Hollow fibre membrane production using a nonsolvent induced phase separation spinning unit

Abstract

Membranen und Membrantechnik sind im Laufe der Jahre aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Membranen sind in erster Linie in allen Lebewesen zu finden und erfüllen im Körper äußerst wichtige Aufgaben. Die Membrantechnologie begann zwar mit biologischen Membranen, hat sich aber zu einem weitreichenden Gebiet entwickelt. Seit der ersten erfolgreichen asymmetrischen Membran, die in den 1960er Jahren unter Verwendung der nicht lösungsmittelinduzierten Phasentrennung (NIPS) hergestellt wurde, haben diese Membrantypen ihre Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen gefunden - von der Dialyse, Blutoxygenierung, extrakorporalen Membranoxygenierung, Umkehrosmose, Membrandestillation, Gastrennung und Abscheidung von Kohlendioxid und Methan, Abwasserreinigung, zur Lebensmittel- und Pharmaindustrie etc.Diese Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf den NIPS-Prozess und die asymmetrischen Hohlfasermembranen, die aus der neu gebauten hauseigenen NIPS-Prozessanlage gesponnen werden. NIPS ist ein Mehrkomponentenverfahren, bei dem eine homogene Mischung aus einem Polymer und einem Lösungsmittel (Dope; in diesem Fall Polyethersulfon PES und N-Methyl-2-pyrrolidon NMP) und allen anderen Additiven in einem Nichtlösungsmittel (hier Wasser). Beim Kontakt wird eine Diffusion initiiert, was zu einer Phasentrennung und polymerreichen und polymerarmen Regionen führt. Dies führt zur Membranbildung.Der theoretische Rahmen dieses Verfahrens wird ebenso beleuchtet wie der praktische Aspekt des Spinnens von Fasern und deren Charakterisierung. Zur Charakterisierung werden REM, UV/VIS-Gerät, Rheometer, Porositätsprüfung, Ultrafiltration (UF), Gastrennung (GP) und Zugversuche eingesetzt. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die neu gebaute modulare NIPS-Anlage. Der Prozess von der Polymergemischherstellung über das Spinnen bis hin zu prüffertigen Modulen steht im Fokus dieser Arbeit. Bestimmte Parameter wurden ausgewählt und ihre Auswirkungen auf die Fasermorphologie, die UF- oder GP-Eigenschaften und die mechanische Stabilität untersucht- Luftspaltlänge, PES-Konzentration in der Spinnlösung, Spinnlösungsviskosität, Spinndüsen- und Spinnlösungstemperatur, NMP-Zusammensetzung in der Bohrflüssigkeit, Koagulationsbadtemperatur, Additive, Dope- und Boreflüssigkeitsdurchflussraten. Die Ergebnisse jeder Variation stimmen größtenteils mit der Literatur überein und belegen, dass die NIPS-Anlage einer weiteren Optimierung und einem weiteren Betrieb bedarf, um die gewünschten und asymmetrischen Hohlfasern zu erzielen.

Membranes and membrane technology has become an essential part of modern-day life over the years. First and foremost, membranes can be found inside all living beings and serve extremely important purposes inside the body. Membrane technology, whilst beginning with biological membranes, has become a vast field of itself. Ever since the first successful asymmetric membrane produced using the nonsolvent induced phase separation (NIPS) in the 1960s, these types of membranes have found their application in a multitude of fields- from dialysis, blood oxygenation, extracorporeal membrane oxygenation in the medical field, to reverse osmosis, membrane distillation, gas separation and capture of carbon dioxide and methane, to wastewater hygienisation, to the food and pharmaceutical industry etc. This thesis focuses mainly on the NIPS process and the asymmetric hollow fibre membranes spun from the newly built inhouse NIPS process plant (E166-02-2). NIPS is a multicomponent process, where a homogenous mixture of a polymer and a solvent (dope; in this case polyethersulfone (PES) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and any other additives is precipitated with a certain geometry in a nonsolvent (in this case water). Upon contact, diffusion is initiated, resulting in phase separation and polymer-rich and polymer-lean regions. This leads to membrane formation. The theoretical framework behind this process will be closely examined, as well as the practical aspect of spinning fibres and characterising them. The scanning electron microscope (SEM), ultraviolet/visible light (UV/VIS) spectrophotometer, rheometer, porosity tests, ultrafiltration (UF), gas separation (GP) and tensile testing is used as means of characterisation. The newly built NIPS modular plant is what this thesis revolves around. The process beginning from the dope production to spinning and to modules ready for testing is the focus of this thesis. Documentation of the whole process is necessary, so that future research can be built upon. Certain parameters have been chosen and their effects on fibre morphology, UF or GP performance and mechanical stability have been examined- air gap length, PES concentration in the dope, dope viscosity, spinneret and dope temperature, NMP composition in the bore fluid, coagulation bath temperature, additives, dope and bore fluid flow rates. The results of each variation are mostly in alignment with literature and are proof that the NIPS plant requires further optimisation and operation to achieve desired and favourable asymmetric hollow fibres.