Cadottes FilmTec-Membran bildete ihre salzblockierende Haut am Berührungspunkt zweier Flüssigkeiten

Die Umkehrosmose wurde mit einer Einmaterialmembran praktikabel: der asymmetrischen Celluloseacetat-Membran mit integrierter Haut, hergestellt von Loeb und Sourirajan an der UCLA 1959 und 1960 patentiert. Ein einziges Polymer musste beide Aufgaben erfüllen – Salz zurückhalten und Wasser durchlassen –, sodass Verbesserungen bei der Rückhaltung auf Kosten des Flusses gingen und Verbesserungen beim Fluss auf Kosten der Rückhaltung. John Cadotte, tätig am North Star Research & Development Institute, hatte ultradünne Polymerfilmlaminate hergestellt, die 1970 patentiert wurden, und reichte 1975 und 1977 eigene Patente für Umkehrosmosemembranen ein.

1972 entwickelte Cadotte die erste grenzflächenpolymerisierte Polyamid-Dünnfilmkompositmembran. Das Rezept erscheint in der am 22. Februar 1979 eingereichten und am 7. Juli 1981 als US-Patent 4,277,344 erteilten Anmeldung, zugewiesen an die FilmTec Corporation: einen porösen Träger mit einer wässrigen Lösung eines Polyamins wie Phenylendiamin beschichten und den beschichteten Träger dann mit einem Polyacylhalogenid wie Trimesoylchlorid in Kontakt bringen. Die Polymerisation beginnt an der Grenzfläche, in situ auf dem Träger, und das getrocknete Produkt ist ein Komposit – ein vernetztes aromatisches Polyamid, das auf diesen Träger laminiert ist.

Die Reaktanten befinden sich in nicht mischbaren Flüssigkeiten, sodass sie sich nur in einer Ebene treffen. Der Film bildet sich dort und hört dann auf zu wachsen, weil er das wässrige Diamin vom organischen Säurechlorid trennt; die selektive Schicht bleibt ultradünn, während der darunterliegende Träger den Druck aufnimmt. Die Verwendung eines Acylhalogenids mit mindestens trifunktionalem Charakter vernetzt das Polyamid; das Patent zeigt, dass dies im Vergleich zu linearen Polymeren eine geringere Dehnung und eine geringere Löslichkeit ergibt – eine dichte Haut, die den Betrieb und die Reinigung übersteht. Das Patent verzeichnet außerdem eine gute Chlorbeständigkeit, die mit einem Chlorierungsmittel verbessert werden kann.

Diese Architektur setzte sich durch. Heute ist die große Mehrheit der Umkehrosmose- und Nanofiltrationsmembranen aus Polyamid-Dünnfilmkompositen, und FilmTec, das Unternehmen, das aus North Star hervorging, ist heute Teil von DuPont. Das Patent von 1981 steht am Ende einer dokumentierten Linie – North Stars ultradünnes Filmlaminat von 1970, Cadottes Umkehrosmosemembranen von 1975 und 1977 –, und seine Ansprüche beschreiben die selektive Schicht als ein Material, das dort entsteht, wo zwei Flüssigkeiten aufeinandertreffen, statt als eine Folie, die gegossen, aufgebracht oder extrudiert wird.

Die selektive Haut dort wachsen lassen, wo zwei Flüssigkeiten aufeinandertreffen

Eine Einmaterialmembran muss den Wasserfluss gegen die Salzrückhaltung abwägen; ein Komposit überträgt jede Aufgabe einem anderen Material.

Die Grenzflächenpolymerisation begrenzt sich selbst: Der gebildete Film trennt die Reaktanten, sodass die selektive Schicht ultradünn bleibt, ohne dick und langsam zu werden.

Ein Acylhalogenid mit drei oder mehr Funktionalitäten vernetzt das Polyamid, was laut Patent im Vergleich zu linearen Analoga eine geringere Dehnung und eine geringere Löslichkeit ergibt.

Der poröse Träger trägt die mechanische Last, sodass die Chemie empfindlich und teuer sein kann, während das Substrat kostengünstig und stark bleibt.

Die Chlorbeständigkeit entscheidet darüber, ob eine Membran reale Reinigungsregime übersteht; das Patent umfasst ihre Verbesserung mit einem Chlorierungsmittel.

Verlange nicht von einem Material, zwei Aufgaben zu erfüllen. Bringe die selektive Chemie in eine Schicht, die zu dünn ist, um dem Durchfluss Widerstand zu leisten, lass eine dickere den Druck aufnehmen – und baue die dünne Schicht in situ auf.

Durch Grenzflächenpolymerisation hergestellte Polyamid-Dünnfilmkomposite wurden zur Referenzarchitektur für Umkehrosmose und Nanofiltration, und die FilmTec Corporation ist heute Teil von DuPont. Dieselbe Reaktion – ein wässriges Diamin gegen ein organisches Säurechlorid, das nur an der Grenzfläche polymerisiert – ist noch immer die Standardmethode zur Bildung der selektiven Schicht und wurde seither auf die Nanofiltration, auf lösungsmittelbeständige Membranen und auf um Nanopartikel herum aufgebaute Schichten ausgedehnt. Übersichten über Membranmaterialien zur Entsalzung führen die kommerzielle Linie auf dieses Komposit zurück.