Исследование структуры ультрафильтрационной мембраны методом жидкостной порометрии
Мембраны ультрафильтрационные - материалы, имеющие анизотропную структуру с тонким поверхностным слоем, который обеспечивает селективное разделение воды и макромолекул или коллоидов. Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам полимерные мембраны нашли широкое применение в водоподготовке, гемодиализе и других областях.Структура мембраны напрямую связана с ее производительностью. Такие параметры, как конфигурация пор, их распределение по размерам, определяют, в конечном счете, задерживающую способность мембраны и ее проницаемость.
Одним из ключевых на сегодняшний день методов оценки пористости полимерной мембраны является метод взаимного вытеснения жидкостей. Он является неразрушающим и сочетает в себе процедуру вытеснения пузырька с определением жидкостной проницаемости. Структура материала при этом не меняется.
В данном примере определение характеристик ультрафильтрационной мембраны было проведено на приборе POROLIQTM 1000 (компании Porometer).
В основе метода лежит использование двух смачивающих жидкостей, при этом не смешивающихся между собой. В данном примере такой парой жидкостей является вода-изобутанол (1:1), с поверхностным натяжением ƴLL = 1.9 мН/м при 25 °C. Изобутанолом происходит смачивание мембраны, водой – вытеснение его из пор материала. Радиус пор rp, вскрываемых при приложении некоторого давления Δp, определяется по уравнению:
Проницаемость материала рассчитывается по закону Дарси:
Где:
A – площадь поперечного сечения образца
η – динамическая вязкость
Δχm – средняя длина поры
Δρm – средний перепад давления
Площадь пор каждого типа определяется в соответствии со следующим уравнением:
Где:
NPorei – количество пор определенного класса
Встроенное программное обеспечение на базе LabView дает на выходе подробную информацию о пористой структуре мембраны:
| Материал: полимерная мембрана | Значение | Единица измерения |
| Первая точка пузырька – размер | 0,13 | мкм |
| Первая точка пузырька – давление | 0,51 | бар |
| Первая точка пузырька – скорость потока жидкости | 0,51 | мкл/мин |
| Средняя пора – размер | 0,04 | мкм |
| Средняя пора – давление | 1,66 | бар |
| Средняя пора – скорость потока жидкости | 2,41 | мкл/мин |
| Минимальная пора – размер | 0,012 | мкм |
| Минимальная пора – давление | 5,68 | бар |
| Количество крупных пор | 2,12 * 106 | – |
| Количество средних пор | 1,17 * 108 | – |
| Общее количество пор | 5,31 * 108 | – |
| Жидкостная проницаемость | 3,47 * 10-8 | дарси |
| Рассчитанная средняя длина поры | 5,52 | мкм |
| Открытая пористость | 0,40 | % |
| Плотность пор (на основе минимальных пор) | 5,29 * 108 | / см2 |
В данном примере было показано, как с помощью метода взаимного вытеснения жидкостей можно исследовать пористую структуру ультрафильтрационной мембраны, что может быть полезно в процессе ее изготовления, а также модификации поверхности.
Подробные характеристики порометра взаимного вытеснения жидкостей (LLDP) POROLIQ 1000
