ממברנות אולטרה סינון צינוריות הן תהליך מפתח בהפיכת חומרי גלם פולימריים או קרמיים לאלמנטים של קרום הפרדה עם ביצועי הפרדה ספציפיים, חוזק מכני ומבנה יציב באמצעות תהליכים פיזיקוכימיים מדויקים. ניתן לסכם תהליך זה כ: הכנת חומר גלם → הכנת תמיכה → יצירת שכבת הפרדה → יציקה ואשפרה → עיבוד ובדיקה לאחר- → עטיפה של מודול.
הכנת חומרי גלם והכנת תמיסת ממברנה השלב הראשון בייצור הוא בחירת חומר ממברנה מתאים על סמך אינדיקטורים כמו חיתוך משקל מולקולרי יעד, עמידות בפני טמפרטורה וקורוזיה וחוזק מכני. חומרי קרום אורגניים נפוצים כוללים פוליאתרסולפון (PES), פוליווינילידן פלואוריד (PVDF) ופוליפרופילן (PP); ממברנות אנאורגניות מורכבות בעיקר מאלומינה (Al₂O₃), תחמוצת זירקוניום (ZrO₂) וטיטניום דו חמצני (TiO₂).
לאחר בחירת החומר, יש להכין את פתרון היציקה במדויק. אם לוקחים PES או PVDF כדוגמאות, הם מעורבים בדרך כלל עם ממיסים (כגון N,N-dimethylacetamide, DMAC) ותוספים (כגון polyvinylpyrrolidon, PVP) ביחס מסה ספציפי (למשל, פולימר 10-35%, תוספים 1-20%-89%). מערבבים את התערובת ב-50-90 מעלות למשך 12-48 שעות כדי להבטיח פירוק מלא, ולאחר מכן סינון והסרת גז ליצירת תמיסת יציקה הומוגנית ויציבה.
הכנת תמיכה (צינור בסיס): כדי לתמוך בשכבת ההפרדה השבירה ולהבטיח שטף, יש להכין תחילה צינורות תמיכה נקבוביים. ישנם שני תהליכים עיקריים:
• צינור תמיכה אורגני: סרטי בד לא-ארוגים כגון פוליאסטר ופוליאתילן נכרכים בצורה ספירלית על צינור מתכת מרכזי במכונת סלילה אוטומטית של צינורות. החיזוק מושג באמצעות דבק חם נמס וריתוך קולי, ויוצרים צינור תמיכה עם שכבת מרוכבת בד לא- פנימית וחיצונית.
• צינורות תמיכה אנאורגניים: עשויים מאבקות קרמיקה כגון אלומינה ותחמוצת זירקוניום, צינורות אלה מוכנים כתלושים, מחולצים, מיובשים, ולאחר מכן מסוננים בטמפרטורות גבוהות ליצירת צינורות קרמיים בעלי חוזק- גבוה עם מבנה נקבובי.
• היווצרות שכבת הפרדה: שכבת ההפרדה היא גורם הליבה הקובע את ביצועי הממברנה. תהליך היווצרותו מחולק בעיקר לשתי קטגוריות: היפוך פאזה רטובה וציפוי מרוכב.
1. היפוך שלב רטוב (תהליך מיינסטרים): תהליך זה נמצא בשימוש נרחב בממברנות אולטרה סינון צינוריות אורגניות. תמיסת היציקה המוכנה מצופה באופן אחיד על הדופן הפנימית או החיצונית של צינור התמיכה, ולאחר מכן טובלת באמבט קרישה (בדרך כלל מים). הפרדת פאזות מתרחשת בין תמיסת הממברנה לאמבט הקרישה, תוך החלפת ממס ולא-ממס, ויוצרות שכבת הפרדה דקה במיוחד עם מבנה א-סימטרי על משטח התמיכה. על ידי שליטה בניסוח תמיסת היציקה, הטמפרטורה, זמן הג'ל וזווית כניסת המים של צינור התמיכה, ניתן לשלוט במדויק על גודל הנקבוביות והשטף של הממברנה.
2. ציפוי מרוכב: כדי לשפר את תכונות הנוגדות של הממברנה או להשיג פונקציות הפרדה מיוחדות, לרוב נבנית שכבה מרוכבת על פני התומך הנקבובי. לדוגמה, ציפוי הקיר הפנימי של צינור תומך PVDF בשכבת PDA הידרופלית (דופמין) ולאחר מכן הפקדת ננו-גליונות GO (גרפן אוקסיד) יכולים לייצר קרום ננו-סינון מורכב-גבוה ובקצב-דחייה- גבוה. ממברנות קרמיות משתמשות לעתים קרובות בתהליך ציפוי ג'ל סול- רב-שכבתי, תוך הפקדת ננוסול של אלומינה, בוהמיט וטיטניום דו-חמצני על תמיכה נקבוביות גסה-, ומקטינה בהדרגה את גודל הנקבוביות מרמת המיקרומטר לרמת סינון האולטרה (<100 nm).
גיבוש, ריפוי ופוסט{0}}טיפול
לאחר הציפוי, יש ליצור ולרפא את הממברנה. צינורות קרום אורגניים מקוררים ומתרפאים, ואז נחתכים לאורכים סטנדרטיים לפי הצורך. כדי לשפר את הגמישות וההתנגדות לקפלים, הם טבולים לעתים בתמיסת לחות כמו גליצרין. ממברנות קרמיות דורשות ייבוש וסינטר-בטמפרטורה גבוהה כדי להבטיח קשר חזק בין שכבת ההפרדה לתמיכה, ויוצרות מבנה נקבוביות היררכי יציב.
בדיקת איכות ובקרה
כל אצווה של מוצרים עוברת בדיקת איכות קפדנית כדי להבטיח שהביצועים עומדים בתקנים. אינדיקטורים מרכזיים כוללים:
• ביצועים בסיסיים: שטף מים טהורים בלחץ סטנדרטי (למשל, 0.1-0.25 MPa). • ביצועי הפרדה: שיעור החזקה של חומרים סטנדרטיים עם משקלים מולקולריים ספציפיים (כגון PEG, BSA) כדי לקבוע את סף המשקל המולקולרי.
• מאפיינים פיזיים: מראה, מידות, עובי דופן, חוזק מכני ועמידות בלחץ.
עטיפה של מודול: צינורות הממברנה שנבדקו יהיו מובלעים כדי ליצור את מודול הממברנה הצינורית הסופי. תהליך האנקפסולציה כולל:
1. איטום קצה: חום-המסה או הצמדת מכסי קצה לשני הקצוות של צינור הממברנה ליצירת חלל סגור.
2. צרור: טעינת צינורות ממברנה מרובים לבית-העמיד ללחץ בהתאם לדרישות התכנון, והתקנת יציאות כניסה/יציאה, מחברים ורכיבים אחרים.
3. בדיקה סופית: ביצוע בדיקות אטימות ולחץ כוללות על המודול המוקף. לאחר הסמכה, ניתן לאחסן אותו כמוצר סטנדרטי או למסור אותו לשימוש.
