Preparation of Organic Solvent Resistant Polymeric Membranes for Applications in Non-aqueous Systems

Abstract

Operazioni a membrana sono oggi usate in numerosi processi di separazione e il numero di applicazioni è in rapida crescita anche grazie alla necessità di sviluppare nuovi processi sempre più eco-sostenibili. Le operazioni a membrana sono infatti caratterizzate da una più elevata efficienza energetica e minore impatto ambientale rispetto ai processi tradizionali di separazione. In particolare, è evidente un crescente interesse sia accademico che industriale verso processi di separazione a membrana in fase liquida non acquosa. Tuttavia i meccanismi di trasporto del soluto attraverso membrane polimeriche in ambiente organico, sono molto più complicati che in fase acquosa a causa delle forti interazioni fisiche e chimiche tra membrana, soluto e solvente. Nonostante i meccanismi di trasporto non siano stati completamente chiariti, sono attualmente disponibili membrane commerciali per nanofiltrazione in solventi organici (OSN). Questo lavoro ha avuto come obiettivo la preparazione e caratterizzazione di membrane polimeriche da impiegare in separazioni in solventi organici. Sono state preparate membrane polimeriche a base di polidimetilsilossano (PDMS) e un co-polimero della polimmide (P84, PI). Al fine di controllare la dimensione e distribuzione dei pori, è stato investigato l’effetto dei diversi parametri di preparazione e i dettagli sperimentali sono forniti nei capitoli seguenti Nel Capitolo 1 è presentata una introduzione generale sulle membrane e i processi a membrana. Nel Capitolo 2 è presentata una overview sullo stato dell’arte delle membrane polimeriche per separazioni in solventi organici, con particolare attenzione alle membrane da nanofiltrazione (SRNF). Nel Capitolo 3 è descritta la preparazione di membrane piane porose a base di PDMS. Due differenti metodi sono stati seguiti: nel primo, per formare i pori delle membrane, sono state usate specie chimiche quali acqua, iso-propanolo, metanolo, etanolo e glicole etilenico, che producono idrogeno gassoso in situ mediante reazione con i gruppi Si-H del crosslinker usato per preparare il PDMS (polimero formato da reazione di idrosililazione fra un pre-polimero e un crosslinker). Nel secondo metodo è stato usato l’1,4-diossano come additivo in grado di formare i pori successivamente alla sua rimozione dalla membrana. Nel Capitolo 4, è stata descritta la preparazione e caratterizzazione di membrane asimmetriche piane della co-polimmide P84®. E’ stato studiato l’effetto della concentrazione del polimero e del tipo del solvente sulla morfologia e proprietà di trasporto delle membrane. E’ stato inoltre investigato l’effetto della presenza di diverse concentrazioni di un co-solvente (1,4-diossano) o un non-solvente (acqua ed etanolo) nella soluzione polimerica. Le proprietà di trasporto delle membrane sono state valutate in test di permeazione con solventi organici e di reiezione nei medesimi solventi con molecole modello quali coloranti a diversa massa molare e carica Le membrane di P84® sono state reticolate, al fine di aumentarne la stabilità, mediante reazione con 1,5-diamino-2-metilpentano (DAMP). Le condizioni di reticolazione sono state ottimizzate variando la concentrazione del reagente e il tempo di reazione. Le membrane reticolate sono risultate completamente stabili in numerosi solventi organici inclusi solventi come DMAc, DMF e NMP, in cui il polimero di partenza era solubile. Nel Capitolo 5 è stata descritta la preparazione di fibre cave SRNF mediante inversione di fase indotta da non solvente, preceduta o meno, da una parziale evaporazione del solvente. Inoltre è stata realizzata una innovativa procedura di reticolazione in cui durante la filatura il DAMP è stato introdotto nel fluido interno. Le proprietà chimiche e meccaniche delle fibre sono state analizzate rispettivamente mediante FT-IR/ATR e test di elongazione. Inoltre sono stati condotti test di permeazione e reiezione usando la Rodamina B in acetonitrile ed etanolo.