WO1998030379A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer mehrschichtigen flächigen polymermembran - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer mehrschichtigen flächigen polymermembran Download PDF

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WO1998030379A1
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polymer
carrier
membrane
slot
polymer solutions
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Thomas Weigel
Uwe Martens
Wolfgang Albrecht
Klaus Richau
Roland Hilke
Dieter Paul
Klemens Kneifel
Klaus-Viktor Peinemann
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Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh
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    • B29C48/21—Articles comprising two or more components, e.g. co-extruded layers the components being layers the layers being joined at their surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a multi-layered flat polymer membrane, in which a plurality of polymer solutions are first produced in accordance with the number of layers, and to a device with which the method mentioned above can also be carried out.
  • Another device for producing a flat polymer membrane uses a so-called die-cast.
  • This device has a slot in a solid plate through which the polymer solution is extruded. The extrusion takes place directly or via an air gap in a coagulation bath.
  • two polymer solutions are extruded simultaneously one above the other or next to one another, producing two membrane membranes.
  • Such a device is described in DD-PS 138 938.
  • the known device produces two layered membranes which, depending on the compatibility of the polymer solutions used and the formation conditions used, can be separated into their individual components or they form a composite membrane.
  • the object is achieved according to the method in that the polymer solutions are subsequently transported separately to an area formed in front of a slot-shaped extrusion, where the polymer solutions are applied to both sides of a flat carrier which is also transported to this region, the carrier subsequently with polymer solutions applied on both sides to form the flat polymer membrane through the slot-shaped extrusion device.
  • the advantage of the method according to the invention lies essentially in the fact that a membrane is created with which a membrane composite is produced in one operation is created in which a carrier, which is for example a nonwoven, a woven fabric or a knitted fabric, can be acted upon from both sides with the polymer solution, so that at the end of the production process, including the carrier essentially producing the strength of the membrane composite, a polymer membrane is created in which the carrier is integrated in the membrane composite.
  • a carrier which is for example a nonwoven, a woven fabric or a knitted fabric
  • the polymer membrane emerging from the extrusion device is passed into a coagulation medium, it being advantageously possible to carry out the process in such a way that a wet extrusion process is possible in which the emerging polymer membrane is immersed directly in the coagulation medium.
  • a further advantageous procedure is also possible in such a way that, in the manner of a dry-wet extrusion process, the polymer membrane is immersed in a liquid coagulation medium only after passing through a certain evaporation zone in a gaseous atmosphere.
  • the polymer membrane is post-treated by means of preparation and / or drying, so that the final membrane is finished and can be used for its intended function.
  • the carrier with polymer solutions in untreated form prior to the coating or application process and to coat them with the polymer solutions in the manner described above or to apply the polymer solutions.
  • the support which may be, for example, a fabric in the form of a fleece, a net, a film, a filter or some other suitable woven or knitted fabric, with polymer solution. This, for example, improves the adhesion of the polymer solution layers or the polymer layers in order to influence the structure formation at the interface between the polymer solution and the carrier.
  • a liquid or liquids which are solvents for the polymers forming the polymer layers or liquids which preferably react chemically and / or physiologically with the polymer solutions are preferably suitable as the impregnating agent.
  • a device for producing a multi-layered flat polymer membrane which is produced from a plurality of polymer solutions corresponding to the number of layers, with which the above-mentioned method can also be carried out, is slit-shaped by an extrusion tool with a plurality to form a slot-shaped extrusion die narrowing feed channels for the polymer solutions to a region before their entry into the extrusion die, wherein a slot-shaped feed opening for the feed of a carrier also opens into this region, on the two sides of the carrier the polymer solutions fed from the feed channels can be applied before the composite of polymer solution and carrier passes through the extrusion die.
  • the advantage of the device according to the invention essentially consists in the fact that it is possible in a simple manner to continuously produce a flat polymer membrane consisting of polymer layers attached or applied as a composite membrane to at least two sides of a support, the polymer solutions also being uniform by means of this device can be layered one on top of the other and even side by side, and the device also allows the polymer solutions to be composed differently on one side and on the other side, on which the coating or application of the polymer solution takes place on the surface-shaped carrier.
  • the polymer layers which are designed differently in terms of their composition, can be tailored specifically to the intended use.
  • the structure of the device does not need to be changed for different polymer solutions.
  • wet extrusion or dry-wet extrusion can occur according to the method.
  • the pressure which determines the volume flow of the respective polymer solution and with which the polymer solution is conveyed through the respective feed channel to the application area can preferably be set differently.
  • the speed at which the carrier is conveyed through the slot-shaped feed opening to the opening area can be adjusted, so that the thickness of the respective polymer layer and the degree of the desired bond between the polymer layer and the carrier can be set in a targeted manner .
  • the opening cross section of the extrusion die is also determining the thickness of the multilayer flat polymer membrane that can be formed by the device, the opening cross section of the slot-shaped extrusion die preferably being adjustable at least with respect to the slot height.
  • Fig. 1 in side view of an Extrusi onsei nri direction on the line A - B of Fig. 2 and Fig. 2 is a view of the representation of the Extrusi onsei nri direction according to FIG. 1 from behind.
  • the device according to the invention essentially consists of an extrusion tool 11 which, in the example described here, has two feed channels 13, 14 for the polymer solutions which narrow to form a slot-shaped extrusion nozzle 12.
  • the polymer solutions which may have identical or different compositions, are supplied to the device 10 from the outside via the feed openings 19, 20, their pressure being selectable and adjustable.
  • the feed channels 13, 14 narrowing towards the slit-shaped extrusion nozzle 12 open into a region 15 in the interior of the device 10 before entering the extrusion nozzle 12.
  • a central slit is formed through the central part of the device 10, essentially in the diaphragm exit direction 17, through which a carrier, which can consist of a fleece, a woven fabric, a grid or a knitted fabric or the like, is fed.
  • the feed opening 16 for the f1-shaped carrier likewise opens into the region or application area 15.
  • the composite of polymer layers and carrier formed in the region or application region 15, which will be described in more detail below, leaves in the direction of transport of the carrier. cf. arrow 21, the device 10 via an extrusion on tool 11 covering this exit area.
  • the extrusion on tool 11 is formed with longitudinal slots, see also FIG. 2.
  • the slot height 18 determines, among other things, the thickness of the composite of polymer layers and carrier formed within the device 10 the thickness of the Extrusion tool leaving polymer membrane.
  • this measure can also be used to influence the thickness of the device 10 leaving the device 10, here formed on both sides of a support with a polymer layer, with two layers of polymer membrane.
  • a plurality of supply channels can also be arranged next to one another, which means for the production of large-area polymer membranes for an even distribution or an even application of the polymer solutions to the support above and below, i.e. on both sides, is taken into account.
  • the method for producing the polymer membrane can be carried out by means of the device 10 described above.
  • polymer solutions are prepared, preferably in a common solvent or solvent mixture, which have, for example, polymer concentrations of 10 to 50% by mass.
  • the polymer solutions can then be filtered and degassed.
  • the polymer solutions of the device 10 are fed via the feeds 19 and 20 and reach the feed channels 13 and 14.
  • the polymer solutions are applied to both sides of a carrier likewise fed into the application area 15 via the feed opening 16 and while transporting the Carrier in the direction of arrow 21 through the extrusion nozzle 12 and are discharged from the device 10 either in the membrane exit direction 17, which normally corresponds to the transport direction 21.
  • the finished polymer membrane emerging from the extrusion nozzle 12 in any case as far as its basic structure is concerned, is to be passed directly into a coagulation medium or is only introduced into it after passing through an evaporation section, depending on the process chosen. Finally, all non-membrane-forming constituents of the polymer membrane and the coagulation bath are then removed by washing or extracting the polymer membrane formed, with subsequent processing of the polymer membrane using aftertreatment processes such as preparation, drying, etc. possibly also being possible.
  • the polymer solution supplied via the one feed channel 13 can be identical to the polymer solution supplied via the feed channel 14.
  • the different polymers it is possible for the different polymers to differ only in their molecular weights, the polymer solution concentration and / or the solvents or solvent mixtures and / or the Let temperature differentiate.
  • the two layers of the membranes are preferably formed from such identical or different polymers in which one polymer layer in particular consists of a polymer with a cationic charge and the other polymer layer in particular consists of a polymer with an anionic charge.
  • All liquids, liquid mixtures or solutions which have a precipitation point ⁇ of less than or equal to 0.5 can serve as coagulants.
  • water, mixtures of water and alcohols, water and solvents (mixed) or mixtures of water, alcohol and solvents (mixture) are preferably used.
  • the precipitation point ⁇ of the precipitation medium is determined using 4% by mass solutions of the polymers used as membrane formers according to the relation:
  • ⁇ consumption of coagulant [ml] / (consumption of coagulant [ml] + solution of the polymer [ml]) determined.
  • the use of the device 10 according to the invention enables the production of composite membranes in a continuous process in one process step both after a wet extrusion process (multi-component slurry nozzle dips directly into the coagulation medium) and after a dry-wet extrusion process (the composite consisting of first polymer solution, f1 sheet-like carrier and second polymer solution is immersed in the liquid coagulation medium only after passing through a certain evaporation distance in a gaseous atmosphere).
  • the polymer membranes produced by the process according to the invention for example according to a Phase inversion, separate into two single membranes, each of which can be used individually, the carrier then being either in a single membrane or in no membrane.
  • the resulting membrane was characterized at a transmembrane pressure of 0.5 bar.
  • the resulting membrane has the following properties:

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zur Herstellung einer mehrschichtigen flächigen Polymermembran vorgeschlagen, bei denen zunächst eine Mehrzahl von Polymerlösungen entsprechend der Anzahl der Schichten hergestellt werden. Dabei ist ein Extrusionswerkzeug (11) mit einer Mehrzahl schlitzförmig zu einer schlitzförmig ausgebildeten Extrusionsdüse (12) sich verengenden Zufuhrkanälen (13, 14) für die Polymerlösungen zu einem Bereich (15) vor deren Eintritt in die Extrusionsdüse (12) vorgesehen, wobei in diesen Bereich (15) auch eine schlitzförmige Zufuhröffnung (16) für die Zufuhr eines Trägers mündet, auf den von seinen beiden Trägerseiten die von den Zufuhrkanälen (13, 14) zugeführten Polymerlösungen vor dem Durchtritt des Verbundes aus Polymerlösungen und Träger durch die Extrusionsdüse (12) aufgebracht werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer mehrschichtigen flächigen Polymermembran
Beschrei bung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen flächigen Polymermembran, bei dem zunächst eine Mehrzahl von Polymerlösungen entsprechend der Anzahl der Schichten hergestellt werden, sowie eine Vorrichtung, mit der auch das vorangehend aufgeführte Verfahren ausgeführt werden kann.
Bei dem im Stand der Technik bekannten Prinzip zur Herstellung von flächigen Polymermembranen wird eine Polymerlösung mit Hilfe eines Ziehkastens, eines Rakels oder eines Spaltes auf eine feste Unterlage aufgebracht und anschließend durch Lösungsmittel ausdunstung oder gegebenenfalls nach Durchlaufen einer Abdunststrecke , in ein flüssiges Koagulationsmedium gegeben, wo die Polymermembran koaguliert wird. Ein Herstellungsverfahren dieser Art ist z.B. in "E. Staude, Membranen und Membrantrennprozesse, Grundlagen und Anwendungen, VHC Verl agsgesell schaft mbH, Weinheim 1992" beschrieben worden. Dabei kann entweder der Ziehkasten über die feste Unterlage oder auch die feste Unterlage (Metallband, Metalltrommel und/oder Vlies) unter dem Ziehkasten bewegt werden.
Prinzipiell müßte es somit unter Anwendung des vorbeschriebenen bekannten Verfahrens möglich sein, unter Anwendung eines Doppel zi ehkastens oder Doppelrakels das Verfahren derart durchzuführen, daß eine Verbundmembran, auch in mehrschichtiger Ausführung, realisiert werden könnte .
Bei einer anderen Vorrichtung zur Herstellung einer flächigen Polymermembran wird ein sog. Druckgießer verwendet. Diese Vorrichtung weist einen Schlitz in einer festen Platte auf, durch den die Polymerlösung extrudiert wird. Die Extrusion erfolgt unmittelbar oder über einen Luftspalt in ein Koagulationsbad. Bei einer speziellen Ausführung dieser bekannten Vorrichtung werden zwei Polymerlösungen gleichzeitig über- oder nebeneinander extrudiert, wobei Zwei schi chtenmembranen entstehen. Eine derartige Vorrichtung ist in der DD-PS 138 938 beschrieben. Es entstehen bei der bekannten Vorrichtung Zwei schi chtmembranen , die, je nach Verträglichkeit der verwendeten Polymerlösungen und den angewendeten Bildungsbedingungen, in ihre Ei nzel bestandtei 1 e aufgetrennt werden können oder sie bilden eine Verbundmembran .
Weder mit der zuerst genannten Verfahrensführung noch mit der zuvor genannten Vorrichtung sind flächige Polymermembranen auf rationelle Weise in einem Verfahrensschritt herstellbar, die sich durch hohe durch den Träger vermittelte Festigkeit und gleichzeitig durch einen mehrschichtigen strukturellen Aubau auszeichnen, der zur Abtrennung von gelösten, emulgierten oder gasförmigen Stoffen aus Lösungen, Emulsionen oder Gasen sowie zum selektiven Transport geladener Teilchen geei gnet ist.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer mehrschichtigen flächigen Polymermembran der eingangs genannten Art zu schaffen, die gestatten, daß eine hochfeste Verbundmembran geschaffen werden kann, bei der Pol merlösungen, die auch unterschiedlich sein können, zu unterschiedlichen Polymerschichten übereinander und/oder nebeneinander in einem Verfahrensschritt aufgebracht werden können, wobei insbesondere die Vorrichtung einen einfachen Aufbau und eine einfache Verfahrensführung zur Ausbildung der mehrschichtigen Polymermembran gestattet.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem Verfahren dadurch, daß die Polymerlösungen nachfolgend getrennt zu einem vor einer schlitzförmig ausgebildeten Extrusi onsei nri chtung ausgebildeten Bereich transportiert werden, wo die Polymerlösungen beidseitig flächig auf einen ebenfalls in diesen Bereich transportierten flächigen Träger aufgebracht werden, wobei nachfolgend der Träger mit beidseitig aufgebrachten Polymerlösungen zur Ausbildung der flächigen Polymermembran durch die schlitzförmige Extrusi onsei nri chtung hindurchgefördert wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im wesentlichen darin, daß eine Membran geschaffen wird, mit der in einem Arbeitsgang ein Membranverbund geschaffen wird, bei dem ein Träger, der beispielsweise ein Vlies, ein Gewebe oder ein Gestrick ist, von beiden Seiten mit der Polymerlösung beaufschlagt werden kann, so daß am Ende des Herstellungsverfahrens unter Einschluß des die Festigkeit des Membranverbundes im wesentlichen herstellenden Trägers eine Polymermembran geschaffen wird, bei der der Träger im Membranverbund integriert ist. Die bisherigen bekannten Verfahren gestatteten keine Herstellung einer derart aufgebauten mehrschichtigen Polymermembran.
Vorteil afterweise wird die aus der Extrus i onsei nri chtung austretende Polymermembran in ein Koagulationsmedium geleitet, wobei es vorteilhafterweise möglich ist, das Verfahren so zu führen, daß ein Naßextrus i onsprozeß möglich ist, bei dem die austretende Pol mermembran direkt in das Koagulationsmedium eintaucht. Prinzipiell ist eine weitere vorteilhafte Verfahrensführung auch derart möglich, daß nach Art eines Trocken-Naß-Extrusi- onsprozesses die Polymermembran erst nach Durchlaufen einer gewissen Abdunststrecke in einer gasförmigen Atmosphäre in ein flüssiges Koagulationsmedium eingetaucht wird.
Auch kann es vorteilhaft sein, daß nach der Koagulation oder unmittelbar nach dem Austritt der Polymermembran aus der Düseneinrichtung alle ni chtmembranbi 1 denden Bestandteile durch Waschen und/oder Extraktion entfernt werden .
Schließlich ist es vorteilhaft, daß die Polymermembran mittels Präparation und/oder Trocknung nachbehandelt wird und so die endgültige Membran fertiggestellt ist und ihrer bestimmungsgemäßen Funktion zugeführt werden kann . Grundsätzlich ist es möglich, den Träger vor dem Be- schichtungs- bzw. Auftragvorgang mit Polymerlösungen in unbehandel ter Form zuzuführen und mit den Polymerlösungen auf vorbeschriebene Weise zu beschichten bzw. die Polymerlösungen aufzutragen. Es ist vorteilhafterweise aber auch möglich, den Träger, der beispielsweise ein Flächengebilde in Form eines Vlieses, eines Netzes, einer Folie, eines Filters oder eines sonstigen anderen geeigneten Gewebes oder Gestrickes vorliegen kann, vor der Beaufschlagung mit Polymerlösung zu imprägnieren. Dadurch wird beispielsweise eine Verbesserung der Haftung der Pol merlösungsschichten bzw. der Polymerschichten zur gezielten Einflußnahme auf die Strukturbildung an der Grenzfläche zwischen Polymerlösung und Träger erreicht.
Als Imprägnierungsmittel eignet sich vorzugsweise eine Flüssigkeit bzw. eignen sich Flüssigkeiten, die Lösungsmittel für die die Polymerschichten bildenden Polymere sind bzw. Flüssigkeiten, die vorzugsweise mit den Polymerlösungen chemisch und/oder physi ko-che i seh reagi eren .
Eine Vorrichtung zur Herstellung einer mehrschichtigen flächigen Polymermembran, die aus einer Mehrzahl von Polymerlösungen entsprechend der Anzahl der Schichten hergestellt wird, mit der auch das vorangehend aufgeführte Verfahren ausgeführt werden kann, ist durch ein Extrusi onswerkzeug mit einer Mehrzahl schli zförmig sich zu einer schlitzförmig ausgebildeten Extrusionsdüse verengenden Zufuhrkanälen für die Polymerlösungen zu einem Bereich vor deren Eintritt in die Extrusionsdüse gekennzeichnet, wobei in diesen Bereich auch eine schlitzförmige Zufuhröffnung für die Zufuhr eines Trägers mündet, auf den von seinen beiden Trägerseiten die von den Zufuhrkanälen zugeführten Polymerlösungen vor Durchtritt des Verbundes aus Pol merlösung und Träger durch die Extrusionsdüse aufbringbar sind.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht im wesentlichen darin, daß mit dieser auf einfache Weise kontinuierlich die Herstellung einer flächigen, als Verbundmembran aus wenigstens an beiden Seiten eines Trägers angebrachten bzw. aufgebrachten Polymerschichten bestehende flächige Polymermembran möglich ist, wobei auch die Polymerlösungen mittels dieser Vorrichtung gleichmäßig übereinander und sogar nebeneinander schichtbar sind, und wobei die Vorrichtung es zudem gestattet, daß zur einen Seite und zur anderen Seite, auf der die Beschichtung bzw. der Auftrag der Polymerlösung auf dem f1 ächenför i gen Träger erfolgt, die Polymerlösungen unterschiedlich zusammengesetzt sein können. Die in bezug auf ihre Zusammensetzung unterschiedlich ausgebildete Polymerschichten können speziell auf den Verwendungszweck abgestimmt werden. Der Aufbau der Vorrichtung braucht für unterschiedliche Polymerlösungen grundsätzlich nicht verändert zu werden.
Um auch in der Fläche unterschiedliche Zusammensetzungen der Polymerlösungen zuzuführen, ist es vorteilhaft, eine Mehrzahl von Zufuhrkanälen nebeneinander anzuordnen, wobei diese Ausgestaltung natürlich auch dazu dienen kann, für eine gleichmäßige Verteilung der zugeführten Polymeröffnung mit gleicher Zusammensetzung bei großflächig auszubildenden Polymermembranen zu sorgen.
Wie oben schon im Zusammenhang mit der Verfahrensführung angedeutet, kann es zu einer Naßextrusion bzw. zu einer Trocken-Naß-Extrus i on gemäß dem Verfahren kommen. Je nach gewünschter Nachbehandlung der aus der sch i zförmigen Extrusi onsei nri chtung austretenden Polymermembran kann es dabei vorteilhaft sein, die Polymermembran unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 80° relativ zur Membranaustrittsrichtung aus der Extrusionsdüse abzuziehen.
Vorzugsweise ist der den Volumenstrom der jeweiligen Polymerlösung bestimmende Druck, mit dem die Polymerlösung durch den jeweiligen Zufuhrkanal zum Aufbringbereich gefördert wird, unterschiedlich einstellbar.
Weiterhin ist es vorteilhaft, daß ebenfalls die Geschwindigkeit, mit der der Träger durch die schlitzförmige Zufuhröffnung zum Aufbri ngberei ch gefördert wird, einstellbar ist, so daß gezielt die Dicke der jeweiligen Polymerschicht und der Grad des angestrebten Verbundes zwischen der Polymerschicht und dem Träger einstellbar sind.
Bestimmend für die Dicke der durch die Vorrichtung ausbildbaren mehrschichtigen flächigen Polymermembran ist auch der Öffnungsquerschnitt der Extrusionsdüse, wobei vorzugsweise der Öffnungsquerschnitt der schlitzförmigen Extrusionsdüse wenigstens in bezug auf die Schlitzhöhe einstellbar ist.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 in der Seitenansicht eine Extrusi onsei nri chtung im Schnitt entlang der Linie A - B von Fig. 2 und Fig. 2 eine Ansicht auf die Darstellung der Extrusi onsei nri chtung gemäß Fig. 1 von hinten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentl i chen aus einem Extrusi onswerkzeug 11, das in dem hier beschriebenen Beispiel zwei schlitzförmig sich zu einer schlitzförmig ausgebildeten Extrusionsdüse 12 verengende Zufuhrkanäle 13, 14 für die Polymerlösungen aufweist. Auf an sich bekannte Weise werden die Polymerlösungen, die identische oder unterschiedliche Zusammensetzung haben können, über die Zufuhröffnungen 19, 20 der Vorrichtung 10 von außen zugeführt, wobei deren Druck wähl- und einstellbar ist. Die sich zu der schlitzförmig ausgebildeten Extrusionsdüse 12 hin verengenden Zufuhrkanäle 13, 14 münden in einen Bereich 15 im Inneren der Vorrichtung 10 vor dem Eintritt in die Extrusionsdüse 12.
Durch das zentrale Teil der Vorrichtung 10 wird im wesentlichen in Membranaustrittsrichtung 17 ein flächen- förmiger Schlitz ausgebildet, durch den ein Träger, der aus einem Vlies, einem Gewebe, einem Gitter oder einem Gestrick oder dergleichen bestehen kann, zugeführt wird. Die Zufuhröffnung 16 für den f1 ächenförmi gen Träger mündet ebenfalls in den voraufgeführten Bereich bzw. Auftragberei ch 15. Der im Bereich bzw. Auftragbereich 15 gebildete Verbund aus Polymerschichten und Träger, was noch weiter unten im einzelnen beschrieben wird, verläßt in Transportrichtung des Trägers, vergleiche Pfeil 21, die Vorrichtung 10 über ein diesen Austrittsbereich abdeckendes Extrusi onswerkzeug 11. Das Extrusi onswerkzeug 11 ist längsgeschlitzt ausgebildet, vergleiche auch Fig. 2. Die Schlitzhöhe 18 bestimmt unter anderem die Dicke des innerhalb der Vorrichtung 10 gebildeten Verbundes aus Polymerschichten und Träger bzw. die Dicke der das Extrusi onswerkzeug verlassenden Polymermembran. Durch geeignete Wahl der Extrusionsdüse 12, die auswechselbar ist, kann auch durch diese Maßnahme gezielt Einfluß auf die Dicke der die Vorrichtung 10 verlassenden, hier beidseitig eines Trägers mit einer Polymerschicht ausgebildeten zwei schi chten Polymermembran genommen werden .
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann auch eine Mehrzahl von Zufuhrkanälen nebeneinander angeordnet sein, womit für die Herstellung großflächiger Polymermembranen für eine gleichmäßige Verteilung bzw. ein gleichmäßiges Aufbringen der Polymerlösungen auf den Träger oberhalb und unterhalb, d.h. beidseitig, Rechnung getragen wird. Prinzipiell ist es auch möglich, die parallel nebeneinander angeordneten Zufuhrkanäle auch mit unterschiedlichen Polymerlösungen auf einer Seite des Trägers zu beschicken, so daß in der Fläche der Polymermembran unterschiedliche Membranen mit unterschiedlichen Trenneigenschaften in einem Arbeitsgang ausbildbar sind.
Das Verfahren zur Herstellung der Polymermembran kann mittels der vorangehend beschriebenen Vorrichtung 10 ausgeführt werden. Dazu werden Polymerlösungen, vorzugsweise in einem gemeinsamen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, hergestellt, die beispielsweise Polymerkonzentrationen von 10 bis 50 Ma-% aufweisen. Nachfolgend können die Polymerlösungen filtriert und entgast werden. Dann werden die Polymerlösungen der Vorrichtung 10 über die Zuführungen 19 und 20 zugeführt und gelangen in die Zufuhrkanäle 13 und 14. Im Aufbringbereich 15 in der Vorrichtung werden die Polymerlösungen auf einen ebenfalls in den Aufbri ngberei ch 15 über die Zufuhröffnung 16 zugeführten Träger beidseitig aufgebracht und unter gleichzeitigem Transport des Trägers in Richtung des Pfeiles 21 durch die Extrusionsdüse 12 geführt und werden dort entweder in Membranaustrittsrichtung 17, die normalerweise der Transportrichtung 21 entspricht, von der Vorrichtung 10 abgeführt. Grundsätzlich ist es aber möglich, daß die die Extrusionsdüse verlassenden Polymermembran unter einem Winkel von 0° bis 80° relativ zur Membranaustrittsrichtung abgezogen wird.
Die an sich, jedenfalls was ihren Grundaufbau angeht, aus der Extrusionsdüse 12 austretende fertige Polymermembran direkt in ein Koagulationsmedium hineinzuleiten oder erst nach Durchlaufen einer Abdunststrecke darin einzuleiten, hängt von der gewählten Verfahrensführung ab. Schließlich werden dann alle ni cht embranbi 1 denden Bestandteile der Polymermembran und des Koagulationsbades durch Waschen bzw. Extraktion der gebildeten Polymermembran entfernt, wobei gegebenenfalls auch noch eine anschließende Bearbeitung der Polymermembran mit Nachbehandlungsverfahren wie Präparation, Trocknung usw. mögl i ch i st .
Es sei noch darauf hingewiesen, daß als separat einzusetzende Polymerlösungen grundsätzlich alle, wie schon angedeutet, unterschiedliche Zusammensetzungen im Prinzip aller membranbildender Polymere sowie deren Gemische gewählt werden können, entweder gelöst in geeigneten gleichen Lösungsmitteln oder Lösungsmi ttel - gemischen. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die über den einen Zufuhrkanal 13 zugeführte Polymerlösung identisch mit der über den Zufuhrkanal 14 zugeführten Polymerlösung ist. Es ist aber möglich, die unterschiedlichen Polymere sich lediglich in den Molmassen, der Polymerlösungskonzentration und/oder den Lösungsmitteln bzw. Lösungsmittelgemischen und/oder der Temperatur unterscheiden zu lassen. Vorzugsweise werden die beiden Schichten der Membranen aus solchen gleichartigen oder unterschiedlichen Polymeren gebildet, bei denen eine Polymerschicht insbesondere aus einem Polymer mit kationischer Ladung und die andere Polymerschicht insbesondere aus einem Polymer mit anionischer Ladung besteht .
Als Koagulationsmittel können alle Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemische bzw. Lösungen dienen, die in bezug auf die jeweils eingesetzten Polymerlösungen einen Fällpunkt Ύ von kleiner oder gleich 0,5 (gemessen durch Trübungstitration an 4 Ma.-%igen Polymerlösungen) aufweisen. Vorzugsweise werden jedoch Wasser, Gemische aus Wasser und Alkoholen, Wasser und Lösemi ttel (gemi seh) bzw. Gemische aus Wasser, Alkohol und Lösemi ttel (ge- misch) eingesetzt. Der Fällpunkt Ύ des Fällmediums wird hierbei unter Verwendung 4 Ma.-%igen Lösungen der als Membranbildner eingesetzten Polymere nach der Relation:
Ύ = Verbrauch an Koagulationsmittel [ml] / (Verbrauch an Koagulationsmittel [ml] + vorgelegte Lösung des Polymers [ml ] ) er i ttel t .
Die Abzugsgeschwindigkeit, die Fördermenge der Polymerlösungen, die Dicke bzw. Porosität des verwendeten f1 ächenför igen Trägers, (Vlies, Filter, Netz, Folie usw.) sowie die Spaltbreite und - höhe 18 der Extrusionsdüse 12 abgestimmt. Im Falle der Imprägnierung des fl ächenförmigen Trägers gilt:
Figure imgf000013_0001
vAbzug
<BD ' DD " BD * O?G Im Falle der Ni chtimprägni erung des fl ächenförmi gen Trägers gilt:
Figure imgf000014_0001
Abzug
(Br DD - i DFG>
Hierbei bedeuten
vAA,bz,„u„g - Abzug3sg3eschwindig3keit [cm/ /s] Λ
Vp, » - Volumenstrom der Polymerlösung A [cm /s]
Vp, R - Volumenstrom der Polymerlösung B [cm /s]
B. - Breite des Düsenschlitzes [cm]
Dn - Höhe des Düsenschlitzes [cm]
DFG - Dicke des Flächengebildes, Vlies, Filter, Netz,
Fol i e o.a. [cm] 6 - Volumenporosität des Flächengebildes, Vlies,
Fi 1 ter , Netz , Fol i e o.a.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ermöglicht die Herstellung von Verbundmembranen in einem kontinuierlichen Prozeß in einem Verfahrensschritt sowohl nach einem Naßextrusi onsprozeß (Mehrkomponentenbrei tschl i tzdüse taucht direkt in das Koagulationsmedium ein) als auch nach einem Trocken-Naß-Extrusionsprozeß (der Verbund, bestehend aus erster Polymerlösung, f1 ächenförmigen Träger und zweiter Polymerlösung wird erst nach Durchlaufen einer gewissen Abdunststrecke in einer gasförmigen Atmosphäre in das flüssige Koagulationsmedium eingetaucht).
Bei Verwendung untereinander unverträglicher, d.h. geeignet auswählbarer Polymerlösungen, lassen sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polymermembranen, beispielsweise nach einer Phaseninversion, in zwei Ei nzel membranen auftrennen, die jede für sich verwendbar sind, wobei der Träger sich dann entweder in einer Ei nzel membran oder in keiner Membran befindet.
Im folgenden soll die Erfindung an Beispielen näher ausgeführt werden:
1. Beispiel
Pol acryl ni tri 1 mit einem mittleren Molekulargewicht von Mw=l,2 * 105 g/mol wird 2h bei 80°C unter Rühren (1400 U/min) in N . -Methlypyrrol i don gelöst, so daß eine 15.5 Ma.-%ige Polymerlösung entsteht. Im Anschluß daran wird die Pol merlösung filtriert und entgast. Diese Polymerlösung wird sowohl als die separat eingesetzte erste Polymerlösung als auch als zweite Polymerlösung verwendet. Als Träger wurde ein 0,2 mm starkes Vlies eingesetzt. Der Polymerlösungverbund wurde durch eine "Trok- kenstrecke" von 0,5 m geführt und anschließend im Koagulationsmedium Wasser bei 25° C gefällt. Der Polymerlösungsverbund wurde in einem Winkel von 0°, bezogen auf die Austrittsrichtung, von der Extrusionsdüse 12 abgezogen. Des weiteren wurde folgende Parameter angewendet .
vAbzug " 4 [cm *] VpLA - 1,2 [c Vs]
VpLß - 1,2 [cm3/s]
BD - 20,0 [cm]
DD - 0,05 [cm]
Doe Charakterisierung der resultierenden Membran wurde bei einem Transmembrandruck von 0,5 bar vorgenommen. Die resultierende Membran besitzt folgende Eigenschaften :
Wasserpermeabilität - 54,5 [1/hm2 ] Mittlerer Porendurchmesser - 3,1 [nm] Porendurchmesser Cut off - 9,6 [n ]
Porendichte - 2,6 * 1010 [Anzahl/cm2]
* -3 Oberflächenporosität - 1,9 10
* 23 -3 Relativer Leistungsparameter - 1,4 10 [m ]
(Tweddl e)
Bezugszei chenl i ste
10 Vorrichtung
11 Extrusi onswerkzeug
12 Extrusionsdüse
13 Zufuhrkanal
14 Zufuhrkanal
15 Bereich / Aufbri ngberei ch
16 Zufuhröffnung
17 Membranaustrittrichtung
18 Schlitzhöhe
19 Zuführung
20 Zuführung
21 Pfeil (Transportrichtung)

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer mehrschichtigen flächigen PolymermembranPatentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen flächigen Polymermembran, bei dem zunächst eine Mehrzahl von Polymerlösungen entsprechend der Anzahl der Schichten hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerlösungen nachfolgend getrennt zu einem vor einer schlitzförmig ausgebildeten Extrusi onsei nri chtung ausgebildeten Bereich transportiert werden, wo die Polymerlösungen beidseitig flächig auf einen ebenfalls in diesen Bereich transportierten flächigen Träger aufgebracht werden, wobei nachfolgend der Träger mit den beidseitig aufgebrachten Polymerlösungen zur Ausbildung der flächigen Polymermembran durch die schlitzförmige Extrusi onseinri chtung hindurchgefördert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Extrusi onsei nri chtung austretende Polymermembran in ein Koagulationsmedium geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Extrusi onsei nri chtung austretende Polymermembran vor Eintritt in ein Koagulationsmedium längs einer Abdunststrecke geführt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nachfolgend alle ni chtmembranbi 1 denden Bestandteile durch Waschen und/- oder Extraktion entfernt werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermembran mittels Präparation und/oder Trocknung nachbehandelt wi rd .
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger vor Aufbringung der Polymerlösungen imprägniert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnierungsmittel ein Lösungsmittel für die die Schichten der Polymermembran bildenden Polymere ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnierungsmittel ein Medium ist, das mit den Polymerlösungen chemisch und/oder physi ko-chemi seh reagi ert .
9. Vorrichtung zur Herstellung einer mehrschichtigen flächigen Polymermembran, die aus einer Mehrzahl von Polymerlösungen entsprechend der Anzahl der Schichten hergestellt wird, mit der auch das Verfahren nach, einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt werden kann, gekennzeichnet durch ein Extrus i onswerkzeug (10) mit einer Mehrzahl schlitzförmig sich zu einer schlitzförmig ausgebildeten Extrusionsdüse (12) verengenden Zufuhrkanälen (13, 14) für die Polymerlösungen zu einem Bereich (15) vor deren Eintritt in die Extrusionsdüse (12), wobei in diesen Bereich (15) auch eine schlitzförmige Zufuhröffnung (16) für die Zufuhr eines Trägers mündet, auf den von seinen beiden Trägerseiten die von den Zufuhrkanälen (13, 14) zugeführten Polymerlösungen vor Durchtritt des Verbundes aus Polymerlösung und Träger durch die Extrusionsdüse (12) aufbringbar sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Zufuhrkanälen (13, 14) nebeneinander angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Extrusionsdüse (12) verlassende Polymermembran unter einem Winkelbereich von 0° bis 80° relativ zur Membranaustrittsrichtung (17) aus der Extrusionsdüse (12) abziehbar ist.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck, mit dem die Polymerlösung durch den Zufuhrkanal (13, 14) zum Aufbri ngbereich (15) gefördert wird, einstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der der Träger durch die schlitzförmige Zufuhröffnung (16) zum Aufbri ngbereich (15) gefördert wird, einstell bar i st .
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsquerschnitt der schlitzförmigen Extrusionsdüse (12) in bezug auf die Schlitzhöhe (18) einstellbar ist.
we/sch
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