Modelling of asymmetric membrane formation by dry casting method

Abstract

oz Polimerik membranlarm çoğu Loeb ve Sourirajan tarafından 1962' de bulunan `faz ayrımı` yöntemiyle üretilmektedir. M em bran endüstrisindeki hedef, özel işlemlerde kullanıma uygun yapıda yüksek performanslı membranlarm üretilmesidir. Bu a naea ulaşılması için matematik modeller geliştirilmektedir. Membran oluşumu; faz dönüşümü, ve polimer çözeltilerinin karmaşık termodinamik-taşınım özellikleri tarafından kontrol edilen eş zamanlı ısı ve kütle i1 eti m mekanizmaları nedeniyle zor bir işlemdir. Bu projede, kuru döküm metodu ile men bran oluşum mekanizmasını tanımlamak amacıyla Alsoy (1998) tarafından geliştirile ı bir matematik model kullanılmıştır. Model, yatışkın olmayan durum için yazılını:, tek boyutlu ısı ve kütle iletimini, film büzülmesini ve polimer-hava ara yüzeyindeki sınır koşullarını tanımlayan denklemlerden oluşmaktadır. Modelin en önemli ki: mini termodinamik çarpanlardan ve öz yayınımdan oluşan çok bileşenli yayınım katsa ilan oluşturmaktadır. Model. membran içerisindeki derişim dağılımlarını, men bran kalınlığını ve sıcaklığını öngörebilmektedir. Derişim değişimlerinin faz diyaı ramı üzerinde gösterilmesiyle faz dönüşümünün başlangıcı da belirlenebilir. Motelin uygulanması için. membran oluşumunda tipik olarak kullanılan selüloz asetat/aseton sn üçlüsü örnek sistem olarak seçilmiştir. Gaz fazı koşullarının, döküm çözeltisini ı ilk kalınlığının ve derişiınlerinin, membran yapısı üzerindeki etkileri incelenerek, m ıdel. membran oluşumun optimize edilmesi amacıyla kullanılmıştır. Modelin öngörüm yeteneğinin değerlendirilmesinde gravimetrik ölçümk ıclen elde edilen veriler kullanılmıştır. Membran yapıları taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiştir. Bunların yanında, hazırlanan membranlarm su buharı geçirgeni kleıı yatışkın koşullar altında ölçülmüştür. Model ve deneysel sonuçları, gözenekl bir yapının destek sağladığı yoğun yüzey tabakası içeren asimetrik, ve aynı zan anda gözeneksiz ve yoğun morfolojik özelliklere sahip membranlarm. kuru di küm yöntemiyle üretilebileceğini göstermektedir.

ABSTRACT Many polymeric membranes are produced by phase inversion technique invented by Loeb and Sourirajan in 1962. One of the most challenging problems in membrane industry is to produce membranes with desirable structural characteristics which cause best performance for a specific application. The solution of this problem is facilitated by the development of mathematical models. The polymeric membrane formation process is a complicated process due to phase separation, simultaneous heat and mass transfer mechanisms controlled by complex thermodynamic and transport properties of polymer solutions. In this work, a fully predictive mathematical model developed by Alsoy (1998) was used to describe the mechanisms of membrane formation by dry casting method. Model equations consist of coupled unsteady state heat and mass transfer equations,, film shrinkage as well as complex boundary conditions especially at polymer gas interface. A key component of the model is incorporation of multicomponent diffusion coefficients that consist of thermodynamic factors and self-diffusivities. The predictions from the model provide composition paths, temperature and thickness of the membrane. The beginning of phase transition was determined when compositions paths were plotted on the phase diagram. The model was applied to cellulose acetate/acetone/water system which is commonly used for asymmetric membrane formation. The model was used as a tool to optimize membrane formation process by investigating the effect of gas phase conditions, initial thickness and composition of the cast solution on the final membrane structure. The predictive ability of the model was evaluated by comparison with the data obtained from gravimetric measurements. Structural studies were conducted using scanning electron microscopy. Also, the permeability of prepared membranes to water vapor was measured using steady state technique. Both experimental and predicted results indicated that morphologies ranging from dense nonporous to asymmetric ones, in which, a dense skin layer is supported by a porous layer, can be obtained with dry cast technique. TOKfrMANTASYON MSM&E2İ