[发明专利]纳滤膜

说明书

本发明涉及具有多孔支撑膜的纳滤膜，用于生产这种膜的方法、以及它的用途。

在化学行业、食品行业、饮料行业、电子行业和制药行业，例如使用用于分离固体/液体混合物和液体的膜。在环境技术的背景下，这些膜还用于纯化废水以及生产饮用水。

多种膜分离技术从本领域是已知的。它们包括微滤、超滤以及纳滤，以及还有反渗透。这些技术可以归类为机械分离法。这些分离机制由不同的膜结构支配。这些结构通过直径小于有待分离的颗粒的直径的膜孔来进行分离。

除了空间位阻效应外，在使用纳滤膜和反渗透膜的分离中的另一个关键机制是溶液中离子的静电相互作用或部分离解的烃类与相应带电基团在水溶液的膜表面上的静电相互作用。这种相互作用分别允许分离两种具有类似大小颗粒半径但是电荷或官能度不同的物质。类似地，在具有相应小孔的膜的情况下，例如用于纳滤或反渗透，分离例如可以基于溶液中存在的物质扩散通过渗透膜的趋势的差异。

用于在压力下处理液体的已知方法是微滤、超滤和纳滤。纳滤、超滤和微滤膜的孔径大约是0.001μm至10.0μm。

为了表征膜，通常采用关于一种物质的截留R。

R=w(进料)-w(渗透物)x100    [%]

w(进料)

其中w是一种特定物质的质量分数。

截留描述了在渗透物（来自拉丁文“permeare”=通过）中的一种分离的物质相对于在进料中的浓度的百分比分数。它不仅取决于温度而且还取决于跨膜压或流速以及起始溶液的浓度。渗余物（来自拉丁文“retenere”=保留）构成了有待分离的物质的浓度，与进料相比这个浓度增加。

这示出了当评定一个膜的分离特性时的难度。通常由截留（cut-off）分子连同流速一起给出了膜的粗分类。这个截留与对于其该膜具有至少90%的截留的摩尔质量是同义的，并且可以是非常不同的，特别是在纳滤范围内，取决于有待分离的物质的分子构造。纳滤膜的截留典型地是<1500g/mol。超滤膜典型地具有<约150000g/mol的截留。

同样已知的是基于有机聚合物的膜，它们用于在分子水平的分离，如气体的分离，例如以及还有全蒸发法和/或水蒸气渗透。然而这些聚合物膜的一个缺点是它们的短寿命，这是由于聚合物膜对于溶剂的敏感性，溶剂破坏了膜材料或引起它溶胀。此外，普通聚合物膜的相对低温度耐受性提出了一个问题。

还频繁使用陶瓷膜，它们具有相对长的寿命，因为根据它们的构成，它们对于有机化合物、酸或碱是非常大惰性的并且此外它们具有比聚合物材料更大的温度耐受性。因此，它们还可以用于化学操作中的分离任务，如在蒸汽渗透中。这些种类的陶瓷膜典型地是通过溶胶-凝胶法或通过浸涂法来生产的，以这样一种方式来总体上生产具有不同厚度和孔径的陶瓷层的一种多层系统，其中执行实际分离任务的顶层具有最小的孔并且被构造为是尽可能薄的。由于陶瓷材料的低弹性，陶瓷膜对于机械负荷是敏感的，并且容易破裂。与聚合物膜相比，它们不能被卷起从而产生节省空间的卷绕模块。

通常可以说明的是，对于所有已知的膜合成法，一个主要问题是以精确和一致的方式控制对分离活性膜的孔径和孔形状的设置，并且因此产生非常窄的孔径分布。

对于宽的pH范围和众多应用，由非常宽泛种类的聚合物制成的聚合物膜能以相对有利的成本获得，但是在大多数情况下缺乏对有机溶剂的耐受性，并且在非常高和/或非常低的pH水平下同样缺乏耐受性。此外，在高于80℃下的持久温度稳定性几乎不是一个特征。虽然存在针对改进聚合物膜的这些特性的多种方法，通常情况是没有满足以上这些要求中的一种。此外，在非常高的温度下，大多数聚合物是可塑地变形的。这导致了当这些膜在非常高的温度下在压力下操作时，它们压紧在一起。这种压紧引起了一个膜的孔微结构完全压紧，由此在对于过滤的耐受性方面产生了急剧增加。因此引起了在流动方面的降低。常规聚合物材料的另一个缺点是针对有机溶剂和油类的差的耐受性，以及油类对聚合物的增塑作用。这不利地影响了这些膜的分离能力。

膜技术在液体混合物的分离中起到了重要作用。在通过反渗透从盐水中回收饮用水中，并且在产物的分离纯化中，具体地，越来越多地使用超滤和纳滤技术和反渗透膜。