffusion type membrane under the influence of a difference in the values of the chemical potential, accompanied by a change in the phase state of the penetrating components [Baker, Richard W. Membrane technology and applications / Richard W. Baker. - 2nd ed. / John Wiley & Sons Ltd, Chichester, England, 2004]. The pervaporation process proceeds under milder conditions and with less energy consumption than rectification and distillation processes. Pervaporation is 2-4 times more effective due to a decrease in the enthalpy of evaporation of the components through the membrane compared with free evaporation. A peculiarity of pervaporation is the need to create a specific membrane for a specific task, which does not detract from its importance. The key role belongs to membranes with high permeability and separation selectivity in combination with high mechanical and chemical resistance. As such membranes, asymmetric composite polymer pervaporation membranes are promising, consisting of interconnected forces of intermolecular interactions of three layers: a thin surface non-porous working selective diffusion layer (skin layer), a nanoporous sublayer and a microporous substrate - ultrafiltration membrane. In this case, an asymmetric membrane is understood to mean a polymer structure, the morphology of which changes in the direction perpendicular to the plane of the membrane, so that the pore size increases in the direction of flow of the separated liquids [RF patent No. 2126291].

Как указывалось выше, в области создания первапорационных мембран остро стоит вопрос о расширении качественного и количественного диапазона разделения жидких смесей и растворов конкретными мембранами, придании им универсальности. Это справедливо и для асимметричных композиционных полимерных первапорационных мембран, особенно когда речь идет о практическом применении. Так, концентрирование широкого диапазона водно-спиртовых растворов термонестабильных веществ - для фармацевтической и пищевой промышленности при производстве, например пива (более 60 мас. % воды) или вытяжек из лекарственного растительного сырья, когда целевой продукт для сохранения ценных компонентов нельзя подвергать высокотемпературной обработке или при получении био-бутанола и био-этанола, является одной из самых важных современных задач в решении проблемы разделения жидких смесей мембранами.As mentioned above, in the field of creating pervaporation membranes, there is an acute question of expanding the qualitative and quantitative range of separation of liquid mixtures and solutions by specific membranes, giving them universality. This is true for asymmetric composite polymer pervaporation membranes, especially when it comes to practical application. Thus, the concentration of a wide range of water-alcohol solutions of thermally unstable substances - for the pharmaceutical and food industries in the production of, for example, beer (more than 60 wt.% Water) or extracts from medicinal plant materials, when the target product cannot be subjected to high temperature treatment to preserve valuable components or obtaining bio-butanol and bio-ethanol is one of the most important modern tasks in solving the problem of separation of liquid mixtures by membranes.

В настоящее время для разделения водно-спиртовых смесей широко используются полимерные первапорационные мембраны с рабочими селективными слоями из поливинилового спирта [R.Y.M. Huang, Pervaporation Membrane Separation Processes, Membrane Science and Technology Series 1, Elsevier, Amsterdam, 1991] (например, мембрана марки PERVAP, Швейцария) различных полисахаридов [С.K. Yeom, J.G. Jegal, K.Н. Lee, Characterization of relaxation phenomena and permeation behaviors in sodium alginate membrane during pervaporation separation of ethanol-water mixture, J. Appl. Polym. Sci. 62 (1996) 1561; W. Zhang, G.W. Li, Y.J. Fang, X.P. Wang, Maleic anhydride surface-modification of crosslinked chitosan membrane and its pervaporation performance, J. Membr. Sci. 295 (2007) 130], полисульфона [S.-H. Chen, K.-C. Yu, S.-S. Lin, D.-J. Chang, R.M. Liou, Pervaporation separation of water/ethanol mixture by sulfonated polysulfone membrane, J. Membr. Sci. 183 (2001) 294] и ряда других полимеров. Известные мембраны имеют тенденцию к микробиологической контаминации (загрязнение материала мембран микроорганизмами) [Demet CETIN, Sumru CITAK, Degradation of Polyvinyl Alcohol by a Mixed Microbial Culture Isolated from Paper Mill Treatment, Gazi University Journal of Science GU J Sci 27(2):839-845 (2014)]. Часто не могут быть использованы для повышения содержания спирта в смесях биологического происхождения ввиду неиндеферентности материалов селективного слоя к компонентам разделяемых смесей. Они высокоселективны при концентрировании жидких смесей с высоким содержанием органического компонента (менее 10 мас. % воды), но склонны терять селективные свойства для смесей, содержащих более 60-90 мас. % воды и при нагревании что сильно ограничивает область их применения.Currently, for the separation of water-alcohol mixtures, polymer pervaporation membranes with working selective layers of polyvinyl alcohol are widely used [R.Y.M. Huang, Pervaporation Membrane Separation Processes, Membrane Science and Technology Series 1, Elsevier, Amsterdam, 1991] (for example, PERVAP brand membrane, Switzerland) of various polysaccharides [C.K. Yeom, J.G. Jegal, K.N. Lee, Characterization of relaxation phenomena and permeation behaviors in sodium alginate membrane during pervaporation separation of ethanol-water mixture, J. Appl. Polym. Sci. 62 (1996) 1561; W. Zhang, G.W. Li, Y.J. Fang, X.P. Wang, Maleic anhydride surface-modification of crosslinked chitosan membrane and its pervaporation performance, J. Membr. Sci. 295 (2007) 130], polysulfone [S.-H. Chen, K.-C. Yu, S.-S. Lin, D.-J. Chang, R.M. Liou, Pervaporation separation of water / ethanol mixture by sulfonated polysulfone membrane, J. Membr. Sci. 183 (2001) 294] and a number of other polymers. Known membranes tend to microbiologically contaminate (contamination of membrane material with microorganisms) [Demet CETIN, Sumru CITAK, Degradation of Polyvinyl Alcohol by a Mixed Microbial Culture Isolated from Paper Mill Treatment, Gazi University Journal of Science GU J Sci 27 (2): 839- 845 (2014)]. Often they can not be used to increase the alcohol content in mixtures of biological origin due to the non-affinity of the materials of the selective layer to the components of the separated mixtures. They are highly selective when concentrating liquid mixtures with a high content of organic component (less than 10 wt.% Water), but tend to lose selective properties for mixtures containing more than 60-90 wt. % of water and when heated, which greatly limits the scope of their application.

Перспективным классом полимеров для получения асимметричных композиционных первапорационных мембран являются механически, термически и химически стойкие полиимиды.A promising class of polymers for producing asymmetric composite pervaporation membranes are mechanically, thermally, and chemically resistant polyimides.

Известно применение полиимидов в качестве материалов для изготовления первапорационных мембран для разделения смеси этанол-вода, содержащей 10 мас. % воды [Y.C. Wang, Y.S. Tsai, K.R. Lee, J.Y. Lai, Preparation and pervaporation per-formance of 3,3-bis 4-(4-aminophenoxy)phenyl phthalide based polyimide membranes, J. Appl. Polym. Sci. 96 (2005) 2046; Y.X. Xu, C.X. Chen, J.D. Li, Experimental study on physical properties and per-vaporation performances of polyimide membranes, Chem. Eng. Sci. 62 (2007) 2466]. Известные материалы имеют высокие показатели селективности разделения, но очень низкую удельную производительность, что приводит, в свою очередь, к низким значениям параметра эффективности PSI (Pervaporation Separation index) PSI=J(α-1), где J - общий удельный поток при разделении смеси кг/(м2ч), α-фактор разделения).It is known to use polyimides as materials for the manufacture of pervaporation membranes for the separation of an ethanol-water mixture containing 10 wt. % water [YC Wang, YS Tsai, KR Lee, JY Lai, Preparation and pervaporation per-formance of 3,3-bis 4- (4-aminophenoxy) phenyl phthalide based polyimide membranes, J. Appl. Polym. Sci. 96 (2005) 2046; YX Xu, CX Chen, JD Li, Experimental study on physical properties and per-vaporation performances of polyimide membranes, Chem. Eng. Sci. 62 (2007) 2466]. Known materials have high separation selectivity, but very low specific productivity, which in turn leads to low values of the efficiency parameter PSI (Pervaporation Separation index) PSI = J (α-1), where J is the total specific flow during separation of the mixture kg / (m 2 h), α-separation factor).

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Известные мембраны не применяются для концентрирования водно-спиртовых растворов термонестабильных веществ в силу низких значений производительности.Known membranes are not used for the concentration of water-alcohol solutions of thermally unstable substances due to low performance values.

Известна асимметричная мембрана из полимерного композита на основе полиимида PI-2080 и полиимида, полученного поликонденсацией пиромеллитового диангидрида и 4,4'-оксидианилина. [Н. Yanagishita, D. Kitamoto, K. Наrауа, Т. Nakane, Т. Okada, Н. Matsuda, Y. Idemoto, N. Koura, Separation performance of polyimide composite membrane prepared by dip coating process, Journal of Membrane Science 188 (2001) 165-172.] Изготовление мембранного материала происходит путем формирования асимметричной первапорационной мембраны с диффузионным слоем из полиимида PI-2080, которую затем опускают в раствор триэтиламмониевой соли соответствующей полиамидокислоты в метаноле, после чего подвергают термической имидизации. Максимальное значение параметра эффективности PSI (159,8) достигается для мембраны при разделении спирто-водной смеси, содержащей 95 мас. % этанола, обработанной 5 мас. % полиамидокислоты (при значении удельной приведенной производительности 0,2 кг⋅мкм/(м2⋅ч) и факторе разделения 800). В публикации не имеется сведений об исследовании их селективности по отношению к растворам, содержащим более 60 мас. % воды, и при разделении других водно-спиртовых растворов, например изопропанола с водой. Не имеется сведений и о разделении смесей воды с другими органическими жидкостями и водно-органических растворов, например при концентрировании алкогольных напитков.An asymmetric membrane is known from a polymer composite based on PI-2080 polyimide and polyimide obtained by polycondensation of pyromellitic dianhydride and 4,4'-oxydianiline. [N. Yanagishita, D. Kitamoto, K. Narahua, T. Nakane, T. Okada, N. Matsuda, Y. Idemoto, N. Koura, Separation performance of polyimide composite membrane prepared by dip coating process, Journal of Membrane Science 188 (2001) 165-172.] The manufacture of the membrane material occurs by forming an asymmetric pervaporation membrane with a diffusion layer of PI-2080 polyimide, which is then lowered into a solution of the triethylammonium salt of the corresponding polyamide acid in methanol, and then subjected to thermal imidization. The maximum value of the PSI efficiency parameter (159.8) is achieved for the membrane during separation of the alcohol-water mixture containing 95 wt. % ethanol treated with 5 wt. % polyamic acid (with a specific reduced productivity of 0.2 kg 0,2mkm / (m 2 ⋅h) and a separation factor of 800). The publication does not contain information about the study of their selectivity with respect to solutions containing more than 60 wt. % water, and upon separation of other aqueous-alcoholic solutions, for example, isopropanol with water. There is no information on the separation of mixtures of water with other organic liquids and aqueous-organic solutions, for example, in the concentration of alcoholic beverages.

Не известны экономически эффективные аналоги первапорационных мембран на основе полиимидов для селективного выделения воды из водно-органических растворов, содержащих до 40 мас. % органического компонента.No cost-effective analogues of perimodal membranes based on polyimides for the selective separation of water from aqueous-organic solutions containing up to 40 wt. % organic component.

Анализ известных аналогов на основе полиимидов показал, что проблема сочетания высоких селективности и производительности первапорационных мембран в отношении смесей алифатических спиртов с водой и, особенно, при концентрировании смесей, содержащих более 60 мас. % воды, не решена. Таким образом, проблема создания универсальных эффективных мембран для водных смесей всего ряда алифатических спиртов и других органических жидкостей и в широком диапазоне их концентраций остается актуальной. Обобщая, можно констатировать, что в настоящее время не известны универсальные первапорационные мембраны для повышения массовой доли органического компонента в водно-органических растворах и смесях, содержащих более 60 мас. % воды.Analysis of known analogues based on polyimides showed that the problem of combining high selectivity and performance of pervaporation membranes in relation to mixtures of aliphatic alcohols with water and, especially, when concentrating mixtures containing more than 60 wt. % water not resolved. Thus, the problem of creating universal effective membranes for aqueous mixtures of the entire range of aliphatic alcohols and other organic liquids and in a wide range of their concentrations remains relevant. Summarizing, it can be stated that universal pervaporation membranes for increasing the mass fraction of the organic component in aqueous-organic solutions and mixtures containing more than 60 wt. % water.

Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention

Задачей заявляемого изобретения является создание эффективной универсальной первапорационной мембраны для повышения массового содержания органического компонента в водно-органических растворах и смесях, содержащих до 40 мас. % органического компонента, также содержащих помимо органического компонента и воды вещества, претерпевающие химические превращения при нагревании, в первую очередь, для концентрирования водных смесей органических веществ, прежде всего алифатических спиртов, в широком диапазоне концентраций в технологии получения лекарственных средств, алкогольных напитков, биотоплива.The task of the invention is the creation of an effective universal pervaporation membrane to increase the mass content of the organic component in aqueous-organic solutions and mixtures containing up to 40 wt. % of the organic component, which also contain, in addition to the organic component and water, substances that undergo chemical transformations when heated, primarily to concentrate aqueous mixtures of organic substances, primarily aliphatic alcohols, in a wide range of concentrations in the technology for producing medicines, alcoholic beverages, and biofuels.

Эта задача решается заявляемым изобретением - асимметричной композиционной полимерной первапорационной мембраной.This problem is solved by the claimed invention is an asymmetric composite polymer pervaporation membrane.

Заявляемая мембрана характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:The inventive membrane is characterized by the following set of essential features:

1. Композиционная асимметричная полимерная первапорационная мембрана, характеризующаяся тем, что она состоит из непористого рабочего селективного диффузионного слоя, сформованного из полиимида с формулой звена:1. A composite asymmetric polymer pervaporation membrane, characterized in that it consists of a non-porous working selective diffusion layer formed of polyimide with the link formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

m:n=0-2,m: n = 0-2,

или его солевой формы с ионами триэтиламмония, щелочных и/или щелочноземельных металлов, или его сшитой ароматическим диамином формы, нанопористого подслоя и микропористой подложки, вместе составляющими ультрафильтрационную мембранную подложку, выполненную из того же полиимида, или другого полимера, используемого для изготовления ультрафильтрационных мембран, при этом толщина рабочего слоя составляет 0,01-5 мкм, толщина подслоя - 1-30 мкм, общая толщина мембраны - 120-300 мкм, средний размер диаметра пор подслоя - 3-60 нм, средний диаметр пор подложки - 5-8 мкм.or its salt form with ions of triethylammonium, alkali and / or alkaline earth metals, or its crosslinked aromatic diamine form, nanoporous sublayer and microporous substrate, together constituting an ultrafiltration membrane substrate made of the same polyimide or another polymer used for the manufacture of ultrafiltration membranes, the thickness of the working layer is 0.01-5 microns, the thickness of the sublayer is 1-30 microns, the total thickness of the membrane is 120-300 microns, the average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the average pore diameter of the sub LCD - 5-8 microns.

2. Асимметричная полимерная первапорационная мембрана по п. 1, характеризующаяся тем, что полимер, используемый для ультрафильтрационных мембран, представляет собой полимер из ряда:2. The asymmetric polymer pervaporation membrane according to claim 1, characterized in that the polymer used for ultrafiltration membranes is a polymer from the series:

полиамидоимид с формулой звена:polyamidoimide with the formula of the link:

Figure 00000004
Figure 00000004

полиакрилонитрил, регенерированная целлюлоза, ее ацетаты, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полисульфон, полиэфиримид марки Ultem, полиамидоимид марки Torlon или аналогичный по структуре.polyacrylonitrile, regenerated cellulose, its acetates, polyvinyl chloride, polyethylene terephthalate, polysulfone, Ultem polyetherimide, Torlon polyamidoimide or similar in structure.

3. Асимметричная полимерная первапорационная мембрана по п. 1, характеризующаяся тем, что сшитые ароматическим диамином формы сополиимида или его солей имеют сшивки на основе ароматического диамина из ряда, содержащего в структуре R1, R2, R3, R4.3. The asymmetric polymer pervaporation membrane according to claim 1, characterized in that the forms of the copolyimide or its salts crosslinked by the aromatic diamine are crosslinked based on the aromatic diamine from the series containing R 1 , R 2 , R 3 , R 4 in the structure.

Заявляемая асимметричная полимерная первапорационная мембрана представляет собой мембрану с тонким гладким поверхностным непористым рабочим диффузионным слоем, взаимосвязанным с ним силами межмолекулярного взаимодействия (адгезии, когезии) нанопористым подслоем, при этом подслой имеет сквозные поры, пересекающие все поперечное сечение мембраны и уменьшающиеся в диаметре в направлении к рабочему слою, взаимосвязанной с ним силами когезии микропористой подложки - ультрафильтрационной мембраны с асимметричной поровой структурой в поперечном сечении.The inventive asymmetric polymer pervaporation membrane is a membrane with a thin smooth surface non-porous working diffusion layer interconnected with it by the forces of intermolecular interaction (adhesion, cohesion) by a nanoporous sublayer, while the sublayer has through pores that cross the entire cross-section of the membrane and decrease towards a working layer interconnected with it by the cohesion forces of a microporous substrate — an ultrafiltration membrane with an asymmetric pore structure in pepper section.

Совокупность существенных признаков заявляемой мембраны обеспечивает получение технического результата - создания первапорационных мембран, обладающих улучшенным комплексом свойств (более высокий уровень эффективности PSI, механическая прочность, инертность к компонентам смесей, микробиологической контаминации, термическая и химическая стойкость), позволяющих использовать их для разделения водно-органических смесей, в широком диапазоне количественного состава этих смесей, преимущественно при содержании более 60 мас. % воды.The set of essential features of the claimed membrane provides a technical result - the creation of pervaporation membranes with an improved set of properties (higher level of PSI efficiency, mechanical strength, inertness to the components of mixtures, microbiological contamination, thermal and chemical resistance), allowing them to be used for the separation of water-organic mixtures, in a wide range of quantitative composition of these mixtures, mainly with a content of more than 60 wt. % water.

Заявляемая мембрана отличается от известных оригинальным качественным полимерным составом рабочего селективного диффузионного слоя, подслоя и количественными характеристиками (толщины слоев, размеры пор подслоя).The inventive membrane differs from the known original polymer composition of the working selective diffusion layer, sublayer and quantitative characteristics (layer thickness, pore size of the sublayer).

Анализ известного уровня техники не позволил обнаружить решение, полностью совпадающее по совокупности существенных признаков с заявляемым, что может указывать на его новизну.Analysis of the prior art did not allow to find a solution that completely coincides in the totality of essential features with the claimed, which may indicate its novelty.

Только совокупность существенных признаков заявляемой мембраны позволяет достичь указанного технического результата. Неожиданным оказался факт, что параметр эффективности разделения увеличивается при увеличении массовой доли органического компонента в смеси, что позволяет осуществлять разделение указанных смесей с высокой эффективностью разделения PSI, превышающей известные мембраны.Only the combination of essential features of the claimed membrane allows to achieve the specified technical result. It was unexpected that the parameter of separation efficiency increases with increasing mass fraction of the organic component in the mixture, which allows the separation of these mixtures with a high separation efficiency of PSI exceeding the known membranes.

Это позволяет утверждать о соответствии заявляемой мембраны условию охраноспособности «изобретательский уровень» («неочевидность»).This allows us to assert that the claimed membrane meets the eligibility condition "inventive step" ("non-obviousness").

Для подтверждения соответствия заявляемого изобретения требованию «промышленная применимость» приводим примеры конкретной реализации.To confirm the compliance of the claimed invention to the requirement of "industrial applicability" we give examples of specific implementations.

В качестве мембран сравнения выбраны, выпускаемая фирмой DeltaMem (Швейцария) полимерная первапорационная мембрана с рабочим селективным слоем на основе поливинилового спирта марки PERVAP 2201 и асимметричных мембран на основе коммерчески доступного полиимида марки Matrimid. В литературных источниках [D. Van Baelen, A. Reyniers, В. Van der Bruggen, С.Vandecasteele, Pervaporation of Binary and Ternary Mixtures of Water with Methanol and/or Ethanol, Separation Science and Technology, J. Degreve, 39, (2005), №3, 563-580; Maria Teresa Sanz and

Figure 00000005
Gmehling, Study of the Dehydration of Isopropanol by a Pervaporation Based Hybrid Process, Chem. Eng. Technol., 29 (2006), №. 4, 473-480; Wulin Qiu, Madhava Kosuri, Fangbin Zhoul, William J. Koros, Dehydration of ethanol-water mixtures using asymmetric hollow fiber membranes from commercial polyimides, Journal of Membrane Science 327 (2009) 96-103] описаны их транспортно-селективные свойства при разделении различных водно-спиртовых смесей.As the comparison membranes, a polymer pervaporation membrane with a working selective layer based on PERVAP 2201 polyvinyl alcohol and asymmetric membranes based on the commercially available Matrimid polyimide made by DeltaMem (Switzerland) was selected. In the literature [D. Van Baelen, A. Reyniers, B. Van der Bruggen, C. Vandecasteele, Pervaporation of Binary and Ternary Mixtures of Water with Methanol and / or Ethanol, Separation Science and Technology, J. Degreve, 39, (2005), No. 3, 563-580; Maria Teresa Sanz and
Figure 00000005
Gmehling, Study of the Dehydration of Isopropanol by a Pervaporation Based Hybrid Process, Chem. Eng. Technol., 29 (2006), No. 4, 473-480; Wulin Qiu, Madhava Kosuri, Fangbin Zhoul, William J. Koros, Dehydration of ethanol-water mixtures using asymmetric hollow fiber membranes from commercial polyimides, Journal of Membrane Science 327 (2009) 96-103] describes their transport-selective properties when different water-alcohol mixtures.

Figure 00000006
Figure 00000006

Согласно информации производителя, мембрана PERVAP 2201 пригодна для разделения водно-спиртовых смесей, содержащих до 90 мас. % воды при температурах не выше 100°С в диапазоне рН 5-8.According to the manufacturer, the PERVAP 2201 membrane is suitable for the separation of water-alcohol mixtures containing up to 90 wt. % water at temperatures not higher than 100 ° C in the pH range of 5-8.

Изготовление мембран проводят по известной методике [Preparation and Characterization of Membranes Formed by Nonsolvent Induced Phase Separation: A Review Gregory R. Guillen, Yinjin Pan, Minghua Li, and Eric M. V. Hoek, Ind. Eng. Chem. Res. (2011) 50, 3798-3817].Membrane production is carried out according to the known method [Preparation and Characterization of Membranes Formed by Nonsolvent Induced Phase Separation: A Review Gregory R. Guillen, Yinjin Pan, Minghua Li, and Eric M. V. Hoek, Ind. Eng. Chem. Res. (2011) 50, 3798-3817].

Сополиимиды получены с помощью реакции поликонденсации из соответствующих диангидрида тетракарбоновой кислоты и ароматических диаминов [Полиимиды - класс термостойких полимеров / Бессонов М.И., Котон М.М., Кудрявцев В.В., Лайус Л.А. - Л.: Наука, 1983. - 328 с.].The copolyimides were obtained using the polycondensation reaction from the corresponding tetracarboxylic acid dianhydride and aromatic diamines [Polyimides - a class of heat-resistant polymers / Bessonov MI, Koton MM, Kudryavtsev VV, Laius L.A. - L .: Nauka, 1983. - 328 p.].

Пример 1.Example 1

Мембрана с селективным слоем из гомополимера (m=0).Membrane with a selective layer of homopolymer (m = 0).

Figure 00000007
Из полиамидокислоты (ПАК) на основе 4,4'-оксидианилина и пиромеллитового ангидрида, которая в процессе имидизации преобразуется в полиимид селективного слоя, в форме соли с триэтиламмонием готовят 2%-ный раствор в воде, который далее использован для получения селективного слоя.
Figure 00000007
From a polyamide acid (PAA) based on 4,4'-oxydianiline and pyromellitic anhydride, which is converted into a selective layer polyimide during imidization, a 2% solution in water is prepared in the form of a salt with triethylammonium, which is then used to obtain a selective layer.

Figure 00000007
Из полиамидоимида (ПАИ) с R1 готовят 10%-ный раствор в N-метилпирролидоне (N-МП). Раствор наносят на гладкую стеклянную подложку с помощью рекельного ножа с размером щели 190 мкм, проводят предформование при комнатной температуре в течение 10-20 мин. Предформованный раствор на подложке опускают в осадительную ванну (в качестве осадителя используют воду), полученную ультрафильтрационную мембрану сушат при комнатной температуре 1 ч.
Figure 00000007
A 10% solution in N-methylpyrrolidone (N-MP) is prepared from polyamidoimide (PAI) with R 1 . The solution is applied to a smooth glass substrate using a rekel knife with a slit size of 190 microns, preforming is carried out at room temperature for 10-20 minutes. The preformed solution on the substrate is immersed in a precipitation bath (water is used as the precipitant), and the obtained ultrafiltration membrane is dried at room temperature for 1 h.

Figure 00000007
Наносят раствор ПАК на поверхность ультрафильтрационной мембраны и сушат при комнатной температуре 1-3 ч. Проводят имидизацию поверхностного слоя при 200°С на протяжении 1-4 ч, получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 1 мкм, подслоя - 20 мкм, общей толщиной 180 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.
Figure 00000007
The PAA solution is applied to the surface of the ultrafiltration membrane and dried at room temperature for 1-3 hours. The surface layer is imidized at 200 ° C for 1-4 hours, an asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 1 μm, a sublayer of 20 μm, and a total thickness 180 microns. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Полученная мембрана обладает следующими транспортно-селективными свойствами в отношении разделения водно-органических смесей и растворов при 40°С:The resulting membrane has the following transport-selective properties in relation to the separation of aqueous-organic mixtures and solutions at 40 ° C:

- при разделении водно-спиртовых смесей, содержащих до 40 мас. % этанола или изопропанола, удельная производительность - 0,240-0,697 кг/(м2⋅ч), фактор разделения - 100-1000.- in the separation of water-alcohol mixtures containing up to 40 wt. % ethanol or isopropanol, specific productivity 0.240-0.697 kg / (m 2 ⋅ h), separation factor 100-1000.

- при разделении водно-спиртовой смеси, содержащей 33 мас. % этанола, удельная производительность 0,380 кг/(м2⋅ч), фактор разделения (расчет по этанолу) - не менее 1000.- when separating a water-alcohol mixture containing 33 wt. % ethanol, specific productivity 0.380 kg / (m 2 ⋅ h), separation factor (calculation according to ethanol) - not less than 1000.

- при разделении водно-спиртовой смеси, содержащей 9 мас. % этанола, удельная производительность 0,697 кг/(м2⋅ч), фактор разделения (расчет по этанолу) - не менее 499.- when separating a water-alcohol mixture containing 9 wt. % ethanol, specific productivity 0.697 kg / (m 2 ⋅ h), separation factor (calculation according to ethanol) - not less than 499.

- при разделении водно-органической смеси (пивной напиток, содержание этилового спирта 5 об. %), удельная производительность - 0,401 кг/м2⋅ч, фактор разделения (расчет по этанолу) - не менее 900, по остальным компонентам - не менее 200.- when separating an aqueous-organic mixture (beer drink, ethyl alcohol content 5 vol.%), specific productivity - 0.401 kg / m 2 ⋅h, separation factor (calculation for ethanol) - not less than 900, for other components - not less than 200 .

Значения параметра эффективности PSI (296,8 для 33 мас. % этанола; 347,8 для 9 мас. % этанола) полученной мембраны превосходят таковые для мембран сравнения PERVAP 2201 (PSI - 13) и мембраны на основе Matrimid (PSI - 89,7) при разделении водно-спиртовых смесей. При этом значение более высокого параметра эффективности достигается при 40°С (PERVAP - 60°С), что обеспечивает более высокую энергоэффективность процесса при использовании заявленной мембраны.The values of the efficiency parameter PSI (296.8 for 33 wt.% Ethanol; 347.8 for 9 wt.% Ethanol) of the obtained membrane are superior to those for the comparison membranes PERVAP 2201 (PSI - 13) and membranes based on Matrimid (PSI - 89.7 ) in the separation of water-alcohol mixtures. In this case, the value of a higher efficiency parameter is achieved at 40 ° C (PERVAP - 60 ° C), which ensures higher energy efficiency of the process when using the claimed membrane.

Так же полученная мембрана, как и все мембраны, описанные ниже в примерах №№2-19, сохраняют механическую прочность и химстойкость в более широком диапазоне температур (до 200°С) и рН 2-8.The obtained membrane, like all membranes described below in Examples Nos. 2-19, retain mechanical strength and chemical resistance over a wider temperature range (up to 200 ° C) and pH 2-8.

Пример 2.Example 2

Мембрана с селективным слоем из сополимера (m:n=0,42).Membrane with a selective layer of copolymer (m: n = 0.42).

Мембрану получают согласно примеру 1.The membrane is obtained according to example 1.

При приготовлении раствора ПАК используют сополиамидокислоту на основе 4,4'-оксидианилина, 3,5-диаминобензойной кислоты и пиромеллитового ангидрида (m:n=0,42).In the preparation of the PAA solution, copolyamidic acid based on 4,4'-oxydianiline, 3,5-diaminobenzoic acid and pyromellitic anhydride is used (m: n = 0.42).

После имидизации поверхностного слоя мембрану обрабатывают 0,05 М раствором серной кислоты в течение 24 ч, промывают дистиллированной водой до достижения нейтрального рН промывочной воды и сушат на воздухе 1-2 ч. Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 1 мкм, подслоя - 1 мкм, общей толщиной 120 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.After imidization of the surface layer, the membrane is treated with a 0.05 M sulfuric acid solution for 24 hours, washed with distilled water until a neutral pH of the washing water is reached, and air dried for 1-2 hours. An asymmetric pervaporation membrane with a selective layer thickness of 1 μm is obtained, sublayer 1 microns, a total thickness of 120 microns. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Свойства полученной мембраны аналогичны свойствам мембраны по примеру 1, наблюдается увеличение производительности до 0,4-1 кг/м2ч при некотором снижении селективности, не влияющем существенным образом на параметр эффективности (100-260).The properties of the obtained membrane are similar to the properties of the membrane in example 1, an increase in productivity is observed up to 0.4-1 kg / m 2 h with a certain decrease in selectivity, which does not significantly affect the efficiency parameter (100-260).

Пример 3.Example 3

Мембрана с селективным слоем из сополимера (m:n=2) с ионами триэтиламмония.Membrane with a selective layer of a copolymer (m: n = 2) with triethylammonium ions.

Мембрану получают согласно примеру 2 из ПАК (m:n=2), однако не проводят обработку мембраны раствором серной кислоты. Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 1 мкм, подслоя - 30 мкм, общей толщиной 200 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.The membrane is obtained according to example 2 from PAA (m: n = 2), however, the membrane is not treated with a solution of sulfuric acid. An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 1 μm, a sublayer of 30 μm, and a total thickness of 200 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Свойства полученной мембраны аналогичны свойствам мембраны по примеру 2, наблюдается некоторое увеличение производительности (0,41-1,2) при снижении селективности (фактор разделения 80), не влияющие существенным образом на параметр эффективности PSI.The properties of the obtained membrane are similar to the properties of the membrane in example 2, there is a slight increase in productivity (0.41-1.2) with a decrease in selectivity (separation factor 80), which do not significantly affect the PSI efficiency parameter.

Пример 4.Example 4

Мембрана, с селективным слоем из сополимера (m:n=0,42) с ионами калия или натрия.Membrane with a selective layer of a copolymer (m: n = 0.42) with potassium or sodium ions.

Мембрану получают согласно примеру 2, после обработки мембраны раствором серной кислоты ее обрабатывают 0,05 М раствором гидроксида калия или натрия в этаноле на протяжении 24 ч. Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 1 мкм, подслоя - 30 мкм, общей толщиной 200 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.The membrane is obtained according to example 2, after processing the membrane with a solution of sulfuric acid, it is treated with a 0.05 M solution of potassium or sodium hydroxide in ethanol for 24 hours. An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 1 μm, a sublayer of 30 μm, a total thickness of 200 μm . The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембраны, описанной в примере 3.The membrane has properties at the level of membrane properties described in example 3.

Пример 5.Example 5

Мембрана с селективным слоем из сополимера (m:n=2) с ионами кальция.Membrane with a selective layer of a copolymer (m: n = 2) with calcium ions.

Мембрану получают согласно примеру 2 из ПАК (m:n=2), после обработки мембраны раствором серной кислоты ее обрабатывают 0,5 М раствором хлорида кальция в воде на протяжении 24 ч. Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 1 мкм, подслоя - 30 мкм, общей толщиной 200 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.The membrane is obtained according to example 2 from PAA (m: n = 2), after treating the membrane with a solution of sulfuric acid, it is treated with a 0.5 M solution of calcium chloride in water for 24 hours. An asymmetric pervaporation membrane with a selective layer thickness of 1 μm is obtained, sublayer is 30 microns, a total thickness of 200 microns. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембраны, описанной в примере 4.The membrane has properties at the level of membrane properties described in example 4.

Пример 6.Example 6

Мембрана с подложкой из того же полимера, что и селективный слой.A membrane with a substrate of the same polymer as the selective layer.

Мембрану получают согласно примеру 5 с селективным слоем из сополиимидов (m:n=0-2). Подложку получают из раствора 10-15 мас. % со-ПАК (m:n=0-2) в N-МП, после формования ее имидизуют при температуре 200°С на протяжении 4 ч, после этого наносят покровный раствор со-ПАК (m:n=0-2) согласно примеру 1 и имидизуют его при температуре 200°С на протяжении 4 ч.The membrane is obtained according to example 5 with a selective layer of copolyimides (m: n = 0-2). The substrate is obtained from a solution of 10-15 wt. % co-PAA (m: n = 0-2) in N-MP, after molding it is imidized at a temperature of 200 ° C for 4 hours, after which a coating solution of co-PAA (m: n = 0-2) is applied according to example 1 and imidize it at a temperature of 200 ° C for 4 hours

Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 1 мкм, подслоя - 20 мкм, общей толщиной 200 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 1 μm, a sublayer of 20 μm, and a total thickness of 200 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембран, описанных в примере 2The membrane has properties at the level of membrane properties described in example 2

Пример 7.Example 7

Мембрана с подложкой из полимера Torlon.Membrane with Torlon polymer backing.

Мембрану получают согласно примеру 5. Подложку получают из раствора 10-15 мас. % Torlon в N-МП.The membrane is obtained according to example 5. The substrate is obtained from a solution of 10-15 wt. % Torlon in N-MP.

Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 4 мкм, подслоя - 20 мкм, общей толщиной 200 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 4 μm, a sublayer of 20 μm, and a total thickness of 200 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембран, описанных в примере 1.The membrane has properties at the level of membrane properties described in example 1.

Пример 8.Example 8

Мембрана с подложкой из полиакрилонитрила.Membrane with polyacrylonitrile backing.

Мембрану получают согласно примеру 5, при этом полиакрилонитрил растворяют в N-МП.The membrane is obtained according to example 5, while the polyacrylonitrile is dissolved in N-MP.

Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 5 мкм, подслоя - 20 мкм, общей толщиной 180 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 5 μm, a sublayer of 20 μm, and a total thickness of 180 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембран, описанных в примерах 1-2.The membrane has properties at the level of membrane properties described in examples 1-2.

Пример 9.Example 9

Мембрана с подложкой из регенерированной целлюлозы.A membrane with a regenerated cellulose backing.

Мембрану получают согласно примеру 5, при этом ацетат целлюлозы растворяют в дихлорметане, затем регенерируют ацетат до целлюлозы 0,5 М раствором серной кислоты.The membrane is obtained according to example 5, while the cellulose acetate is dissolved in dichloromethane, then the acetate is regenerated to cellulose with a 0.5 M sulfuric acid solution.

Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 4 мкм, подслоя - 20 мкм, общей толщиной 300 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 4 μm, a sublayer of 20 μm, and a total thickness of 300 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембран, описанных в примере 1.The membrane has properties at the level of membrane properties described in example 1.

Пример 10.Example 10

Мембрана с подложкой из ацетата целлюлозы.Membrane with a cellulose acetate backing.

Мембрану получают согласно примеру 7, при этом ацетат целлюлозы растворяют в дихлорметане.The membrane is obtained according to example 7, while the cellulose acetate is dissolved in dichloromethane.

Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 4 мкм, подслоя - 20 мкм, общей толщиной 180 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 4 μm, a sublayer of 20 μm, and a total thickness of 180 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембраны, описанной в примере 1.The membrane has properties at the level of membrane properties described in example 1.

Пример 11.Example 11

Мембрана с подложкой из поливинилхлорида.Polyvinyl chloride backed membrane.

Мембрану получают согласно примеру 5, при этом поливинилхлорид растворяют в N,N-диметилацетамиде.The membrane is prepared according to Example 5, wherein the polyvinyl chloride is dissolved in N, N-dimethylacetamide.

Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 5 мкм, подслоя - 10 мкм, общей толщиной 170 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 5 μm, a sublayer of 10 μm, and a total thickness of 170 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембраны, описанной в примере 1.The membrane has properties at the level of membrane properties described in example 1.

Пример 12.Example 12

Мембрана с подложкой полиэтилентерефталата.Membrane with a polyethylene terephthalate substrate.

Мембрану получают согласно примеру 5, при этом диэтилентерефталат растворяют в трифторуксусной кислоте.The membrane is obtained according to example 5, while diethylene terephthalate is dissolved in trifluoroacetic acid.

Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 4 мкм, подслоя - 20 мкм, общей толщиной 180 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 4 μm, a sublayer of 20 μm, and a total thickness of 180 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембраны, описанной в примере 2.The membrane has properties at the level of membrane properties described in example 2.

Пример 13.Example 13

Мембрана с подложкой из полисульфона.Membrane with polysulfone backing.

Мембрану получают согласно примеру 5, при этом полисульфон растворяют в N-МП.The membrane is obtained according to example 5, while the polysulfone is dissolved in N-MP.

Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 4 мкм, подслоя - 20 мкм, общей толщиной 180 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 4 μm, a sublayer of 20 μm, and a total thickness of 180 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембраны, описанной в примерах 1-2.The membrane has properties at the level of membrane properties described in examples 1-2.

Пример 14.Example 14

Мембрана с подложкой из полиэфиримида Ultem.Membrane with Ultem polyetherimide backing.

Мембрану получают согласно примеру 7, при этом полиэфиримид Ultem растворяют в N-МП.The membrane is obtained according to example 7, while the Ultem polyetherimide is dissolved in N-MP.

Получают асимметричную первапорационную мембрану с толщиной селективного слоя 5 мкм, подслоя - 20 мкм, общей толщиной 170 мкм. Средний диаметр пор подслоя 3-60 нм, подложки - 5-8 мкм.An asymmetric pervaporation membrane is obtained with a selective layer thickness of 5 μm, a sublayer of 20 μm, and a total thickness of 170 μm. The average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the substrate is 5-8 microns.

Мембрана обладает свойствами на уровне свойств мембраны, описанной в примере 2.The membrane has properties at the level of membrane properties described in example 2.

Пример 15.Example 15

Мембрана, в которой все слои выполнены из гомополиимида (m=0) в солевой форме с ионами триэтиламмония, сшитого диамином (R 1).A membrane in which all layers are made of homopolyimide (m = 0) in salt form with triethylammonium ions crosslinked with diamine (R 1).

Мембрану получают согласно примеру 1, затем мембрану обрабатывают 10 мас. %-ным раствором оксидианилина в метаноле в течение 25-60 мин, и сушат на воздухе 1-2 ч.The membrane is obtained according to example 1, then the membrane is treated with 10 wt. % solution of oxydianiline in methanol for 25-60 minutes, and dried in air for 1-2 hours

Свойства полученной мембраны аналогичны свойствам мембраны, описанным в примере 1. При разделении азеотропной смеси вода-этанол (33 мас. % этанола) при 40°С наблюдается снижение производительности до 0,3 кг/(м2ч) при увеличении значения фактора разделения до 1200, при этом параметр эффективности PSI увеличивается до 359,7.The properties of the obtained membrane are similar to the properties of the membrane described in Example 1. When separating the azeotropic water-ethanol mixture (33 wt.% Ethanol) at 40 ° C, a decrease in productivity is observed to 0.3 kg / (m 2 h) with an increase in the separation factor to 1200, while the PSI performance parameter increases to 359.7.

Примеры 16-18.Examples 16-18.

Мембраны, в которых селективный слой выполнен из сополиимида (m:n=0,2) в солевой форме с ионами триэтиламмония, сшитого диамином (с R2, или R3, или R4). Мембрану получают согласно примеру 15.Membranes in which the selective layer is made of copolyimide (m: n = 0.2) in salt form with diamine crosslinked triethylammonium ions (with R 2 or R 3 or R 4 ). The membrane is obtained according to example 15.

Свойства полученных согласно пример 16-18 мембран аналогичны свойствам мембраны, описанной в примере 15. При разделении азеотропной смеси вода-этанол при 40° С наблюдается снижение производительности до 0,3-0,34 кг/(м2ч) при увеличении значения фактора разделения до 1200, при этом параметр эффективности PSI изменяется до 359,7-407,7.The properties of the membranes obtained according to Example 16-18 are similar to the properties of the membrane described in Example 15. When separating the azeotropic water-ethanol mixture at 40 ° C, a decrease in productivity is observed to 0.3-0.34 kg / (m 2 h) with increasing factor separation up to 1200, while the PSI efficiency parameter changes to 359.7-407.7.

Реализация заявляемого изобретения не исчерпывается приведенными примерами.The implementation of the claimed invention is not limited to the above examples.

Выход за рамки границ заявляемых интервалов приводит к невозможности реализации изобретения.Going beyond the boundaries of the claimed intervals leads to the inability to implement the invention.

Заявляемая мембрана может быть использована для разделения смеси жидких веществ, имеющих близкие температуры кипения, образующих азеотропы, претерпевающих химические превращения при нагревании до температур, близких к температурам кипения; концентрирования водных растворов органических веществ, прежде всего алифатических спиртов, в широком диапазоне концентраций, обессоливания растворов в технологии получения лекарственных средств и алкогольных напитков.The inventive membrane can be used to separate a mixture of liquid substances having close boiling points, forming azeotropes, undergoing chemical transformations when heated to temperatures close to boiling points; concentration of aqueous solutions of organic substances, primarily aliphatic alcohols, in a wide range of concentrations, desalination of solutions in the technology for producing medicines and alcoholic beverages.

Claims (9)

1. Композиционная асимметричная полимерная первапорационная мембрана, характеризующаяся тем, что она состоит из непористого рабочего селективного диффузионного слоя, сформованного из полиимида с формулой звена:1. A composite asymmetric polymer pervaporation membrane, characterized in that it consists of a non-porous working selective diffusion layer formed of polyimide with the link formula:
Figure 00000008
Figure 00000008
m:n=0-2,m: n = 0-2, или его солевой формы с ионами триэтиламмония, щелочных и/или щелочноземельных металлов, или его сшитой ароматическим диамином формы, нанопористого подслоя и микропористой подложки, вместе составляющих ультрафильтрационную мембранную подложку, выполненную из того же полиимида, или другого полимера, используемого для изготовления ультрафильтрационных мембран, при этом толщина рабочего слоя составляет 0,01-5 мкм, толщина подслоя - 1-30 мкм, общая толщина мембраны - 120-300 мкм, средний размер диаметра пор подслоя - 3-60 нм, средний диаметр пор подложки - 5-8 мкм.or its salt form with ions of triethylammonium, alkali and / or alkaline earth metals, or its crosslinked aromatic diamine form, nanoporous sublayer and microporous substrate, together constituting an ultrafiltration membrane substrate made of the same polyimide or another polymer used for the manufacture of ultrafiltration membranes, the thickness of the working layer is 0.01-5 microns, the thickness of the sublayer is 1-30 microns, the total thickness of the membrane is 120-300 microns, the average pore diameter of the sublayer is 3-60 nm, the average pore diameter of the sub ki - 5-8 microns. 2. Асимметричная полимерная первапорационная мембрана по п. 1, характеризующаяся тем, что полимер, используемый для ультрафильтрационных мембран, представляет собой полимер из ряда:2. The asymmetric polymer pervaporation membrane according to claim 1, characterized in that the polymer used for ultrafiltration membranes is a polymer from the series: полиамидоимид с формулой звена:polyamidoimide with the formula of the link:
Figure 00000009
Figure 00000009
полиакрилонитрил, регенерированная целлюлоза, ее ацетаты, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полисульфон, полиэфиримид марки Ultem, полиамидоимид марки Torlon.polyacrylonitrile, regenerated cellulose, its acetates, polyvinyl chloride, polyethylene terephthalate, polysulfone, Ultem polyetherimide, Torlon polyamidoimide. 3. Асимметричная полимерная первапорационная мембрана по п. 1, характеризующаяся тем, что сшитые ароматическим диамином формы сополиимида или его солей имеют сшивки на основе ароматического диамина из ряда, содержащего в структуре R1, R2, R3, R4.3. The asymmetric polymer pervaporation membrane according to claim 1, characterized in that the forms of the copolyimide or its salts crosslinked by the aromatic diamine are crosslinked based on the aromatic diamine from the series containing R 1 , R 2 , R 3 , R 4 in the structure.
RU2019119532A 2019-06-21 2019-06-21 Composite asymmetric polymer pervaporation membrane RU2714644C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019119532A RU2714644C1 (en) 2019-06-21 2019-06-21 Composite asymmetric polymer pervaporation membrane

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019119532A RU2714644C1 (en) 2019-06-21 2019-06-21 Composite asymmetric polymer pervaporation membrane

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2714644C1 true RU2714644C1 (en) 2020-02-18

Family

ID=69626064

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019119532A RU2714644C1 (en) 2019-06-21 2019-06-21 Composite asymmetric polymer pervaporation membrane

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2714644C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5725769A (en) * 1995-07-18 1998-03-10 Bend Research, Inc. Solvent-resistant microporous polymide membranes
RU2126291C1 (en) * 1996-11-26 1999-02-20 Кузнецов Юрий Петрович Asymmetric polymeric pervaporation membrane
RU2166984C2 (en) * 1998-06-15 2001-05-20 Институт высокомолекулярных соединений РАН Method of polymeric multilayer pervaporation membrane making
WO2005007277A1 (en) * 2003-07-18 2005-01-27 UNIVERSITé LAVAL Solvent resistant asymmetric integrally skinned membranes
RU2566769C9 (en) * 2009-07-23 2016-07-10 Эвоник Файберс Гмбх Polyimide membranes from polymerisation solutions

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5725769A (en) * 1995-07-18 1998-03-10 Bend Research, Inc. Solvent-resistant microporous polymide membranes
RU2126291C1 (en) * 1996-11-26 1999-02-20 Кузнецов Юрий Петрович Asymmetric polymeric pervaporation membrane
RU2166984C2 (en) * 1998-06-15 2001-05-20 Институт высокомолекулярных соединений РАН Method of polymeric multilayer pervaporation membrane making
WO2005007277A1 (en) * 2003-07-18 2005-01-27 UNIVERSITé LAVAL Solvent resistant asymmetric integrally skinned membranes
RU2566769C9 (en) * 2009-07-23 2016-07-10 Эвоник Файберс Гмбх Polyimide membranes from polymerisation solutions

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AYMAN EI-GENDI ET AL. Investigations of rubbery copolyimides for the preparation of asymmetric pervaporation membranes. Desalination and Water Treatment, 2010, 14, pp.67-77. *
I. OKAZAKI ET AL. Study on molecular weight cut-off performance of asymmetric aromatic polyimide membrane "Effect of the additive agents", Journal of Membrane Science, 1998, 141, pp. 277-282. *
I. OKAZAKI ET AL. Study on molecular weight cut-off performance of asymmetric aromatic polyimide membrane "Effect of the additive agents", Journal of Membrane Science, 1998, 141, pp. 277-282. AYMAN EI-GENDI ET AL. Investigations of rubbery copolyimides for the preparation of asymmetric pervaporation membranes. Desalination and Water Treatment, 2010, 14, pp.67-77. G.A.POLOTSKAYA ET AL. Preparation and Structure OF Poly(4,4/oxydiphenylene)pyromellitimide Asymmetric Ultrafiltration Membranes, Russian Journal of Applied Chemistry, 2009, V. 82, N 7, pp. 1268-1273. *
ОРЛОВА А.М. И ДР. Синтез привитых со-полиимид-полисилоксанов. VII БАКЕЕВСКАЯ ВСЕРОССИЙСКАЯ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ КОНФЕРЕНЦИЯ "МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНООБЪЕКТЫ И ПОЛИМЕРНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ", Москва, 07-12 октября 2018, с. 170. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6887408B2 (en) Porous poly(aryl ether ketone) membranes, processes for their preparation and use thereof
US4378324A (en) Process for preparing aromatic polyimide semipermeable membranes
CN102716680B (en) Polyamide microporous membrane and preparation method thereof
JP6397000B2 (en) Self-crosslinking and self-crosslinking aromatic polyimide membranes for separation
Yanagishita et al. Separation performance of polyimide composite membrane prepared by dip coating process
AU2010261965B2 (en) Thin film pervaporation membranes
CA2670381C (en) Carbon membrane laminated body and method for manufacturing the same
EP1651332B1 (en) Solvent resistant asymmetric integrally skinned membranes
US20140290478A1 (en) High performance cross-linked polyimide asymmetric flat sheet membranes
Tian et al. P (VDF-co-HFP) membrane for recovery of aroma compounds from aqueous solutions by pervaporation: І. Ethyl acetate/water system
JP2016540627A (en) Superhydrophilic foam membrane based on seaweed polysaccharides for energy efficient oil-water separation
US7229580B2 (en) Preparation of porous poly(aryl ether) articles and use thereof
CN101785977A (en) Preparation method of solvent resistant polyimide nanofiltration film
Alibakhshian et al. Thin film composite membranes with desirable support layer for MeOH/MTBE pervaporation
RU2714644C1 (en) Composite asymmetric polymer pervaporation membrane
JPH02222717A (en) Gas separating membrane and separation of gas
RU2701532C1 (en) Asymmetrical polymeric first-membrane polyimide-based membrane for separation of components of different polarity of liquid mixtures and for desalting
YANG et al. An asymmetric membrane of polyimide 6FDA-BDAF and its pervaporation desulfurization for n-heptane/thiophene mixtures
JP2984716B2 (en) Aromatic separation membrane
CN114832653A (en) Preparation method of solvent-resistant PTFE composite nanofiltration membrane
EP3325539A2 (en) High permeability polyimide membranes: gas selectivity enhancement through uv treatment
KR100359333B1 (en) A process of preparing for the non-symmetric polyimide membrane
JPH02222716A (en) Gas separating membrane and separation of gas
KR102598050B1 (en) Polyimide-based organic solvent nanofiltration membrane with crosslinked active layer and preparation method thereof
JP3018093B2 (en) Polyimide water selective separation membrane