As membranas tubulares de ultrafiltração são um processo chave na transformação de matérias-primas poliméricas ou cerâmicas em elementos de membrana de separação com desempenho de separação específico, resistência mecânica e estrutura estável por meio de processos físico-químicos precisos. Este processo pode ser resumido como: preparação da matéria-prima → preparação do suporte → formação da camada de separação → moldagem e cura → pós-processamento e teste → encapsulamento do módulo.
Preparação de matéria-prima e preparação de solução de membrana A primeira etapa na produção é selecionar um material de membrana adequado com base em indicadores como corte de peso molecular alvo, temperatura e resistência à corrosão e resistência mecânica. Os materiais de membrana orgânica comuns incluem polietersulfona (PES), fluoreto de polivinilideno (PVDF) e polipropileno (PP); as membranas inorgânicas são compostas principalmente de alumina (Al₂O₃), óxido de zircônio (ZrO₂) e dióxido de titânio (TiO₂).
Depois de selecionar o material, a solução de fundição precisa ser preparada com precisão. Tomando PES ou PVDF como exemplos, eles são normalmente misturados com solventes (como N,N-dimetilacetamida, DMAC) e aditivos (como polivinilpirrolidona, PVP) em uma proporção de massa específica (por exemplo, polímero 10-35%, aditivos 1-20%, solvente 50-89%). A mistura é agitada a 50-90 graus durante 12-48 horas para garantir a dissolução completa, seguida de filtração e desgaseificação para formar uma solução de fundição homogênea e estável.
Preparação do Suporte (Tubo Base): Para suportar a frágil camada de separação e garantir o fluxo, os tubos de suporte porosos devem primeiro ser preparados. Existem dois processos principais:
• Tubo de suporte orgânico: fitas de tecido não tecido, como poliéster e polietileno, são enroladas em espiral em um tubo central de metal em uma máquina automática de enrolamento de tubos. O reforço é obtido por meio de adesivo hot melt e soldagem ultrassônica, formando um tubo de suporte com uma camada interna e externa de tecido não tecido-composto.
• Tubos de suporte inorgânicos: feitos de pós cerâmicos como alumina e óxido de zircônio, esses tubos são preparados como pastas, extrusados, secos e depois sinterizados em altas temperaturas para formar tubos cerâmicos de alta-resistência com uma estrutura porosa.
• Formação da Camada de Separação: A camada de separação é o principal fator que determina o desempenho da membrana. Seu processo de formação é dividido principalmente em duas categorias: inversão de fase úmida e revestimento compósito.
1. Inversão de Fase Úmida (Processo Mainstream): Este processo é amplamente utilizado em membranas de ultrafiltração tubulares orgânicas. A solução de fundição preparada é revestida uniformemente na parede interna ou externa do tubo de suporte, que é então imerso em um banho de coagulação (geralmente água). A separação de fases ocorre entre a solução da membrana e o banho de coagulação, com troca de solvente e não{3}}solvente, formando uma camada de separação ultrafina com estrutura assimétrica na superfície de suporte. Ao controlar a formulação da solução de fundição, a temperatura, o tempo de gelificação e o ângulo de entrada de água do tubo de suporte, o tamanho dos poros e o fluxo da membrana podem ser controlados com precisão.
2. Revestimento Composto: Para melhorar as propriedades anti-incrustantes da membrana ou obter funções especiais de separação, uma camada composta é frequentemente construída na superfície do suporte poroso. Por exemplo, revestir a parede interna de um tubo de suporte de PVDF com uma camada hidrofílica de PDA (dopamina) e, em seguida, depositar nanofolhas de GO (óxido de grafeno) pode produzir uma membrana de nanofiltração composta de alto-fluxo e alta{3}}rejeição-. As membranas cerâmicas geralmente empregam um processo de revestimento de sol-gel multicamadas, depositando sequencialmente nanossóis de alumina, boemita e dióxido de titânio em um suporte-poroso grosso, reduzindo gradualmente o tamanho dos poros do nível micrométrico até o nível de ultrafiltração (<100 nm).
Formação, cura e pós{0}}tratamento
Após o revestimento, a membrana precisa ser formada e curada. Os tubos de membrana orgânica são resfriados e curados, depois cortados em comprimentos padrão conforme necessário. Para melhorar a flexibilidade e a resistência às dobras, às vezes são imersos em uma solução hidratante como a glicerina. As membranas cerâmicas requerem secagem e sinterização{3}}em alta temperatura para garantir uma ligação forte entre a camada de separação e o suporte, formando uma estrutura hierárquica de poros estável.
Inspeção e Controle de Qualidade
Cada lote de produtos passa por rigorosa inspeção de qualidade para garantir que o desempenho atenda aos padrões. Os principais indicadores incluem:
• Desempenho básico: Fluxo de água pura sob pressão padrão (por exemplo, 0,1-0,25 MPa). • Desempenho de Separação: Taxa de retenção de substâncias padrão com pesos moleculares específicos (como PEG, BSA) para determinar o limite de peso molecular.
• Propriedades Físicas: Aparência, dimensões, espessura de parede, resistência mecânica e resistência à pressão.
Encapsulamento do Módulo: Os tubos de membrana testados serão encapsulados para formar o módulo de membrana tubular final. O processo de encapsulamento inclui:
1. Vedação da extremidade: fusão-aquecida ou colagem das tampas das extremidades em ambas as extremidades do tubo da membrana para formar uma cavidade fechada.
2. Agrupamento: carregar vários tubos de membrana no invólucro-resistente à pressão de acordo com os requisitos do projeto e instalar portas de entrada/saída, conectores e outros componentes.
3. Inspeção Final: Realização de testes gerais de estanqueidade e pressão no módulo encapsulado. Uma vez qualificado, pode ser armazenado como produto padrão ou entregue para uso.
