Las membranas de ultrafiltración tubulares son un proceso clave para transformar materias primas poliméricas o cerámicas en elementos de membranas de separación con un rendimiento de separación específico, resistencia mecánica y estructura estable a través de procesos fisicoquímicos precisos. Este proceso se puede resumir como: preparación de la materia prima → preparación del soporte → formación de la capa de separación → moldeado y curado → post-procesamiento y prueba → encapsulación del módulo.
Preparación de materia prima y preparación de solución de membrana El primer paso en la producción es seleccionar un material de membrana adecuado en función de indicadores como el límite de peso molecular objetivo, la temperatura y la resistencia a la corrosión, y la resistencia mecánica. Los materiales de membranas orgánicas comunes incluyen polietersulfona (PES), fluoruro de polivinilideno (PVDF) y polipropileno (PP); Las membranas inorgánicas están compuestas principalmente de alúmina (Al₂O₃), óxido de circonio (ZrO₂) y dióxido de titanio (TiO₂).
Después de seleccionar el material, es necesario preparar con precisión la solución de fundición. Tomando PES o PVDF como ejemplos, normalmente se mezclan con solventes (como N,N-dimetilacetamida, DMAC) y aditivos (como polivinilpirrolidona, PVP) en una proporción de masa específica (p. ej., polímero 10-35 %, aditivos 1-20 %, solvente 50-89 %). La mezcla se agita a 50-90 grados durante 12-48 horas para asegurar la disolución completa, seguido de filtración y desgasificación para formar una solución de fundición homogénea y estable.
Preparación del soporte (tubo base): Para soportar la frágil capa de separación y garantizar el flujo, primero se deben preparar tubos de soporte porosos. Hay dos procesos principales:
• Tubo de soporte orgánico: cintas de tela no tejida, como poliéster y polietileno, se enrollan en espiral sobre un tubo central de metal en una máquina bobinadora automática de tubos. El refuerzo se logra mediante adhesivo termofusible y soldadura ultrasónica, formando un tubo de soporte con una capa compuesta de tela no tejida interior y exterior.
• Tubos de soporte inorgánicos: fabricados a partir de polvos cerámicos como alúmina y óxido de circonio, estos tubos se preparan en forma de lechadas, se extruyen, se secan y luego se sinterizan a altas temperaturas para formar tubos cerámicos de alta-resistencia con una estructura porosa.
• Formación de la capa de separación: La capa de separación es el factor central que determina el rendimiento de la membrana. Su proceso de formación se divide principalmente en dos categorías: inversión de fase húmeda y recubrimiento compuesto.
1. Inversión de fase húmeda (proceso principal): este proceso se usa ampliamente en membranas de ultrafiltración tubulares orgánicas. La solución de fundición preparada se recubre uniformemente sobre la pared interior o exterior del tubo de soporte, que luego se sumerge en un baño de coagulación (normalmente agua). La separación de fases se produce entre la solución de membrana y el baño de coagulación, con intercambio de disolvente y no-disolvente, formando una capa de separación ultrafina con una estructura asimétrica en la superficie de soporte. Al controlar la formulación de la solución de colada, la temperatura, el tiempo de gelificación y el ángulo de entrada de agua del tubo de soporte, se puede controlar con precisión el tamaño de los poros y el flujo de la membrana.
2. Revestimiento compuesto: para mejorar las propiedades antiincrustantes de la membrana o lograr funciones especiales de separación, a menudo se construye una capa compuesta sobre la superficie del soporte poroso. Por ejemplo, recubrir la pared interna de un tubo de soporte de PVDF con una capa hidrófila de PDA (dopamina) y luego depositar nanohojas de GO (óxido de grafeno) puede producir una membrana de nanofiltración compuesta de alto-flujo y alto-rechazo-. Las membranas cerámicas a menudo emplean un proceso de recubrimiento de sol-gel multicapa, depositando secuencialmente nanosoles de alúmina, boehmita y dióxido de titanio sobre un soporte-poroso grueso, reduciendo gradualmente el tamaño de los poros desde el nivel micrométrico hasta el nivel de ultrafiltración (<100 nm).
Formación, curado y post-tratamiento
Después del recubrimiento, es necesario formar y curar la membrana. Los tubos de membrana orgánica se enfrían y curan, luego se cortan a longitudes estándar según sea necesario. Para mejorar la flexibilidad y la resistencia al pliegue, a veces se sumergen en una solución humectante como la glicerina. Las membranas cerámicas requieren secado y sinterización a alta-temperatura para garantizar una unión fuerte entre la capa de separación y el soporte, formando una estructura de poros jerárquica estable.
Inspección y control de calidad
Cada lote de productos se somete a rigurosas inspecciones de calidad para garantizar que el rendimiento cumpla con los estándares. Los indicadores clave incluyen:
• Rendimiento básico: Flujo de agua pura bajo presión estándar (p. ej., 0,1-0,25 MPa). • Rendimiento de separación: tasa de retención de sustancias estándar con pesos moleculares específicos (como PEG, BSA) para determinar el límite de peso molecular.
• Propiedades Físicas: Apariencia, dimensiones, espesor de pared, resistencia mecánica y resistencia a la presión.
Encapsulación del módulo: Los tubos de membrana probados se encapsularán para formar el módulo de membrana tubular final. El proceso de encapsulación incluye:
1. Sellado de extremos: Calienta-fundir o unir las tapas de los extremos a ambos extremos del tubo de membrana para formar una cavidad cerrada.
2. Agrupación: cargar varios tubos de membrana en la carcasa resistente a la presión-de acuerdo con los requisitos de diseño e instalar puertos de entrada/salida, conectores y otros componentes.
3. Inspección Final: Realización de pruebas generales de estanqueidad y presión del módulo encapsulado. Una vez calificado, puede almacenarse como un producto estándar o entregarse para su uso.
