Le membrane di ultrafiltrazione tubolare sono un processo chiave nella trasformazione di materie prime polimeriche o ceramiche in elementi di membrana di separazione con prestazioni di separazione specifiche, resistenza meccanica e struttura stabile attraverso processi fisico-chimici precisi. Questo processo può essere riassunto come: preparazione della materia prima → preparazione del supporto → formazione dello strato di separazione → stampaggio e indurimento → post-lavorazione e test → incapsulamento del modulo.
Preparazione della materia prima e preparazione della soluzione di membrana Il primo passo nella produzione consiste nel selezionare un materiale di membrana adatto in base a indicatori quali il valore limite del peso molecolare target, la resistenza alla temperatura e alla corrosione e la resistenza meccanica. I materiali organici comuni delle membrane includono polietersulfone (PES), polivinilidene fluoruro (PVDF) e polipropilene (PP); le membrane inorganiche sono composte principalmente da allumina (Al₂O₃), ossido di zirconio (ZrO₂) e biossido di titanio (TiO₂).
Dopo aver selezionato il materiale, la soluzione di colata deve essere preparata con precisione. Prendendo come esempi PES o PVDF, vengono generalmente miscelati con solventi (come N,N-dimetilacetammide, DMAC) e additivi (come polivinilpirrolidone, PVP) in un rapporto di massa specifico (ad esempio, polimero 10-35%, additivi 1-20%, solvente 50-89%). La miscela viene agitata a 50-90 gradi per 12-48 ore per garantire la completa dissoluzione, seguita da filtrazione e degasaggio per formare una soluzione di colata omogenea e stabile.
Preparazione del supporto (tubo base): per supportare il fragile strato di separazione e garantire il flusso, è necessario prima preparare i tubi di supporto porosi. Esistono due processi principali:
• Tubo di supporto organico: i nastri in tessuto non-tessuto come poliestere e polietilene vengono avvolti a spirale su un tubo centrale metallico su un avvolgitore automatico per tubi. Il rinforzo viene ottenuto tramite adesivo hot melt e saldatura a ultrasuoni, formando un tubo di supporto con uno strato composito di tessuto non tessuto interno ed esterno-.
• Tubi di supporto inorganici: realizzati con polveri ceramiche come allumina e ossido di zirconio, questi tubi vengono preparati come fanghi, estrusi, essiccati e quindi sinterizzati ad alte temperature per formare tubi ceramici ad alta resistenza con una struttura porosa.
• Formazione dello strato di separazione: lo strato di separazione è il fattore fondamentale che determina le prestazioni della membrana. Il suo processo di formazione si divide principalmente in due categorie: inversione della fase umida e rivestimento composito.
1. Inversione della fase umida (processo tradizionale): questo processo è ampiamente utilizzato nelle membrane di ultrafiltrazione tubolari organiche. La soluzione di colata preparata viene stesa uniformemente sulla parete interna o esterna del tubo di supporto, che viene poi immerso in un bagno di coagulazione (solitamente acqua). Tra la soluzione della membrana ed il bagno di coagulo avviene la separazione di fase, con scambio di solvente e non-solvente, formando sulla superficie di supporto uno strato di separazione ultrasottile e con struttura asimmetrica. Controllando la formulazione della soluzione di colata, la temperatura, il tempo di gelificazione e l'angolo di ingresso dell'acqua del tubo di supporto, è possibile controllare con precisione la dimensione dei pori e il flusso della membrana.
2. Rivestimento composito: per migliorare le proprietà antivegetative della membrana o ottenere speciali funzioni di separazione, uno strato composito viene spesso costruito sulla superficie del supporto poroso. Ad esempio, rivestendo la parete interna di un tubo di supporto in PVDF con uno strato idrofilo di PDA (dopamina) e quindi depositando nanofogli GO (ossido di grafene) è possibile produrre una membrana di nanofiltrazione composita ad alto-flusso e-alto tasso di rigetto-. Le membrane ceramiche spesso utilizzano un processo di rivestimento sol-gel multistrato, depositando in sequenza nanosoli di allumina, boemite e biossido di titanio su un supporto poroso-grossolano, riducendo gradualmente la dimensione dei pori dal livello micrometrico al livello di ultrafiltrazione (<100 nm).
Formatura, polimerizzazione e post-trattamento
Dopo il rivestimento, la membrana deve essere formata e polimerizzata. I tubi a membrana organica vengono raffreddati e polimerizzati, quindi tagliati alle lunghezze standard richieste. Per migliorare la flessibilità e la resistenza alla piega, a volte vengono immersi in una soluzione idratante come la glicerina. Le membrane ceramiche richiedono essiccazione e sinterizzazione ad alta-temperatura per garantire un forte legame tra lo strato di separazione e il supporto, formando una struttura porosa gerarchica stabile.
Ispezione e controllo della qualità
Ogni lotto di prodotti è sottoposto a rigorosi controlli di qualità per garantire che le prestazioni soddisfino gli standard. Gli indicatori chiave includono:
• Prestazioni di base: flusso di acqua pura a pressione standard (ad esempio, 0,1-0,25 MPa). • Prestazioni di separazione: tasso di ritenzione di sostanze standard con pesi molecolari specifici (come PEG, BSA) per determinare il limite del peso molecolare.
• Proprietà fisiche: aspetto, dimensioni, spessore della parete, resistenza meccanica e resistenza alla pressione.
Incapsulamento del modulo: i tubi di membrana testati verranno incapsulati per formare il modulo di membrana tubolare finale. Il processo di incapsulamento include:
1. Sigillatura delle estremità: termofusione-o unione dei cappucci terminali su entrambe le estremità del tubo della membrana per formare una cavità chiusa.
2. Raggruppamento: caricamento di più tubi a membrana nell'alloggiamento resistente alla pressione-in base ai requisiti di progettazione e installazione di porte di ingresso/uscita, connettori e altri componenti.
3. Ispezione finale: esecuzione di prove generali di tenuta all'aria e di pressione sul modulo incapsulato. Una volta qualificato, può essere immagazzinato come prodotto standard o consegnato per l'uso.
