NL9000417A - Anorganische membranen alsmede werkwijze voor het vervaardigen van anorganische membranen. - Google Patents

Description

Titel: Anorganische membranen alsmede werkwijze voor het vervaardigen van anorganische membranen

Bij veel industriële processen bestaat een behoefte aan efficiënte scheidingsprocessen waarbij hetzij vaste en/of opgeloste deeltjes uit vloeistoffen worden afgescheiden, hetzij vaste deeltjes uit gassen worden verwijderd, hetzij verschillende gas- of dampmoleculen worden gescheiden.

Voor het afscheiden van vaste deeltjes uit vloeistoffen kent de huidige stand van de techniek een groot aantal processen, zoals centrifugeren of filtreren. Deze processen kunnen zowel continu als discontinu worden uitgevoerd. Als men kleinere hoeveelheden vloeistof wil behandelen, of als de te filtreren vloeistof-vaste stofmengsels niet continu beschikbaar zijn, kiest men vaak voor een discontinue procesvoering. Dit geldt met name voor filtratieprocessen, waarbij bijvoorbeeld doekfilters, gemonteerd in filterpersen worden toegepast.

De techniek van de filtratie van vloeistoffen maakt op het ogenblik een snelle ontwikkeling door. Met gangbare "klassieke" filtratieprocessen kan men vaste stofdeeltjes met afmetingen tot ongeveer 1 μηι uit vloeistoffen afscheiden. Men spreekt over microfiltratie bij het afscheiden van vaste deeltjes met afmetingen kleiner dan ca. 10 μιη. Er is echter een grote behoefte aan het afscheiden van nog kleinere deeltjes uit vloeistoffen, zoals macromoleculen en bacteriën. Bij filtratieprocessen die het afscheiden van deeltjes met afmetingen tot 50 nm bewerkstelligen, spreekt men van ultrafiltratie. Met deze processen is het mogelijk virussen en macromoleculen door filtratie van vloeistoffen te scheiden. Voorts streeft men ernaar nog kleinere eenheden af te filtreren, zoals laag-moleculaire stoffen als suikers, monomeren, aminozuren en zelfs opgeloste ionen. Bij het afscheiden van dit soort, uiterst kleine eenheden spreekt men van omgekeerde osmose; ook gebruikt men wel de benaming hyperfiltratie.

Voor het afscheiden van kleine lichamen door filtratie zijti membranen op basis van polymeren ontwikkeld. Als men de membranen tot holle vezels met een zeer geringe diameter verwerkt, is het mogelijk een zeer groot filtrerend oppervlak per volume-eenheid te verkrijgen. Dergelijke membranen bieden in principe goede perspectieven voor technische toepassing.

De mechanische sterkte van dergelijke polymeermembranen is echter vaak beperkt. Dit maakt dat men geen groot drukverschil over het membraan kan aanleggen. Ook blijkt de chemische en thermische stabiliteit van dergelijke polymeervezels dikwijls een beperkende factor te zijn; de levensduur van het membraansysteem is dan gering. Voor het afscheiden van bestanddelen met geringe tot zeer geringe afmetingen uit vloeistoffen is er daarom een duidelijke behoefte aan membranen met een grote mechanische, chemische en thermische stabiliteit. Zo zouden voor biochemische toepassingen membranen die door behandeling met stoom kunnen worden gesteriliseerd zeer aantrekkelijk zijn. Met polymeermembranen is dit in het algemeen niet mogelijk.

Om aan de behoefte aan mechanisch, chemisch en thermisch meer stabiele membranen tegemoet te komen zijn anorganische membranen met zeer fijne poriën ontwikkeld voor het filtreren van vloeistoffen.(vgl. H.P. Hsieh, "Inorganic Membranes", AIChE Symp.Ser 84. (261) . Momenteel zijn voor vloeistof-filtratie poreuze membranen op basis van materialen als roestvast staal, zilver, aluminiumoxide, zircoonoxide en glas commercieel verkrijgbaar. De diameter der poriën ligt gewoonlijk in het gebied tussen 10 en 0,1 μπι, wat deze membranen geschikt maakt voor toepassingen in de microfiltratie. Ook is men erin geslaagd poriediameters tot 4 nm te realiseren. Deze membranen zijn in principe geschikt voor ultrafiltratie-toepassingen.

De membranen met fijnere poriën (beneden ca. 1 μπι) zijn gewoonlijk gekenmerkt door een opbouw in verschillende lagen: op een grof-poreuze ondergrond worden achtereenvolgens lagen met afnemende poriegrootte aangebracht. Bij dit aanbrengen wordt ervoor gezorgd dat de deeltjes van een nieuw aan te brengen laag een zodanige grootte hebben dat ze niet kunnen binnendringen in de poriën van de reeds aanwezige poreuze laag. Deze opbouw van het membraan heeft tot gevolg dat met name voor de fijner-poreuze anorganische membranen enkele lagen nodig zijn. Dit veroorzaakt een relatief grote hydro-dynamische weerstand en dus een lage permeaatflux. De relatief grote dikte van de fijn-poreuze lagen verhoogt de weerstand nog meer; gewoonlijk varieert deze dikte van enkele urn's tot enkele tientallen μιη'ε. Vergeleken met de actieve laag van asymmetrische uit polymeren opgebouwde ultrafiltratiemembranen is dit een grote dikte; van de polymeermembranen ligt de dikte gewoonlijk tussen 0,1 en 0,5 μιη (vgl. H.L. Flemming, Proceedings Membrane Planning Conference, Cambridge MA, Oct 20-22 1987).

De laagsgewijze opbouw van de huidige anorganische membranen heeft bovendien tot gevolg dat een zeer zorgvuldige bereidingswijze noodzakelijk is om een stabiel membraan te verkrijgen. Vooral de hechting tussen de verschillende lagen en het voorkomen van vorming van breuken of barsten tijdens de droogstappen vereist veel aandacht. Gewoonlijk worden ter voorkoming van de vorming van barsten en scheuren en voor een goede onderlinge hechting organisch chemische hulpstoffen (bindmiddelen, viscositeitsverhogers) bij het aanbrengen van de lagen toegepast.

Het is derhalve aantrekkelijk de dikte van de poreuze lagen te verminderen en de vervaardiging van membranen met een geschikte poriënverdeling te vergemakkelijken. Ook is het van belang de breedte van de porie-grootteverdeling in het membraan te verbeteren. De porie-diameterverdeling van de thans gangbare voor ultrafiltratie geschikte, fijner-poreuze anorganische membranen is relatief breed ten opzichte van die van polymeermembranen. De relatief grote spreiding in de poriedia-meters bij de huidige anorganische membranen leidt tot een geringere scherpte in de scheiding en een grotere gevoeligheid voor vervuiling door verstopping der poriën.

In verband met de verdere ontwikkeling van de vloeistof-filtratie is het aantrekkelijk om te kunnen beschikken over membranen met nog nauwere poriën en met een goed beheersbare distributie van poriënafmetingen. De uitvoeringsvorm van de, voor die filtratie, bekende anorganische membranen is gewoonlijk als buismodule (glasmembranen als holle vezels). Aldus is een andere, zeer belangrijke eis welke aan dergelijke membranen gesteld moeten worden, dat zij gemakkelijk tot modulen voor het filtreren van grote hoeveelheden vloeistof zijn te verwerken. Met de huidige anorganische membranen is het verwerken tot modulen lastig. Dit maakt dat de kostprijs van geschikte' modulen de prijs van de erin verwerkte anorganische membranen sterk te boven gaat. Vooral membranen op basis van een metaal of van een metaallegering zouden in dit verband zeer aantrekkelijk zijn. Metalen membranen zijn veel gemakkelijker in geschikte modulen te verwerken.

Er zijn uitstekende modulen op basis van metalen of legeringen commercieel beschikbaar. Echter zijn de afmetingen der poriën in deze membranen momenteel niet kleiner dan 1 μια. Kleinere poriënafmetingen kan men met metalen membranen thans niet realiseren. Eén der doelstellingen van de onderhavige uitvinding is dan ook membranen op basis van geschikte metalen of legeringen met aanzienlijk nauwere poriën te verschaffen.

In dit verband wordt opgemerkt, dat voor zover in deze beschrijving sprake is van "anorganische membranen”, de in de vakwereld gebruikelijke uitdrukking wordt gebruikt. De onderhavige uitvinding heeft echter in meer algemene zin betrekking op membranen, waaronder bijvoorbeeld ook glazen-, metalen-, en geheel of gedeeltelijk uit koolstof opgebouwde membranen gerekend moeten worden, welke in de vakwereld ook wel met "anorganische membranen" aangeduid worden.

Er bestaat ook een behoefte aan geschikte membranen voor het afscheiden van vaste componenten uit gas- en dampmengsels. Zeer kleine deeltjes kunnen uit gasstromen worden afgevangen met behulp van elektrostatische precipitatoren. Bij hoge temperaturen is deze methode echter niet goed toepasbaar, wegens het feit dat dan bij lage spanning reeds vonkoverslag (ontlading) optreedt. Een andere methode berust op filtratie door mechanische scheiding. Hierbij wordt vaak gebruik gemaakt van korrelbedden. De afvangst-efficiëntie van dergelijke bedden hangt echter af van de deeltjesgrootte. Met name worden deeltjes met een diameter van 0,3 tot 3 μπι slecht afgevangen. Een membraan met beheersbare poriegrootte zal in staat zijn een gasstroom zodanig te filtreren dat de afvangst-efficiëntie veel minder afhankelijk is van de deeltjesgrootte. Een andere doelstelling van de onderhavige uitvinding is dan ook het afscheiden van vaste stofdeeltjes met afmetingen van 0,1 tot 3 μπι uit gasstromen met een temperatuur tot ongeveer 850°C.

Verder is er een grote behoefte aan de mogelijkheid om bepaalde gasmoleculen uit gas- en dampmengsels af te scheiden. Op het ogenblik voert men scheidingsprocessen van gasmengsels meestal langs cryogene weg of door absorptie-desorptie-processen uit.

Bij een cryogene gasscheiding maakt men de gassen door afkoeling vloeibaar en destilleert men het aldus verkregen vloeistofmengsel. Hoewel deze werkwijze technisch zeer goed is uitgewerkt, is zij relatief kostbaar wegens de benodigde apparatuur (investeringen) en de mechanische energie nodig om het gasmengsel op de vereiste druk te brengen. Bovendien komen gasmengsels vaak bij hoge temperatuur beschikbaar. Bij cryogene scheiding moet het gasmengsel dan eerst sterk worden gekoeld. Daar de gescheiden gassen vervolgens vaak weer bij hoge temperaturen in chemische reacties moeten worden gebruikt, leidt intermediair afkoelen tot een slechte energie-efficiëntie.

Ook de afscheiding van gasvormige componenten door adsorptie levert technische problemen op. In het algemeen moet men het gasmengsel koelen om voldoende adsorptie te krijgen. Het is voorts vereist dat de geadsorbeerde hoeveelheid sterk met de druk varieert. Men kan dan door variatie van de gasdruk ("pressure-swing") de af te scheiden component(en) beurtelings laten adsorberen en desorberen. Hoewel dit proces op technische schaal met succes wordt toegepast, zijn voor veel gevallen geschikte adsorbentia niet voorhanden.

Dit maakt dat er een grote behoefte bestaat aan membranen die bij hoge temperatuur gasmengsels kunnen scheiden. De huidige commerciële polymeermembranen die ontwikkeld zijn voor gasscheidingen zijn in hun toepassing begrensd tot temperaturen beneden ca. 150°C.

Voor gasscheidingen bij hogere temperaturen zijn in het verleden vooral "dichte" anorganische membranen ontwikkeld, waarbij de scheidende werking berust op een sorptie-diffusie-mechanisme. Zo zijn waterstof-permeabele membranen uit palladium en palladium-legeringen met zilver, ruthenium, nikkel en andere metalen bekend.(vgl.V.M. Gryaznov, Platinum Metals Rev.30.(1986) 68) . Zuurstof-permeabele membranen vervaardigt men uit met yttriumoxide gestabiliseerd zirkoonoxide(vgl. Y. Nigara, B.Cales, Bull.Chem.Soc.Japan, ££(1986) 1997), terwijl men ook wel zilvermembranen voor de afscheiding van zuurstof heeft voorgesteld (vgl. V.M. Gryaznov et al,

Kinet.Ratal.27.(1986) 142) . Verder zijn dichte membranen uit koolstof bekend verkregen door pyrolyse van polymeermembranen (vgl. J.E. Koresh, A Soffer, Sep.Sci.Technol.18 (1983)723) . Een nadeel van deze "dichte" gasscheidingsmembranen is de lage permeabiliteit (flux), waardoor deze membranen industrieel niet economisch zijn toe te passen. Voor het transport van waterstof door palladiumbevattende membranen geldt dit niet. Hier speelt echter vergiftiging van het palladiumoppervlak door bijvoorbeeld zwavelverbindingen een belangrijke rol.

Een andere wijze waarop de toepassing van membranen, welke bij hoge temperaturen gasmengsels kunnen scheiden, gesuggereerd wordt, is de combinatie van een membraanscheiding met een katalytische reactie (vgl. H.P. Hsieh, "Inorganic Membrane Reactors-a review", AIChE Symp.Series, vgl. ook P.K.T. Liu et al, "Use of microporous ceramic membranes as catalytic reactors for dehydrogenation processes, paper presented during November-Symp. AIChE, USA (1989). Bij veel katalytische reacties begrenst het thermodynamisch evenwicht de conversie der reactanten in hoge mate. Als het mogelijk is de concentratie van één der reactieprodukten te verminderen door dit via een membraan selectief uit het reactiemengsel te verwijderen, dan kunnen veel hogere conversies worden bereikt. Dit geldt voor een aantal katalytische reacties. Vooral voor dehydrogeneringsreacties is dit van belang. Als men een dergelijke reactie uitvoert in aanwezigheid van een membraan dat selectief waterstof doorlaat, kan men bij een veel lagere temperatuur technisch bruikbare conversies bereiken. Dit is zeer aantrekkelijk omdat bij de hoge temperaturen die thans nodig zijn om een technisch bruikbare conversie te bereiken een aanmerkelijke fractie van de voeding ontleedt en als kool op de katalysator wordt afgezet.

Zoals eerder opgemerkt is het gebruik van anorganische membranen voor scheidingen van vaste stoffen en gassen en van gasmengsels reeds veelvuldig voorgesteld. In het algemeen past men hiervoor samengestelde anorganische membranen toe. Op een relatief dikke, grof-poreuze onderlaag, de "drager”, brengt men een dunne laag met poriën van de voor de scheiding vereiste geringe diameters aan. Wegens de noodzakelijke mechanische sterkte is de dikte van de drager meestal 2 mm of meer. Als poriën met de voor de scheiding vereiste diameter zich over de gehele dikte van een dergelijke drager uitstrekken is de stromingsweerstand door de poriën zeer hoog. In het algemeen is het transport door een dergelijk membraan te langzaam voor technische toepassingen.

Poriën met de gewenste geringe afmetingen kan men op het ogenblik ook van keramische componenten vervaardigen. Vgl.

H.P. Hsieh, "Inorganic Membrane Reactors-A review", AIChE -Symp. Series.). De huidige anorganische membranen worden daarom van oxiden, zoals bijvoorbeeld aluminiumoxide, vervaardigd. Op een grof-poreuze aluminiumoxideplaat met een dikte van minstens enkele mm's brengt men een dunne laag met de gewenste nauwe poriën aan. Het is van groot belang dat de poriediameterdistributie in de dunne laag zo smal mogelijk is.

De fijn-poreuze laag moet over het gehele oppervlak foutloos op.de grof-poreuze laag aansluiten. Eén enkele scheur zal de scheidingsefficiëntie in sterke mate negatief beïnvloeden. Om een dunne fijn-poreuze laag uniform op een grof-poreuze onderlaag aan te brengen, moet de grof-poreuze drager een zeer glad oppervlak hebben. Het oppervlak mag geen defecten, zoals krassen en kleine oneffenheden bevatten, daar dit tot lekken in de dunne, nauw-poreuze keramische laag leidt. Dergelijke lagen zijn echter moeilijk te vervaardigen. Het produceren van grof-poreuze keramische platen met een redelijk glad oppervlak zonder scheuren of gaten blijkt in de praktijk een lastige opgave te zijn. Volgens de bestaande stand der techniek met name de combinatie van een grof-poreuze onderlaag, die door de grote poriën een geringe stromingsweerstand voor vloeistoffen vertoont, en een zeer fijn-poreuze toplaag is lastig te realiseren. In het algemeen past men daarom een dunne tussenlaag toe met een intermediaire porositeit.

Thermische spanningen zijn in het algemeen een groot probleem bij anorganische membranen. De uitzettingscoëfficiën-ten van verschillende lagen mogen daarom niet teveel verschillen, omdat anders bij verandering van de temperatuur van het membraan de toplaag van de onderlaag afspringt. Men heeft voorgesteld de fijn-poreuze laag zeer dun te maken. Thermische spanningen zouden dan beter kunnen worden opgenomen. Een dunne laag is echter moeilijk als continue laag zonder defecten op een grof-poreuze onderlaag aan te brengen.

Deze membranen moeten tussen de retentaat- en permeaat-volumina lekdicht zijn aangebracht. Om een goede afdichting te krijgen, moeten de anorganische membranen in het algemeen worden ingeklemd tussen afdichtende oppervlakken. Als men de membranen bij kamertemperatuur inklemt, en de apparatuur daarna op de temperatuur brengt waarbij de scheiding moet worden uitgevoerd, leidt dit vaak tot kapotspringen van het anorganische membraan. Het keramische materiaal kan de krachten die door een verschil in uitzettingscoëfficiënt van de verschillende componenten optreden, niet opnemen.

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een. membraan dat gemakkelijk is te vervaardigen, dat mechanisch sterk is, dat chemisch stabiel is, dat bij hogere temperaturen is te gebruiken, en dat een goed beheersbare poriëngrootte en distributie van poriëndiameters heeft.

Volgens de uitvinding wordt dit bereikt door poriën van een grof-poreus membraan niet volledig met het fijn-poreuze materiaal op te vullen. Bij voorkeur is de lengte waarover de poriën met fijn-poreus materiaal worden opgevuld niet meer dan 50 micron, bij grotere voorkeur niet meer dan 10 micron, terwijl de beste resultaten worden verkregen als de poriën over een lengte van minder dan 1 micron met fijn-poreus materiaal worden opgevuld. Omdat het fijn-poreuze materiaal in de poriën van een grover poreus materiaal is aangebracht, is beschadiging van het vaak zeer kwetsbare oppervlak van de grof-poreuze laag veel minder schadelijk.

Het is ook mogelijk uit te gaan van een asymmetrisch vormstuk met membraaneigenschappen, opgebouwd uit een grof-poreuze laag met daarop een dunne toplaag met nauwere poriën. Een voorbeeld van een dergelijke uitvoeringsvorm is een vormstuk met membraaneigenschappen, bestaande uit een, bijvoorbeeld enkele millimeters dikke laag met poriën van 30 micron en een toplaag met een dikte van 5 micron met poriën van 1 micron of minder. In deze dunne toplaag brengt men nu over een lengte van minder dan 5 micron de fijn-poreuze laag aan.

Verrassenderwijs is gebleken dat het mogelijk is om sol-gel omzettingen lokaal in poriën te doen plaatsvinden, waardoor men op zeer gecontroleerde wijze het opvullen van de poriën van een grof-poreus membraan over een geringe afstand goed kan realiseren.

Het is bekend dat het sol-gel proces zeer geschikt is voor de vervaardiging van glasachtige of keramische producten, met de gewenste samenstelling, welke zeer zuiver en homogeen zijn. Een gel wordt gevormd door polymerisatie van alkoxyden of door gelering van een hydrosol. Bij deze laatste methode wordt een sol, dat wil zeggen een min of meer stabiele dispersie van colloïdale deeltjes in een waterhoudend milieu omgezet in een gel, wanneer het systeem, bijvoorbeeld door temperatuurveranderingen wordt gedestabiliseerd. De polymerisatie is in hoofdzaak gebaseerd op de condensatie van M-OH groepen(waarbij M het metaalion voorstelt). Het product van deze reactie is een hydrogel. Polymerisatie van een metaal-alkoxyde, M(0R)4 (waarin M een metaalion en R een alkylgroep is) is mogelijk omdat in de oplossing hydrolyse- en condensa-tiereacties verlopen wanneer aan de organische oplossing een kleine hoeveelheid water wordt toegevoegd. Deze reacties kunnen door een zuur of door een base worden gekatalyseerd. De gevolgde bereidingsmethode bepaalt de structuur en morfologie van het gevormde alcogel.

Bij de hierboven beschreven werkwijze wordt bij voorkeur gebruikgemaakt van alkoxyverbindingen van de gewenste metaalionen zoals bijvoorbeeld TEOS (tetraethylorthosilicaat), butylaluminaat(aluminium secundair butoxyde),tetraethyl-orthotitanaat of tetrapropylzirkonaat. Als men deze gedeeltelijk gehydrolyseerde verbindingen laat uitvloeien over een laag trichloorethaan, lost alcohol op in de organische vloeistof laag. Hierdoor geleert de alcohol-waterlaag die de metaalionen bevat.

Voor de vervaardiging van een membraan volgens de uitvinding brengt men op een onderlaag van een niet of slecht met water mengbare vloeistof die een hogere dichtheid heeft dan water en een relatief hoge oppervlakte-spanning een nauwkeurig afgemeten hoeveelheid van een colloïdale oplossing of van een suspensie van wat grotere vaste deeltjes aan. Men werkt met een niet of slecht met water mengbare vloeistof met een bekend geometrisch oppervlak. Dit oppervlak wordt gegeven door het vat waarin de vloeistof aanwezig is. De dikte van de laag van de colloïdale oplossing of suspensie is door het volume nauwkeurig af te meten goed in te stellen. De colloïdale oplossing of suspensie heeft door het uitvloeien over het noodzakelijkerwijs gladde oppervlak van de niet of slecht met water mengbare vloeistof een strikt uniforme dikte. Om de dikte van de waterlaag nauwkeurig te kunnen beheersen is het van belang dat de wanden van het vat waarin de niet of slecht met water mengbare vloeistof met daarop de colloïdale oplossing of suspensie aanwezig is hydrofoob zijn. Als de waterige colloïdale oplossing of suspensie de wand van het vat veel beter bevochtigt dan de niet of slecht met water mengbare vloeistof penetreert een deel van de waterige laag tussen de wand en niet of slecht met water mengbare vloeistof. Men kan dan de dikte van de waterige laag niet meer met de gewenste precisie instellen.

De niet of slecht met water mengbare vloeistof is aanwezig in een trillingsvrij opgesteld vat, waarin, slechts op enkele plaatsen ondersteund, een grof-poreuze laag van de gewenste dikte is aangebracht. Deze laag is met behulp van een waterpas en enkele stelschroeven nauwkeurig in een horizontaal vlak gebracht. De hoogte van de niet of slecht met water mengbare vloeistof is met een onder in het vat aangebrachte toevoerbuis willekeurig in te stellen.

Verrassenderwijs is gevonden dat men de hoogte van het niveau van het vloeistofoppervlak in de poriën van de grof-poreuze laag met een lichtmicroscoop met opvallend licht goed kan vaststellen.

Volgens een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt de colloïdale oplossing of suspensie over de niet of slecht met water mengbare vloeistof gegoten. De grof-poreuze drager bevindt zich dan nog boven de vloeistof. Vervolgens wordt het peil van de vloeistof op de gewenste hoogte ingesteld, waarna men de colloïdale oplossing of suspensie laat geleren. Dit kan op een overigens bekende wijze geschieden. Men kan bijvoorbeeld met infraroodstraling de waterige laag op een zodanig hogere temperatuur brengen dat een hydrolyseproces gaat verlopen dat via polymerisatie tot gelering leidt. Een voorbeeld is de hydrolyse van ureum of een cyanaat. Ook is het mogelijk, wanneer wordt uitgegaan van een alcoholaat van het uiteindelijk gewenste metaalion, het vloeistofoppervlak met een vluchtig zuur of een vluchtige base in contact te brengen, waardoor de gelering in gang kan worden gezet. Deze werkwijze kan men ook toepassen bij het aanbrengen van een mengsel van verschillende metaaloxiden of een mengoxide.

Een andere voorkeursuitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding heeft betrekking op het toevoegen van de vloeistof die de gedeeltelijk gehydrolyseerde verbindingen der aan te brengen metaalionen bevat. Volgens deze uitvoering laat men de niet of slecht met water mengbare vloeistof in het membraan opstijgen totdat het oppervlak juist is bereikt. In dit geval is de vloeistof met de te geleren metaalionen nog niet op de laag van de niet of slecht met water mengbare vloeistof aanwezig. Vervolgens laat men de voor de vereiste laagdikte benodigde hoeveelheid van de te geleren vloeistof over het membraan uitvloeien. Verrassenderwijs is gevonden dat de water- en alcoholbevattende vloeistof oxidische en metallische poreuze lagen veel beter bevochtigt dan organische vloeistoffen. De onderliggende organische vloeistof wordt door het alcohol-watermengsel verdrongen.

Volgens weer een andere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is in de aanvangstoestand het vloeistofniveau tot boven de grof-poreuze laag aanwezig. Men laat nu door een onder in het vat aangebrachte opening voorzichtig zoveel vloeistof wegstromen dat het peil van het vloeistof-oppervlak tot de gewenste hoogte in het grof-poreuze membraan daalt. Van deze uitvoeringsvorm maakt men bij voorkeur gebruik bij het aanbrengen van een minder poreuze, later (gedeeltelijk) met fijn-poreus materiaal op te vullen laag op een grof-poreuze onderlaag. In dat geval brengt men een waterige suspensie van de grovere deeltjes of van een geschikte colloïdale oplossing op het oppervlak van de grof-poreuze onderlaag aan door het peil van het vloeistof-oppervlak op het oppervlak van de grof-poreuze laag in te stellen. Nadat het vloeistofoppervlak op de gewenste hoogte is ingesteld, laat men de gelering op één van de boven aangegeven wijzen verlopen. Het aanbrengen van een dunne poreuze laag op een grof-poreuze onderlaag en het instellen van de porie- diameterdistributie door een na verwijdering uit de vloeistof en drogen uit te voeren thermische of hydrothermale behandeling maakt ook deel uit van de onderhavige uitvinding.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding kan men de dunne poreuze laag ook in twee of meer stappen in de poriën van de grof-poreuze drager aanbrengen. Bij de eerste stap brengt men een dunne laag met relatief wijde poriën aan. In een volgende stap laat men de benodigde hoeveelheid van het af te zetten materiaal door de poriën van de dunne laag, die uiteraard nauwer zijn dan de poriën van de grof-poreuze drager, opzuigen.

Volgens een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding die bijzonder de voorkeur verdient, brengt men eerst volgens de uitvinding een dunne laag van een geschikte verbinding aan met relatief wijde poriën. Deze verbinding is zo gekozen dat bij een daarop volgend deposi-tie-precipitatieproces precipiterend materiaal alleen op de initieel aangebrachte verbinding neerslaat. Voor de bereiding van katalysatoren waarin de katalytisch actieve component op een thermostabiele drager is aangebracht, wordt deze procedure veelvuldig met veel succes toegepast. Door de precipitatie uit homogene oplossing uit te voeren, bereikt men dat kiemvorming van het precipitaat niet in de oplossing zelf kan optreden, maar slechts op het oppervlak van een gesuspendeerd drager-materiaal. Op deze wijze kan een katalytisch actief membraan worden vervaardigd. Dezelfde techniek kan men met veel voordeel toepassen om de afmetingen der poriën van een dunne in een grof-poreuze matrix aangebrachte laag nauwkeurig in te stellen.

Volgens een alternatieve uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding brengt men eerst een vloeistof met een geschikt smeltpunt in de poriën van de grof-poreuze laag, die men vervolgens laat stollen. Ook kan men een gelatine-oplossing gebruiken, die men bij hoge temperatuur tot een bepaalde hoogte in de grof-poreuze laag laat stijgen, waarna men het systeem laat afkoelen. Nadat aldus de poriën over de gewenste lengte zijn gevuld, laat men een dunne laag met een precies afgemeten volume van een colloïdale oplossing of een geschikte suspensie over de laag uitvloeien. Afhankelijk van de poriëndiameter van de grof-poreuze laag kan het noodzakelijk zijn voor het laten uitvloeien van de colloïdale oplossing of de suspensie het systeem op een iets verlaagde druk te brengen om insluiten van gas in de poriën te voorkomen. Na gelering van de colloïdale oplossing of de suspensie verwijdert men de gestolde vloeistof door opnieuw smelten. Een gelatinelaag wordt door oxidatie aan de lucht verwijderd.

Voor een aantal toepassingen is gebruik van een membraan als een (eventueel aan één zijde gesloten) cilindrische buis zeer aantrekkelijk. Om een laag in een fijn-poreuze buis aan te brengen, zal men bij voorkeur van de laatste werkwijze volgens de uitvinding gebruik maken. In dat geval monteert men de grof-poreuze buis nauwkeurig gecentreerd in een gesloten cilinder en roteert men de cilinder met de grof-poreuze buis. Men laat nu een zodanig volume van een smelt of een gelatine bevattende vloeistof toe dat de poreuze buis van buiten naar binnen over de gewenste afstand wordt gevuld. Het toegevoegde volume bepaalt de hoogte waarover de poriën worden gevuld. Na stollen van de vloeistof of verharding van de gelatine bevattende vloeistof laat men de gewenste hoeveelheid van een colloïdale oplossing of een suspensie over het (inwendige) oppervlak van de roterende poreuze buis uitvloeien en vervolgens geleren.

Volgens een bijzondere uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding maakt men gebruik van een grof-poreus membraan waarop een dunne laag met veel nauwere poriën is aangebracht. Dergelijke asymmetrische membranen zijn commercieel beschikbaar, zowel van metaal als van keramisch materiaal. Verrassenderwijs is gebleken dat men een water-alcohol bevattend vloeistofmengsel dat geheel of gedeeltelijk gehydrolyseerde metaalverbindingen bevat selectief in het nauw-poreuze deel van het membraan kan aanbrengen. Men stelt de concentratie der geleerbare metaalverbindingen zo in dat na geleren en drogen een laag over de gewenste lengte in de fijne poriën is aangebracht.

Deze laatste werkwijze volgens de onderhavige uitvinding is bijzonder geschikt voor het aanbrengen van uiterst fijn poreus materiaal over geringe afstanden in poreuze buizen. Dit soort buizen zijn buitengewoon geschikt voor het opbouwen van modulen voor het afscheiden van deeltjes uit relatief grote vloeistofstromen.

Als grof-poreuze lagen kan men gebruik maken van keramische lagen of buizen. Aluminiumoxide of zirkoondioxide zijn geschikt om dergelijke grof-poreuze lagen of buizen te vervaardigen. Veel poreuze materialen zijn in een gewenste vorm in de handel te verkrijgen. Naast oxidische materialen kan men ook lichamen van poreuze kool commercieel verkrijgen.

Bij voorkeur gaat men bij de werkwijze volgens de uitvinding echter uit van gesinterde metalen lichamen. Naast een grote mechanische sterkte vertonen dergelijke poreuze lichamen een goede chemische en thermische stabiliteit. Volgens de uitvinding vervaardigde membranen, op basis van metalen dragermaterialen, kunnen thermische spanningen uitstekend opnemen. Ook kunnen dergelijke membranen zeer goed in modules worden verwerkt. Tenslotte kan men zeer goed een zeer dunne laag van een geschikt metaal(hydr)oxide of gehydrateerd oxide in een metalen membraan aanbrengen. Daarna kan men de poriënafmeting nauwkeurig instellen door depositie-precipitatie uit te voeren. In het algemeen precipiteren metaal(hydr)oxiden of gehydrateerde metaaloxiden niet op metaaloppervlakken. De porieverdeling kan men door thermoporometrie bepalen, zonder de waterige oplossing uit het membraan te verwijderen door middel van thermoporometrie. Op deze wijze kan men het verloop van de poriediameterdistributie tijdens het precipitatieproces volgen.

Behalve voor het afscheiden van deeltjes uit gassen en vloeistoffen en voor het scheiden van de componenten uit gasmengsels, zijn membranen volgens de onderhavige uitvinding zeer geschikt voor pervaporatie- en damppermeatieprocessen.

Dit geldt met name voor membranen gebaseerd op gesinterde metalen. Een pervaporatieproces waarbij gebruik wordt gemaakt van een membraan bestaande uit een zeer dunne keramische laag aangebracht in een gesinterde metalen laag, maakt dan ook deel uit van de uitvinding. Een groot probleem bij pervaporatieproces sen is het toevoeren van de verdampingswarmte aan de vloeistof die de te scheiden componenten bevat. De hoge warmtegeleiding van metalen membranen maakt het mogelijk de verdampingswarmte rechtstreeks aan het membraan toe te voeren door thermische geleiding. Bij voorkeur doet men dit door het metallische membraan thermisch te verbinden met een ver-brandingskatalysator, waarbij de katalytisch actieve component eveneens op een gesinterd metaal is aangebracht. Koperoxide leent zich uitstekend als verbrandingskatalysator. Ook bij damppermeatieprocessen is de gemakkelijke toevoer van thermische energie aan metalen membranen van grote betekenis.

De uitvinding wordt aan de hand van de volgende voorbeelden nader toegelicht.

Voorbeeld 1.

Ongeveer 15 gram tetraethylorthosilicaat (TEOS) werden in 13,2 gram absolute ethanol opgelost en onder roeren werden hieraan 10,4 g 0,25M HC1 toegevoegd. De oplossing bevatte in molaire hoeveelheden TEOS: water:alcohol:katalysator=l:8:4:0.03.

Teneinde de hydrolyse en polymerisatie-condensatie te versnellen werd de oplossing gedurende ongeveer 30 minuten op een temperatuur van 40°C gehouden. Na afkoelen werd 40 μΐ van deze sol aangebracht op een grof-poreuze drager met poriën van circa 1.5 jam, welke gevuld waren met trichloorethaan. De dikte van de grof-poreuze laag was 3 mm. Door de lage oppervlaktespanning van de sol vloeide deze geheel over het drager-oppervlak (circa 5 cm2) uit. De sol verdrong de organische vloeistof en geleerde vervolgens. Door krimp in de dikte werd een anorganisch membraan verkregen met een laag van circa 30 Urn.

Wegens het geringe volume van de membraanlaag, was de gemiddelde poriediameter niet nauwkeurig door condensatie van stikstof te bepalen. Daarom werd van een grotere hoeveelheid niet in grof poreus materiaal aangebrachte gel, de gemiddelde poriediameter bepaald.

Na een warmtebehandeling bij 600°C bleek de poriediameter van het niet in een grof poreus materiaal aangebrachte gel kleiner dan 18 A te zijn.

Voorbeeld 2

Op dezelfde wijze als beschreven in Voorbeeld 1 werd een soortgelijk membraan, doch nu met grotere poriën vervaardigd, waarbij nu werd uitgegaan van een gelerend mengsel, dat was verkregen door TEOS, ethanol en een waterhoudende oplossing van NH4OH te mengen in een verhouding van 1:2:4:0,01.

Voorbeeld 3

Een aluminiumoxyde membraan werd bereid, uitgaande van aluminiumisopropoxyde(Al(OC3H7) 3) of aluminium secundair butoxyde, (Al (004119)3. Een boehmietsol werd gevormd door 2M alkoxyde in 2-butanol onder heftig roeren snel toe te voegen aan een overmaat water met een temperatuur van 80 a 85°C (alkoxyde : water = 1:100). Na circa 30 minuten werden 0,07 mol HNO3 toegevoegd, zulks teneinde het precipitaat te peptiseren en de resulterende suspensie te stabiliseren. Om het grootste deel van het butanol te verwijderen werd gedurende een paar uur het reactievat bij deze temperatuur geopend. Nadat er praktisch geen butanol meer aanwezig was werd de sol gedurende een nacht onder terugvloei-koeling op een temperatuur van 90 a 100 °C verhit. De aldus verkregen sol bleek uitstekend geschikt om, onder toepassing van één van de verschillende impregnatiemethoden zoals in het voorgaande beschreven membranen volgens de uitvinding te vervaardigen.

Claims (16)

1. Anorganisch membraan, gekenmerkt door een mechanisch grof poreus lichaam, waarvan de poriën over een lengte korter dan de dikte van het poreuze lichaam zijn gevuld met een fijn of uiterst fijn poreus materiaal.

2. Anorganisch membraan volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de poriën van het lichaam over een lengte van maximaal 50 micrometer, bij voorkeur maximaal 10 micrometer en in het bijzonder maximaal 1 micrometer met fijn-poreus materiaal zijn opgevuld.

3. Anorganisch membraan volgens conclusies 1 en 2, met het kenmerk, dat het grof-poreuze lichaam poriën met een diameter van 100 micrometer tot 50 nanometer bevat.

4. Anorganisch membraan volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat op een grof-poreuze onderlaag een dunne, minder poreuze laag met nagenoeg uniforme poriën van 10 micrometer tot 5 nanometer is aangebracht en dat poriën van de laatste laag over een beperkte lengte met uiterst fijn poreus materiaal zijn gevuld.

5. Anorganisch membraan volgens conclusies 1, 2 en 3, met het kenmerk, dat het grof-poreuze membraan bestaat uit gesinterd metaal.

6. Anorganisch membraan volgens conclusies 1, 2 en 3, met het kenmerk, dat het grof-poreuze membraan bestaat uit een oxide, zoals aluminiumoxide, siliciumoxide, zirkoondioxide of titaandioxide of uit koolstof.

7. Werkwijze voor de vervaardiging van een anorganisch membraan volgens een of meer der conclusies 1-6, met het kenmerk, dat de fijn-poreuze laag in een grof-poreuze laag is aangebracht door een nauwkeurig afgemeten hoeveelheid geleer-bare vloeistof, welke aanwezig is op een slecht met water of alcohol mengbare vloeistof, in de grof-poreuze laag aan te brengen, en vervolgens het geleringsproces te voltooien.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de geleerbare vloeistof een (precursor van een) katalytisch actieve verbinding bevat.

9. Werkwijze volgens conclusie 7-8, met het kenmerk, dat aan één zijde van de grof-poreuze laag eerst een dunne laag van een verbinding met relatief wijde poriën wordt aangebracht, welke verbinding zodanig is gekozen dat bij een daarop volgende depositie-precipitatie uit homogene oplossing van een onoplosbare verbinding, deze alleen op het initieel aangebrachte materiaal neerslaat.

10. Werkwijze volgens conclusie 7-8, met het kenmerk, dat men de geleerbare hoeveelheid vloeistof door het doen opstijgen van de slecht met water of alcohol mengbare vloeistof in de grof-poreuze laag aanbrengt.

11. Werkwijze volgens conclusie 7-8, met het kenmerk, dat men de geleerbare hoeveelheid vloeistof aanbrengt door het in beperkte mate verdringen van een slecht met water of alcohol mengbare vloeistof die de poriën van de grof-poreuze laag juist vult.

12. Werkwijze volgens conclusie 7-8, met het kenmerk, dat men de geleerbare hoeveelheid vloeistof aanbrengt door deze uit te laten vloeien over het bovenoppervlak van een grof-poreuze laag waarvan de poriën niet volledig met een slecht met water of alcohol mengbare vloeistof zijn gevuld.

13. Werkwijze volgens conclusie 7-8, met het kenmerk, dat men de geleerbare hoeveelheid vloeistof aanbrengt door het niveau van een slecht met water of alcohol mengbare vloeistof waarop de gewenste laagdikte van een geleerbare vloeistof is aangebracht te laten dalen tot de gewenste positie in een grof-poreuze laag.

14. Werkwijze volgens conclusie 7-8, met het kenmerk, dat men uitgaat van een lichaam waarvan de poriën over een beperkte lengte een geringere diameter hebben dan de diameter in het grootste deel van het membraan.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat men in het deel van de poriën met de geringere diameter selectief een gelerende vloeistof laat opnemen en vervolgens op overigens bekende wijze laat geleren.

16. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat men in het deel van de poriën met de geringere diameter selectief een geschikt materiaal laat neerslaan totdat de gewenste poriëndiameter is bereikt.