RU2718928C1 - Modified nanoporous polymer membrane with improved water-repellent properties for membrane contactors and method production thereof - Google Patents

Modified nanoporous polymer membrane with improved water-repellent properties for membrane contactors and method production thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2718928C1
RU2718928C1 RU2018147069A RU2018147069A RU2718928C1 RU 2718928 C1 RU2718928 C1 RU 2718928C1 RU 2018147069 A RU2018147069 A RU 2018147069A RU 2018147069 A RU2018147069 A RU 2018147069A RU 2718928 C1 RU2718928 C1 RU 2718928C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
nanoporous
membranes
contactors
modified
Prior art date
Application number
RU2018147069A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Андреевич Броцман
Андрей Анатольевич Елисеев
Дмитрий Игоревич Петухов
Андрей Александрович Поярков
Артем Анатольевич Елисеев
Алексей Викторович Лукашин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2018147069A priority Critical patent/RU2718928C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2718928C1 publication Critical patent/RU2718928C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J7/00Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
    • C08J7/12Chemical modification
    • C08J7/126Halogenation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

FIELD: membrane technologies.
SUBSTANCE: invention relates to membrane technologies and can be used for modification of nanoporous membranes in order to improve their hydrophobic properties to increase efficiency of membrane contactors, and can be used in membrane gas/liquid contactors to increase gas mix components extraction efficiency. Method of modifying the surface of the nanoporous membrane involves hydrophobisation of the surface of the membrane by forming a coating from compounds which form fluorine-containing functional groups.
EFFECT: technical result is creation of modified nanoporous polymer membrane with improved hydrophobic properties.
3 cl, 8 dwg, 1 tbl, 8 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области мембранных технологий, в частности модификации поверхности нанопористых полимерных мембран путем неразрушающего структуру мембраны, фторирования и перфторалкилирования, с целью улучшения их водоотталкивающих свойств для увеличения производительности мембранных контакторов.The invention relates to the field of membrane technologies, in particular surface modification of nanoporous polymer membranes by non-destructive membrane structure, fluorination and perfluoroalkylation, in order to improve their water-repellent properties to increase the performance of membrane contactors.

Уровень техникиState of the art

Применение в мембранных контакторах газ/жидкость нанопористых полимерных мембран позволяет повысить селективность и производительность из влечения компонентов газовых смесей за счет существенного увеличения площади контакта газовой фазы с жидкой фазой абсорбента. При этом производительность мембраны определяется скоростью переноса извлекаемых компонентов через нанопоры мембраны, а скорость диффузии извлекаемых компонентов в нанопорах в газовой фазе оказывается существенно выше по сравнению с диффузией компонентов в жидком водном растворе абсорбента. Однако в ходе работы контактора возможно смачивание мембраны и постепенное заполнение пор жидкой фазой абсорбента, что негативно сказывается на производительности мембранных контакторов. Решением данной проблемы связано с предотвращением смачивания нанопористой мембраны и улучшением ее водоотталкивающих свойств. В связи с этим разработка способов получения пористых полимерных мембран с модифицированной поверхностью без изменения пористой структуры в процессе модификации с целью повышения их гидрофобности является актуальной задачей.The use of nanoporous polymer membranes in membrane gas / liquid contactors makes it possible to increase the selectivity and productivity of the extraction of components of gas mixtures due to a substantial increase in the contact area of the gas phase with the liquid phase of the absorbent. In this case, the membrane performance is determined by the rate of transfer of the extracted components through the nanopores of the membrane, and the diffusion rate of the extracted components in the nanopores in the gas phase is significantly higher compared to the diffusion of components in a liquid aqueous absorbent solution. However, during the operation of the contactor, it is possible to wet the membrane and gradually fill the pores with the liquid phase of the absorbent, which negatively affects the performance of the membrane contactors. The solution to this problem is associated with preventing the wetting of the nanoporous membrane and improving its water-repellent properties. In this regard, the development of methods for producing porous polymer membranes with a modified surface without changing the porous structure during the modification in order to increase their hydrophobicity is an urgent task.

Известно применение нанопористых полимерных мембран для извлечения компонентов газовых смесей методом пертракции с использованием мембранного контактора газ/жидкость на основе полых волокон, изготовленных из полипропилена. Использование нанопористых половолоконных полипропиленовых мембран, характеризующихся размером пор 100×500 нм, позволило увеличить производительность мембранных контакторов газ/жидкость в более чем 10 раз по сравнению с традиционными контакторами [RU 2626645, данное решение выбрано в качестве прототипа для нанопористой полимерной мембраны]. Однако постепенное смачивание полипропиленовых мембран раствором абсорбента при избыточном давлении со стороны жидкой фазы, приводящее к снижению скорости диффузии и переноса компонентов при заполнении пор жидкой фазой и, при длительной эксплуатации, попаданию жидкого абсорбента в газовую фазу, а также деградации материала мембраны, является их основным недостатком.It is known to use nanoporous polymer membranes for extracting components of gas mixtures by a pertraction method using a gas / liquid membrane contactor based on hollow fibers made of polypropylene. The use of nanoporous hollow fiber polypropylene membranes, characterized by a pore size of 100 × 500 nm, allowed to increase the performance of gas / liquid membrane contactors by more than 10 times compared with traditional contactors [RU 2626645, this solution was chosen as a prototype for a nanoporous polymer membrane]. However, the gradual wetting of polypropylene membranes with an absorbent solution at excess pressure from the liquid phase, which leads to a decrease in the diffusion and transfer rates of the components when the pores are filled with the liquid phase and, during prolonged use, the liquid absorbent enters the gas phase, as well as the degradation of the membrane material, is their main disadvantage.

В связи с этим неразрушающая модификация поверхности полипропиленовых мембран с целью улучшения их водоотталкивающих свойств путем создания на поверхности мембраны, включая внутренние стенки пор, покрытия из гидрофобных функциональных групп является актуальной задачей. Одним из возможных путей создания гидрофобного покрытий на поверхности полимерной мембраны является прямое фторирование с использованием атомарного и/или молекулярного фтора. Известен способ модификации полимеров прямым фторированием поверхности полимера газообразным молекулярным фтором, позволяющий улучшить их гидрофобные свойства [Прямое фторирование полимерных изделий - от фундаментальных исследований к практическому использованию / А.П. Харитонов, Б.А. Логинов. // Российский Химический Журнал (ЖРХО им. Д.И. Менделеева). - 2008. - Т. 52, №3. - С. 106-111]. Недостатками данного подхода являются трудоемкость и энергозатратность технологического процесса. Кроме того, использование данного способа гидрофобизации приводит к разрушению структуры полимерной мембраны и загрязнению и/или заполнению пор продуктами распада полимера.In this regard, non-destructive modification of the surface of polypropylene membranes in order to improve their water-repellent properties by creating on the surface of the membrane, including the inner walls of the pores, coatings of hydrophobic functional groups is an urgent task. One of the possible ways to create hydrophobic coatings on the surface of a polymer membrane is direct fluorination using atomic and / or molecular fluorine. A known method of modifying polymers by direct fluorination of the polymer surface with gaseous molecular fluorine, which improves their hydrophobic properties [Direct fluorination of polymer products - from basic research to practical use / A.P. Kharitonov, B.A. Loginov. // Russian Chemical Journal (ZhRLO named after D.I. Mendeleev). - 2008. - T. 52, No. 3. - S. 106-111]. The disadvantages of this approach are the complexity and energy consumption of the process. In addition, the use of this method of hydrophobization leads to the destruction of the structure of the polymer membrane and the contamination and / or filling of pores with polymer decomposition products.

Известен способ модификации полимеров с использованием плазменной полимеризации фторсодержащих мономеров на их поверхности, позволяющий улучшить их гидрофобные свойства [US 4404256]. Однако данный подход требует сложного аппаратурного оформления и не позволяет модифицировать внутреннюю поверхность стенок пор мембраны.A known method of modifying polymers using plasma polymerization of fluorine-containing monomers on their surface, which allows to improve their hydrophobic properties [US 4404256]. However, this approach requires complex hardware design and does not allow to modify the inner surface of the pore walls of the membrane.

Известен способ модификации поверхности полимеров, основанный на его обработке импульсным плазменным распылением графитовой мишени [RU 2325192, RU 2153887]. Недостатками данного способа являются высокая стоимость, возможное разрушение микроструктуры мембранного материала, а также существенное снижение углов смачивания при осаждении углеродной пленки в поры и на поверхность полимерной мембраны.A known method of modifying the surface of polymers based on its processing by pulsed plasma sputtering of a graphite target [RU 2325192, RU 2153887]. The disadvantages of this method are the high cost, the possible destruction of the microstructure of the membrane material, as well as a significant reduction in contact angles during deposition of the carbon film in the pores and on the surface of the polymer membrane.

Известен способ модификации полимерных материалов, заключающийся в обработке материала раствором перфтор-2,4-диметил-3-этил-3-пентильного радикала в перфторированных растворителях при температурах >80°С [RU 2303609]. Недостатками данного способа являются необходимость использования инертных перфторированных растворителей и очистки от исходных жидких реагентов.A known method for the modification of polymeric materials, which consists in processing the material with a solution of perfluoro-2,4-dimethyl-3-ethyl-3-pentyl radical in perfluorinated solvents at temperatures> 80 ° C [RU 2303609]. The disadvantages of this method are the need to use inert perfluorinated solvents and purification from the original liquid reagents.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу получения нанопористой полимерной мембраны является способ модификации поверхности полимерных материалов, основанный на присоединении к структурным элементам полимерной цепи фторсодержащих фрагментов [US 4489201]. Однако его недостатком является необходимость наличия у полимерного материала гидроксильных групп и/или аминогрупп, что сильно сужает круг используемых нанопористых полимерных материалов. Кроме того, материалы, полученные данным способом, не были протестированы для модификации нанопористых полимерных мембран, используемых в контакторе газ/жидкость.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed method for producing a nanoporous polymer membrane is a method of modifying the surface of polymeric materials based on attaching fluorine-containing fragments to the structural elements of the polymer chain [US 4489201]. However, its disadvantage is the need for the polymer material to have hydroxyl groups and / or amino groups, which greatly narrows the range of nanoporous polymeric materials used. In addition, the materials obtained by this method have not been tested to modify nanoporous polymer membranes used in a gas / liquid contactor.

Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention

Технической проблемой является создание нанопористой полимерной мембраны с улучшенными водоотталкивающими свойствами для увеличения производительности мембранных контакторов и разработка технологичного способа ее получения, не требующего сложного аппаратурного оформления, проведения длительных и энергозатратных технологических операций.The technical problem is the creation of a nanoporous polymer membrane with improved water-repellent properties to increase the performance of membrane contactors and the development of a technological method for its production, which does not require complex hardware design, long and energy-intensive technological operations.

Техническая проблема решена посредством создания на поверхности нанопористой мембраны, включая внутренние стенки пор, покрытия из фторсодержащих функциональных групп, способствующего улучшению водоотталкивающих свойств нанопористых полимерных мембран.The technical problem was solved by creating on the surface of the nanoporous membrane, including the inner walls of the pores, coatings of fluorine-containing functional groups, contributing to the improvement of the water-repellent properties of nanoporous polymer membranes.

Техническим результатом изобретения является улучшение водоотталкивающих свойств нанопористой полимерной мембраны, характеризующейся увеличенным краевым углом смачивания водой не менее чем на 10° и увеличением их селективности в мембранных контакторах по извлекаемым в абсорбент компонентам газовых смесей не менее чем в 1,5 раза.The technical result of the invention is to improve the water-repellent properties of a nanoporous polymer membrane, characterized by an increased contact angle of water wetting by at least 10 ° and an increase in their selectivity in membrane contactors for components of gas mixtures extracted into the absorbent by not less than 1.5 times.

Указанный технический результат достигается за счет гидрофобизации поверхности нанопористой мембраны путем создания на ее поверхности, включая внутренние стенки пор, покрытия из фторсодержащих функциональных групп -CF3, -CHF2, -C2F5, -C3F7, -C4F9, путем фторирования при помощи XeF2 при 60-160°С и/или перфторалкилирования, инициируемого термически при 100-160°С и/или под действием ультрафиолетового излучения, с использованием перфторалкилиодидов, включая CF3I, C2F5I, н-C3F7I, н-C4F9I.The specified technical result is achieved by hydrophobization of the surface of the nanoporous membrane by creating on its surface, including the inner walls of the pores, coatings of fluorine-containing functional groups —CF 3 , —CHF 2 , —C 2 F 5 , —C 3 F 7 , —C 4 F 9 , by fluorination with XeF 2 at 60-160 ° C and / or perfluoroalkylation, initiated thermally at 100-160 ° C and / or under ultraviolet radiation, using perfluoroalkyl iodides, including CF 3 I, C 2 F 5 I, n-C 3 F 7 I, n-C 4 F 9 I.

Заявленный способ модификации поверхности, включая внутренние стенки пор, нанопористых полимерных мембран применим к различным объектам и материалам (объемные изделия, тонкие пленки, полые волокна и т.д., изготовленные из политетрафторэтилена, полипропилена, полисульфона, полиэфирсульфона, поливинилиденфторида и т.д.). При этом особый интерес вызывает использование данного способа для гидрофобизации поверхности половолоконных полипропиленовых мембран, которые наиболее часто используются в мембранных контакторах газ/жидкость.The claimed method of surface modification, including the inner walls of pores, nanoporous polymer membranes is applicable to various objects and materials (bulk products, thin films, hollow fibers, etc., made of polytetrafluoroethylene, polypropylene, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, etc. ) Of particular interest is the use of this method for hydrophobization of the surface of hollow fiber polypropylene membranes, which are most often used in gas / liquid membrane contactors.

Модификацию нанопористых полипропиленовых мембран в предложенном способе осуществляют путем фторирования при помощи XeF2 или перфторалкилирования с использованием перфторалкилиодидов, включая CF3I, C2F5I, н-C3F7I, н-C4F9I.The modification of nanoporous polypropylene membranes in the proposed method is carried out by fluorination using XeF 2 or perfluoroalkylation using perfluoroalkyl iodides, including CF 3 I, C 2 F 5 I, n-C 3 F 7 I, n-C 4 F 9 I.

При фторировании нанопористые полипропиленовые мембраны помещают в тефлоновый автоклав, добавляют требуемое количество XeF2 (из расчета ~20 мг XeF2 на 1 м2 поверхности полипропиленовой мембраны) и выдерживают при температуре 60-140°С в течение 4-5 часов.During fluorination, nanoporous polypropylene membranes are placed in a Teflon autoclave, the required amount of XeF 2 is added (based on ~ 20 mg of XeF 2 per 1 m 2 of the surface of the polypropylene membrane) and kept at a temperature of 60-140 ° C for 4-5 hours.

В случае перфторалкилирования нанопористые полипропиленовые мембраны помещают в одно- или двухсекционную ампулу, добавляют требуемое количество перфторалкилиодида (из расчета ~4 ммоль перфторалкилиодида на 1 м2 поверхности полипропиленовой мембраны), отпаивают ампулу и выдерживают в градиентной печи при 100-160°С и/или при УФ-облучении (мощность падающего излучения 100 мВт/см2) в течение 4-5 часов.In the case of perfluoroalkylation, nanoporous polypropylene membranes are placed in a single or two-section ampoule, the required amount of perfluoroalkyl iodide is added (at the rate of ~ 4 mmol of perfluoroalkyl iodide per 1 m 2 of the surface of the polypropylene membrane), the ampoule is soldered and kept in a gradient furnace at 100-160 ° С and / or under UV irradiation (incident radiation power of 100 mW / cm 2 ) for 4-5 hours.

Образование покрытия из фторсодержащих функциональных групп на поверхности полимерной мембраны, включая внутренние стенки пор, осуществляется за счет образования молекулярного фтора при нагревании XeF2 и радикальных частиц CF3

Figure 00000001
, C2F5
Figure 00000001
, C3F7
Figure 00000001
, C4F9
Figure 00000001
при нагревании и/или УФ-облучении соответствующих перфторалкилиодидов, способных реагировать с поверхностью полимерных мембран и расщеплять имеющиеся в структуре связи С-Н с образованием радикальных центров, расположенных в полимерной цепи, последующая рекомбинация которых с соответствующими радикальными частицами приводит к образованию модифицированной поверхности.The formation of a coating of fluorine-containing functional groups on the surface of the polymer membrane, including the inner walls of the pores, is due to the formation of molecular fluorine upon heating of XeF 2 and radical particles CF 3
Figure 00000001
, C 2 F 5
Figure 00000001
, C 3 F 7
Figure 00000001
, C 4 F 9
Figure 00000001
upon heating and / or UV irradiation of the corresponding perfluoroalkyl iodides capable of reacting with the surface of polymer membranes and cleaving the CH bonds in the structure with the formation of radical centers located in the polymer chain, the subsequent recombination of which with the corresponding radical particles leads to the formation of a modified surface.

По окончании фторирования/перфторалкилирования автоклав/ампулу вскрывают и извлекают полипропиленовые мембраны с модифицированной фторсодержащими функциональными группами поверхностью.At the end of fluorination / perfluoroalkylation, an autoclave / ampoule is opened and polypropylene membranes with a surface modified with fluorine-containing functional groups are removed.

Исследования водоотталкивающих свойств и структуры модифицированных полипропиленовых мембран показали увеличение контактных углов смачивания водой не менее чем на 10° при сохранении структуры мембраны с характерным размером пор от 20 до 500 нм. Таким образом, согласно полученным данным заявленный способ модификации позволяет эффективно и без разрушения микроструктуры нанопористых полимерных мембран модифицировать их поверхность, включая внутренние стенки пор, создавая мембраны с улучшенными водоотталкивающими свойствами.Studies of the water-repellent properties and structure of modified polypropylene membranes showed an increase in contact angles of contact with water by at least 10 ° while maintaining a membrane structure with a characteristic pore size of 20 to 500 nm. Thus, according to the data obtained, the claimed modification method allows efficiently and without destroying the microstructure of nanoporous polymer membranes to modify their surface, including the inner walls of the pores, creating membranes with improved water-repellent properties.

Применение в мембранных контакторах газ/жидкость модифицированной нанопористой половолоконной полипропиленовой мембраны с улучшенными водоотталкивающими свойствами приводит к увеличению производительности и селективности по извлекаемым в абсорбент компонентам газовых смесей по отношению к неизвлекаемым компонентам газовых смесей не менее чем в 1,5 раза в сравнении с мембраной до ее модификации за счет увеличенной скорости диффузии компонентов в газовой фазе по сравнению с их диффузией в жидком водном растворе абсорбента.The use of a modified nanoporous hollow fiber polypropylene membrane with improved water-repellent properties in gas / liquid membrane contactors leads to an increase in the productivity and selectivity of the components of gas mixtures extracted into the absorbent with respect to non-recoverable components of gas mixtures by at least 1.5 times in comparison with the membrane before it modifications due to the increased diffusion rate of components in the gas phase compared with their diffusion in a liquid aqueous absorbent solution.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1. представлены двухсекционная ампула для перфторалкилирования при нагревании в печи (а), односекционная ампула для перфторалкилирования при УФ-облучении (б); на Фиг. 2. - система для подготовки ампулы (а), установка для перфторалкилирования при нагревании в градиентной печи (б), установка для перфторалкилирования при УФ-облучении (в) и автоклав для фторирования (г); на Фиг. 3. - контактные углы оттекания и натекания исходной (а, б), перфторалкилированной при помощи CF3I (в, г) и н-C4F9I (д, е), фторированной при помощи XeF2 (ж, з) полипропиленовой мембраны; на Фиг. 4. - микрофотографии исходной (а), перфторалкилированной при помощи CF3I (б), н-C4F9I (в) и фторированной при помощи XeF2 (г) полипропиленовой мембраны; на Фиг. 5. - контактные углы смачивания исходной и модифицированных нанопористых полипропиленовых мембран; на Фиг. 6. - результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии для нанопористой половолоконной полипропиленовой мембраны, модифицированной путем фторирования с использованием XeF2.; на Фиг. 7. - результаты ИК-спектроскопии; на Фиг. 8. - результаты использования модифицированной нанопористой половолоконной полипропиленовой мембраны в мембранном контакторе.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1. presents a two-section ampoule for perfluoroalkylation when heated in a furnace (a), a single-section ampoule for perfluoroalkylation under UV irradiation (b); in FIG. 2. - a system for preparing the ampoule (a), a perfluoroalkylation unit when heated in a gradient furnace (b), a perfluoroalkylation unit under UV irradiation (c) and an autoclave for fluorination (g); in FIG. 3. - contact angles of the outflow and outflow of the original (a, b) perfluoroalkylated with CF 3 I (c, d) and n-C 4 F 9 I (e, f) fluorinated with XeF 2 (g, h) polypropylene membrane; in FIG. 4. - micrographs of the initial (a) perfluoroalkylated with CF 3 I (b), n-C 4 F 9 I (c) and fluorinated with XeF 2 (g) polypropylene membrane; in FIG. 5. - contact wetting angles of the original and modified nanoporous polypropylene membranes; in FIG. 6. - X-ray photoelectron spectroscopy results for a nanoporous hollow fiber polypropylene membrane modified by fluorination using XeF 2 ; in FIG. 7. - the results of IR spectroscopy; in FIG. 8. - The results of using a modified nanoporous hollow fiber polypropylene membrane in a membrane contactor.

В Таблице 1 представлены условия модификации поверхности нанопористых половолоконных полипропиленовых мембран, контактные углы смачивания водой, а также эффективности удаления паров воды на модифицированных нанопористых половолоконных мембранах в мембранном контакторе газ/жидкость.Table 1 presents the surface modification conditions for nanoporous hollow fiber polypropylene membranes, contact angles of wetting with water, and the efficiency of water vapor removal on modified nanoporous hollow fiber membranes in a gas / liquid membrane contactor.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными.The present invention is illustrated by specific examples of execution, which, however, are not the only ones possible.

Примеры 1-8. Получение модифицированных нанопористых половолоконных полипропиленовых мембран путем фторирования и/или перфторалкилирования, инициируемого термически или УФ-облучением.Examples 1-8. Obtaining modified nanoporous hollow fiber polypropylene membranes by fluorination and / or perfluoroalkylation initiated thermally or by UV irradiation.

Перфторалкилирование поверхности нанопористых половолоконных полипропиленовых мембран с использованием в качестве перфторалкилирующих агентов - CF3I или н-C4F9I - проводят в двухсекционной ампуле (Фиг. 1, а) при нагревании в диапазоне от 100 до 160°С (примеры 1-3) или в односекционной кварцевой ампуле (Фиг. 1, б) при УФ-облучении (примеры 4-5) в течение 4-5 ч. Ампулы для перфторалкилирования изготавливают из толстостенных трубок Schott Duran (молибденовое стекло) или кварца с внутренним диаметром 5 мм и толщиной стенки 1.5 мм. Ампулы из такого стекла выдерживают внутреннее давление до 10-15 атм. Геометрические параметры ампул представлены на Фиг. 1. При изготовлении ампул к их общей длине дополнительно прибавляют 3-5 см для изготовления технических перетяжек для подключения к системе вакуумирования/напуска газообразных реагентов и последующей отпайки. При перфторалкилировании нанопористых половолоконных полипропиленовых мембран, инициируемом нагреванием в градиентной печи, часть ампулы, содержащую перфторалкилиодид, отгибают под углом 30-60°, для того чтобы жидкий реагент, находящийся при комнатной температуре, не попадал в нагретую секцию ампулы. Длину ампулы подбирают таким образом, чтобы часть с полипропиленовыми мембранами при помещении в градиентную печь находилась при максимальной температуре, а область перегиба - на выходе из печи. Нанопористые половолоконные полипропиленовые мембраны помещают в ампулу и подключают к системе для вакуумирования/напуска газообразных реагентов (Фиг. 2, а), вакуумируют до достижения давления ~1 мм рт.ст. и прогревают при 100-120°С для удаления кислорода и воды в течение 10-20 минут, адсорбированного на поверхности волокон. Затем производят напуск газообразного CF3I или добавляют ~0.3-0.4 мл жидкого н-C4F9I в систему. За количеством напускаемого CF3I следят по манометру, останавливая поток газа по достижении давления в системе ~0.8 атм. Так как геометрические параметры установки постоянны, то заданное давление CF3I позволяет контролировать напущенное в ампулу количество реагента в диапазоне от 3 до 5 ммоль (0.3-0.4 мл на 1 м2 нанопористого полимерного материала). После напуска/добавления CF3I/н-C4F9I в систему проводят его конденсацию в ампулу, помещая ее часть с полипропиленовыми мембранами в жидкий азот. После конденсации CF3I/н-C4F9I проводят повторное вакуумирование системы (CF3I/н-C4F9I в ампуле находился в замороженном состоянии) для удаления несконденсированных остатков CF3I/н-C4F9I, затем производят отпайку. После остывания ампулы производят переконденсацию CF3I/н-C4F9I из части, где находятся полипропиленовые мембраны, в отогнутую часть, охлаждаемую над жидким азотом. Избыток жидкого CF3I/н-C4F9I в отогнутой части ампулы, не влияет на воспроизводимость перфторалкилирования, т.к. с поверхностью полипропиленовых мембран взаимодействуют насыщенные пары CF3I/н-C4F9I под давлением ~5 атм. Подготовленную таким способом ампулу с полипропиленовыми мембранами помещают в градиентную печь (Фиг, 2, б) при 100-160°С на 4-5 ч или облучают УФ-лампой мощностью 150 Вт (мощность падающего излучения 100 мВт/см2) (Фиг. 2, в). По окончанию перфторалкилирования ампулы вскрывают, предварительно заморозив в жидком азоте не вступивший в реакцию CF3I/н-C4F9I, и извлекают полипропиленовые мембраны с модифицированной перфторалкильными группами поверхностью и улучшенными водоотталкивающими свойствами.The perfluoroalkylation of the surface of nanoporous hollow fiber polypropylene membranes using perfluoroalkylating agents — CF 3 I or n-C 4 F 9 I — is carried out in a two-section ampoule (Fig. 1, a) when heated in the range from 100 to 160 ° C (examples 1- 3) or in a single-section quartz ampoule (Fig. 1, b) under UV irradiation (examples 4-5) for 4-5 hours. The perfluoroalkylation ampoules are made of thick-walled Schott Duran tubes (molybdenum glass) or quartz with an inner diameter of 5 mm and wall thickness 1.5 mm. Ampoules made of such glass withstand internal pressure up to 10-15 atm. The geometric parameters of the ampoules are shown in FIG. 1. In the manufacture of ampoules, 3-5 cm are additionally added to their total length for the manufacture of technical constrictions for connecting gaseous reagents to the evacuation / inlet system and subsequent desoldering. When perfluoroalkylation of nanoporous hollow fiber polypropylene membranes initiated by heating in a gradient furnace, the part of the ampoule containing perfluoroalkyl iodide is bent at an angle of 30-60 °, so that the liquid reagent at room temperature does not enter the heated section of the ampoule. The ampoule length is selected so that the part with polypropylene membranes when placed in a gradient furnace is at maximum temperature, and the bend area is at the outlet of the furnace. Nanoporous hollow fiber polypropylene membranes are placed in an ampoule and connected to a system for evacuation / inlet of gaseous reagents (Fig. 2, a), vacuum until a pressure of ~ 1 mm Hg is reached. and heated at 100-120 ° C to remove oxygen and water for 10-20 minutes adsorbed on the surface of the fibers. Then, gaseous CF 3 I is charged or ~ 0.3-0.4 ml of liquid n-C 4 F 9 I is added to the system. The amount of emitted CF 3 I is monitored by a manometer, stopping the gas flow upon reaching a pressure in the system of ~ 0.8 atm. Since the geometric parameters of the installation are constant, the predetermined pressure CF 3 I allows you to control the amount of reagent introduced into the ampoule in the range from 3 to 5 mmol (0.3-0.4 ml per 1 m2 of nanoporous polymer material). After filling / adding CF 3 I / n-C 4 F 9 I into the system, it is condensed into an ampoule, placing part of it with polypropylene membranes in liquid nitrogen. After condensation of CF 3 I / n-C 4 F 9 I, the system is again evacuated (CF 3 I / n-C 4 F 9 I in the ampoule was frozen) to remove non-condensed residues CF 3 I / n-C 4 F 9 I, then produce a tap. After cooling the ampoule, CF 3 I / n-C 4 F 9 I is condensed from the part where the polypropylene membranes are located to the bent part, which is cooled over liquid nitrogen. Excess liquid CF 3 I / n-C 4 F 9 I in the bent part of the ampoule does not affect the reproducibility of perfluoroalkylation, because Saturated CF 3 I / n-C 4 F 9 I pairs interact with the surface of polypropylene membranes at a pressure of ~ 5 atm. An ampoule with polypropylene membranes prepared in this way is placed in a gradient furnace (FIG. 2, b) at 100-160 ° C for 4-5 hours or irradiated with a 150 W UV lamp (incident radiation power of 100 mW / cm 2 ) (FIG. 2, c). At the end of perfluoroalkylation, the ampoules are opened, having previously not frozen in liquid nitrogen, which has not reacted CF 3 I / n-C 4 F 9 I, and polypropylene membranes with a perfluoroalkyl-modified surface and improved water-repellent properties are removed.

Неразрушающее фторирование поверхности полипропиленовых мембран осуществляют с использованием в качестве фторирующего агента XeF2 (навеска ~40 мг, из расчета ~20 мг XeF2 на 1 м2 нанопористого полимерного материала) в тефлоновом автоклаве объемом 100 мл в диапазоне температур от 20 до 140°С (фиг. 2, г).Nondestructive fluorination of the surface of polypropylene membranes is carried out using XeF 2 as a fluorinating agent (~ 40 mg sample, based on ~ 20 mg of XeF 2 per 1 m 2 of nanoporous polymeric material) in a 100 ml Teflon autoclave in the temperature range from 20 to 140 ° С (Fig. 2, g).

Оценку эффективности перфторалкилирования и фторирования поверхности нанопористых половолоконных полимерных мембран проводили на основании измерения контактных углов смачивания, а также исследования нанопористых половолоконных полипропиленовых мембран методами ИК-спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, растровой электронной микроскопии, а также на основании результатов апробирования модифицированной мембраны в мембранном контакторе.The effectiveness of perfluoroalkylation and fluorination of the surface of nanoporous hollow fiber polymer membranes was assessed based on contact wetting angles, as well as studies of nanoporous hollow fiber polypropylene membranes by IR spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, and also based on the results of testing the modified membrane in a membrane contact.

Согласно данным измерения контактных углов смачивания и растровой электронной микроскопии (Фиг. 3-5) модификация нанопористых полимерных мембран путем формирования на поверхности мембраны, включая внутренние стенки пор, покрытия из фторсодержащих функциональных групп в результате перфторалкилирования с использованием перфторалкилиодидов и фторирования с использованием XeF2 позволяет увеличить контактный угол смачивания не менее чем на 10° без разрушения микроструктуры мембраны.According to the contact wetting angle and scanning electron microscopy (Fig. 3-5), the modification of nanoporous polymer membranes by forming on the surface of the membrane, including the inner walls of the pores, coatings of fluorine-containing functional groups as a result of perfluoroalkylation using perfluoroalkyl iodides and fluorination using XeF 2 allows increase the contact angle of wetting by at least 10 ° without destroying the microstructure of the membrane.

Анализ модифицированных нанопористых половолоконных полипропиленовых мембран методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии подтвердил наличие покрытия из фторсодержащих функциональных групп на поверхности мембраны. Согласно данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии содержание атомов углерода, связанных с фтором, составляет не менее чем 6% от всего количества атомов углерода (Фиг. 6).The analysis of modified nanoporous hollow fiber polypropylene membranes by X-ray photoelectron spectroscopy confirmed the presence of a coating of fluorine-containing functional groups on the membrane surface. According to x-ray photoelectron spectroscopy, the content of carbon atoms associated with fluorine is not less than 6% of the total number of carbon atoms (Fig. 6).

По результатам анализа модифицированных нанопористых половолоконных полипропиленовых мембран методом ИК-спектроскопии (Фиг. 7), можно сделать вывод о том, что интегральная интенсивность максимума колебаний, соответствующего ОН-группам уменьшается при модификации мембран путем перфторалкилирования с использованием перфторалкилиодидов и фторирования с использованием XeF2, что согласуется с результатами измерения контактного угла смачивания и свидетельствует об уменьшении количества адсорбированной на поверхности мембраны воды (более чем в 10 раз) и улучшении гидрофобных свойств в сравнении с исходной полипропиленовой мембраной.According to the results of the analysis of modified nanoporous hollow fiber polypropylene membranes by IR spectroscopy (Fig. 7), we can conclude that the integral intensity of the vibration maximum corresponding to OH groups decreases during membrane modification by perfluoroalkylation using perfluoroalkyl iodides and fluorination using XeF 2 , which is consistent with the results of measuring the contact angle of contact and indicates a decrease in the amount of water adsorbed on the membrane surface (more e than 10 times) and improving the hydrophobic properties in comparison with the original polypropylene membrane.

Модифицированные нанопористые полипропиленовые мембраны были протестированы в процессе осушения влагонасыщенного воздуха при 25°С при рабочем давлении 6 атм и потоке воздуха 150 л/мин в мембранном контакторе газ/жидкость (конструкция мембранного контактора описана в патенте на изобретение RU 2626645) с использованием в качестве абсорбента триэтиленгликоля с содержанием воды менее 0.5%. Общая площадь мембраны в контакторе составляла 0,7 м2. Согласно полученным данным использованием модифицированных нанопористых полипропиленовых мембран с улучшенными водоотталкивающими свойствами позволяет количественно удалить пары воды из газовой смеси, тогда как использование немодифицированной мембраны в полностью аналогичных условиях позволяет извлекать не более 50% (пример 7, фиг. 8). Увеличение производительности мембраны достигается ввиду отсутствия смачивания раствором абсорбента материалы модифицированной мембраны и отсутствия заполнения пористой структуры жидкой фазой. При этом большая скорость диффузии компонентов в газовой фазе по сравнению с их диффузией в жидком растворе абсорбента определяет увеличение производительности мембраны.Modified nanoporous polypropylene membranes were tested during the drying of moisture-saturated air at 25 ° C at a working pressure of 6 atm and an air flow of 150 l / min in a gas / liquid membrane contactor (the design of the membrane contactor is described in patent RU 2626645) using absorbent material triethylene glycol with a water content of less than 0.5%. The total membrane area in the contactor was 0.7 m 2 . According to the data obtained, using modified nanoporous polypropylene membranes with improved water repellent properties allows the quantitative removal of water vapor from the gas mixture, while the use of an unmodified membrane under completely similar conditions makes it possible to recover no more than 50% (example 7, Fig. 8). An increase in membrane productivity is achieved due to the absence of wetting of the materials of the modified membrane with the absorbent solution and the absence of filling the porous structure with a liquid phase. Moreover, the high diffusion rate of the components in the gas phase compared with their diffusion in the absorbent liquid solution determines an increase in the membrane productivity.

Расхождения в контактных углах смачивания водой модифицированных нанопористых полипропиленовых мембран, изготовленных аналогично с применением CF3I, C2F5I, н-C3F7I, н-C4F9I, и их селективности в мембранных контакторах по извлекаемым в абсорбент компонентам газовых смесей не превышает 10%.Discrepancies in the contact wetting angles of water of modified nanoporous polypropylene membranes made similarly using CF 3 I, C 2 F 5 I, n-C 3 F 7 I, n-C 4 F 9 I, and their selectivity in membrane contactors for extractable absorbent components of gas mixtures does not exceed 10%.

Figure 00000002
Figure 00000002

Claims (3)

1. Модифицированная нанопористая полимерная мембрана для мембранных контакторов, характеризующаяся размером пор от 20 до 500 нм, отличающаяся тем, что мембрана имеет покрытие, включающее фторсодержащие функциональные группы -CF3, -CHF2, -C2F5, -C3F7, -C4F9, при этом в качестве нанопористых полимерных мембран используют половолоконные мембраны на основе полипропилена.1. A modified nanoporous polymer membrane for membrane contactors, characterized by a pore size of from 20 to 500 nm, characterized in that the membrane has a coating comprising fluorine-containing functional groups —CF 3 , —CHF 2 , —C 2 F 5 , —C 3 F 7 , -C 4 F 9 , while polypropylene-based hollow fiber membranes are used as nanoporous polymer membranes. 2. Способ получения модифицированной нанопористой полимерной мембраны для мембранных контакторов по п. 1, включающий гидрофобизацию поверхности мембраны путем создания покрытия из фторсодержащих функциональных групп -CF3, -CHF2, -C2F5, -C3F7, -C4F9, путем фторирования при помощи XeF2 и/или перфторалкилирования с использованием перфторалкилиодидов, включая CF3I, C2F5I, н-C3F7I, н-C4F9I, при УФ-облучении поверхности мембраны мощностью излучения 100 мВт/см2 и/или нагревании при температуре 60-160°C в градиентной печи в течение 4-5 часов.2. A method of producing a modified nanoporous polymer membrane for membrane contactors according to claim 1, comprising hydrophobizing the surface of the membrane by creating a coating of fluorine-containing functional groups —CF 3 , —CHF 2 , —C 2 F 5 , —C 3 F 7 , —C 4 F 9 , by fluorination with XeF 2 and / or perfluoroalkylation using perfluoroalkyl iodides, including CF 3 I, C 2 F 5 I, n-C 3 F 7 I, n-C 4 F 9 I, by UV irradiation of the membrane surface a radiation power of 100 mW / cm 2 and / or heating at a temperature of 60-160 ° C in a gradient furnace for 4-5 hours. 3. Способ по п. 2, характеризующийся тем, что в качестве нанопористых полимерных мембран используют мембраны с диаметром пор от 20 до 500 нм.3. The method according to p. 2, characterized in that as nanoporous polymer membranes using membranes with pore diameters from 20 to 500 nm.
RU2018147069A 2018-12-27 2018-12-27 Modified nanoporous polymer membrane with improved water-repellent properties for membrane contactors and method production thereof RU2718928C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147069A RU2718928C1 (en) 2018-12-27 2018-12-27 Modified nanoporous polymer membrane with improved water-repellent properties for membrane contactors and method production thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147069A RU2718928C1 (en) 2018-12-27 2018-12-27 Modified nanoporous polymer membrane with improved water-repellent properties for membrane contactors and method production thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2718928C1 true RU2718928C1 (en) 2020-04-15

Family

ID=70277946

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018147069A RU2718928C1 (en) 2018-12-27 2018-12-27 Modified nanoporous polymer membrane with improved water-repellent properties for membrane contactors and method production thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2718928C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5073175A (en) * 1988-08-09 1991-12-17 Air Products And Chemicals, Inc. Fluorooxidized polymeric membranes for gas separation and process for preparing them
SU1754191A1 (en) * 1990-07-26 1992-08-15 Филиал Института энергетических проблем химической физики АН СССР Method of modifying membranes for separation of gas mixtures
RU2467790C1 (en) * 2011-06-22 2012-11-27 Общество с ограниченной ответственностью "ИнтерФтор" Surface processing for polymer membrane materials
RU2468856C1 (en) * 2011-06-17 2012-12-10 Общество с ограниченной ответственностью "ИнтерФтор" Method of processing polymer membrane material surface
RU2626645C1 (en) * 2016-10-14 2017-07-31 Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" Method of retrieving components from natural and petraction of technological gas mixtures on nanoporous membranes

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5073175A (en) * 1988-08-09 1991-12-17 Air Products And Chemicals, Inc. Fluorooxidized polymeric membranes for gas separation and process for preparing them
SU1754191A1 (en) * 1990-07-26 1992-08-15 Филиал Института энергетических проблем химической физики АН СССР Method of modifying membranes for separation of gas mixtures
RU2468856C1 (en) * 2011-06-17 2012-12-10 Общество с ограниченной ответственностью "ИнтерФтор" Method of processing polymer membrane material surface
RU2467790C1 (en) * 2011-06-22 2012-11-27 Общество с ограниченной ответственностью "ИнтерФтор" Surface processing for polymer membrane materials
RU2626645C1 (en) * 2016-10-14 2017-07-31 Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" Method of retrieving components from natural and petraction of technological gas mixtures on nanoporous membranes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ХАРИТОНОВ А.П. и др.Прямое фторирование полимерных изделий: от фундаментальных исследований к практическому использованию, Рос.хим. об-ва им. Д.Менделеева, 2008, Т.52, NN, с.106-111. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Steen et al. Low temperature plasma treatment of asymmetric polysulfone membranes for permanent hydrophilic surface modification
Tooma et al. Modification of polyvinyl chloride (PVC) membrane for vacuum membrane distillation (VMD) application
JP6896642B2 (en) How to remove water from asymmetric composite membranes and feed streams
EP0364628B1 (en) Gas, isotope, and liquid separations by membranes
KR20010020442A (en) Process for making Surface Modified Porous Membrane with Perfluorocarbon Copolymer
KR20010020440A (en) Surface Modified Porous Membrane and Process
WO2014164793A2 (en) Multiblock copolymers and methods of use
US4770908A (en) Process for preparing porous ceramic membrane
RU2718928C1 (en) Modified nanoporous polymer membrane with improved water-repellent properties for membrane contactors and method production thereof
Al-Gharabli et al. Activation of PVDF membranes through facile hydroxylation of the polymeric dope
Yang et al. Selective-swelling-induced porous block copolymers and their robust TiO 2 replicas via atomic layer deposition for antireflective applications
JP2007301415A (en) Pore size measuring method and integrity test method for porous separation membrane
Shirkova et al. Physical and chemical basis for the manufacturing of fluoropolymer track membranes
KR20160131654A (en) Ultra hydrophobic membrane produced by oxygen plasma irradiation and chemical treatment and production method therefor
US11931695B2 (en) Hydrophobic membranes and membrane distillation methods
Kravets et al. Production and properties of polypropylene track membranes
Wang et al. Hydrophilic Modification of Microporous Polysulfone Membrane via Surface‐Initiated Atom Transfer Radical Polymerization and Hydrolysis of Poly (glycidylmethacrylate)
WO2020254550A1 (en) Carbon quantum dots with improved optical properties
JP3222037B2 (en) Surface treatment method by remote plasma
Murata et al. Drying and sintering of bulk silica gels
JP3638426B2 (en) Ceramic composite member for deaeration and deaeration method using the same
WO2009116892A1 (en) Alkylketone fluorotelomers, methods for the production thereof (variants) and a method for producing functional coatings based thereon
JP5414015B2 (en) Porous carbon membrane and method for producing the same
Dmitriev et al. Surface modification of poly (ethylene terephthalate) track membranes in an allyl alcohol plasma
CN115612157A (en) Low-adsorption liquid transfer suction head and preparation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210329

Effective date: 20210329