Untersuchung des Benetzungsverhaltens von modifizierten und unmodifizierten Polyamidmembranen

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Aus Polyamiden können nach dem Phaseninversionsverfahren Membranen hergestellt werden, die zur Stofftrennung in druckbetriebenen Trennprozessen wie der Ultrafiltration (UF) und der Mikrofiltration (MF) dienen. Als Ausgangspolymer diente das aliphatisch-aromatische Polyamid Trogamid T der Firma Dynamit Nobel, das sich durch seine mechanische Stabilität und seine Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl von chemischen Verbindungen, insbesondere gegenüber verdünnten Mineralsäuren, auszeichnet. Diese Arbeit befaßt sich mit der heterogenen Modifizierung von Membranen aus dem Ausgangspolymer unter Erhalt hoher Produktflüsse und mit der Charakterisierung der Oberflächen. Die Herstellungsparameter wurden so gewählt, daß die Membranen von ihren Porengrößen her in den Übergangsbereich zwischen Ultra- und Mikrofiltration eingeordnet werden können. Durch redoxinitiierte radikalische Pfropfcopolymerisation von Glycidylmethacrylat (GylMA) auf die N-chlorierte PA-Membran und anschließende Derivatisierung der eingeführten Epoxy-Gruppen konnte der Ladungszustand der Membranoberfläche variiert werden. Negativ geladene, neutrale und positiv geladene Membranoberflächen konnten durch Reaktion mit unterschiedlichen nucleophilen Agentien erhalten werden. Auftretende Oberflächenpfropfung und eine teilweise Temperung der Membranen unter den Reaktionsbedingungen der Derivatisierungen führten zu Strukturveränderungen und Dickenwachstum der Membranen. Die Folge davon ist eine Porenradienverkleinerung, die mit einer Flußminderung einhergeht. Zur Charakterisierung der Filtrationseigenschaften der Membranen wurden die Volumenflüsse von reinem Wasser (Wasserwert) und einer wäßrigen Dextran-Lösung mit breiter Molmassenverteilung (Produktflüsse) bei Drücken von 1, 2 und 3 bar ermittelt. Mit Hilfe der Gelpermeationschromatographie (GPC) wurden die Konzentrationen der einzelnen Dextrane mit unterschiedlicher Molmasse in den jeweiligen Permeaten und Retentaten bestimmt. Aus diesen Daten wurden die Rückhalte und die Siebkoeffizienten der Membranen berechnet. Die Auswertung der Siebkoeffizienten- und Rückhaltekurven lieferte die Molmassenausschlußgrenzen. Die Ergebnisse zeigten, daß, wie vorhergesagt, die molekularen Trenngrenzen der unmodifizierten Membranen durch die heterogenen chemischen Umsetzungen in den Bereich von UF-Membranen verschoben werden. Zur Überprüfung der Homogenität und der Rauhigkeit der Membranen wurden kraftfeldmikroskopische Aufnahmen von den unmodifizierten und modifizierten Membranen angefertigt. Die erhaltenen Bilder geben die Oberflächentopologie der einzelnen Membranen wieder und bestätigen, daß mit jedem Modifizierungsschritt die Membranoberfläche homogener wird. Herstellungsspuren, die bei der unmodifizierten Membran noch sichtbar sind, werden durch die Pfropfcopolymerisation und die anschließenden Derivatisierungen vollständig ausgeglichen. Allerdings sind bei allen modifizierten Membranen, außer der neutralen PA-OH-Membran, Domänen unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit weiterhin sichtbar, die zum einen auf Oberflächendefekte zurückzuführen sind, und zum anderen die Wechselwirkungen zwischen der Cantileverspitze und den Festladungen der Membran widerspiegeln. Außerdem hat sich gezeigt, daß zur exakten Angabe der mittleren Rauhigkeit die bei der Kraftfeldmikroskopie abgetasteten Bereiche von 140 µm . 140 µm zu klein waren. Eine weitere Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften erfolgte mittels Messung der Kontaktwinkel Luft/Wasser/Membran, Hexan/Wasser/Membran und Oktan/Wasser/Membran. Aus den gewonnenen Daten konnten die freien Oberflächenenergien der modifizierten und unmodifizierten Membranen berechnet werden. Aus dem Benetzungsverhalten gegenüber Wasser wurden Aussagen über die Hydrophilie der Membranen erhalten. Bei der Interpretation der Ergebnisse müssen Faktoren wie Heterogenitäten, Oberflächenrauhigkeit und die Quellbarkeit des Polymermaterials, die die Meßergebnisse stark beeinflussen und die zu einer großen Streuung der Meßergebnisse führen, berücksichtigt werden. Messungen des Strömungspotentials in Über- und Durchströmung lieferten Aussagen über den Ladungszustand der Membranen und über den Erfolg der chemischen Umsetzung der Membranen. Aus den druckabhängigen Durchströmmessungen des Strömungspotentials konnte die erfolgreiche Pfropfcopolymerisation mit GylMA bestätigt werden. Die gleiche Aussage kann auch für die Quarternisierungsreaktion mit Trimethylamin/HCl zur basischen Ionenaustauschermembran gemacht werden. Die Umsetzung der gepfropften Membran zur sauren Ionenaustauschermembran mit Dinatriumiminodiacetat und die zur neutralen Membran konnten erst durch die pH-Wert-abhängigen Messungen bestätigt werden. Hier konnte eine Verschiebung des isoelektrischen Punktes (IEP) festgestellt werden. Bei den Überströmmessungen konnte die bei den Durchströmmessungen gefundenen Abhängigkeiten zwischen Pfropfungsgrad und Strömungspotential nicht aufgezeigt werden. Die gefundenen pH-Wert-abhängigen Potentiale sind für Membranen eines Modifizierungstyps nahezu identisch und unabhängig vom Pfropfungsgrad. Die Abweichungen fallen in den Fehlerbereich der Meßwertbestimmung.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Chemie » Technische Chemie
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Stichwörter:
Ultrafiltrationsmembranen, Pfropfcopolymerisation, Zetapotential, Kontaktwinkel
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
05.05.2000
Dokument erstellt am:
05.05.2000
Promotionsantrag am:
27.07.2000
Dateien geändert am:
05.05.2000
Medientyp:
Text