Membrane emulsification in preparation of single site catalyst

In the theory part the membrane emulsification was studied. Emulsions are used in many industrial areas. Traditionally emulsions are prepared by using high shear in rotor-stator systems or in high pressure homogenizer systems. In membrane emulsification two immiscible liquids are mixed by pressuring one liquid through the membrane into the other liquid. With this technique energy could be saved, more homogeneous droplets could be formed and the amount of surfactant could be decreased. Ziegler-Natta and single-site catalysts are used in olefin polymerization processes. Nowadays, these catalysts are prepared according to traditional mixing emulsification. More homogeneous catalyst particles that have narrower particle size distribution might be prepared with membrane emulsification. The aim of the experimental part was to examine the possibility to prepare single site polypropylene catalyst using membrane emulsification technique. Different membrane materials and solidification techniques of the emulsion were examined. Also the toluene-PFC phase diagram was successfully measured during this thesis work. This phase diagram was used for process optimization. The polytetrafluoroethylene membranes had the largest contact angles with toluene and also the biggest difference between the contact angles measured with PFC and toluene. Despite of the contact angle measurement results no significant difference was noticed between particles prepared using PTFE membrane or metal sinter. The particle size distributions of catalyst prepared in these tests were quite wide. This would probably be fixed by using a membrane with a more homogeneous pore size distribution. It is also possible that the solidification rate has an effect on the particle sizes and particle morphology. When polymeric membranes are compared PTFE is probably still the best material for the process as it had the best chemical durability.

Kirjallisessa osassa käsiteltiin emulsion muodostusta membraanin avulla. Emulsioita käytetään teollisuudessa laajasti. Perinteisesti emulsio muodostetaan roottori-staattori systeemeillä tai korkeapainehomogenointi systeemeillä käyttämällä hyödyksi suuria leikkausvoimia. Emulsion muodostuksessa membraanin avulla kaksi toisiinsa liukenematonta nestettä sekoitetaan keskenään työntämällä toinen liuos toisen sekaan kalvon huokosten läpi. Tällä tekniikalla on mahdollista säästää energiaa, tuottaa homogeenisempia emulsiopisaroita ja vähentää käytetyn pinta-aktiivisen aineen määrää. Ziegler-Natta ja single-site katalyyttejä käytetään olefiinien polymeroinnissa. Nykyään näitä katalyyttejä valmistetaan emulsiosta, joka on valmistettu perinteisesti sekoittamalla. Membraaniemulgoinnilla olisi mahdollista saada aikaiseksi homogeenisempia katalyyttipartikkeleita, joilla olisi kapeampi partikkelikokojakauma. Kokeellisessa osassa tutkittiin polypropyleenin valmistuksessa käytettävän single site katalyytin valmistusta membraaniemulgoinnin avulla. Erilaisia kalvomateriaaleja ja emulsion kiinteytystekniikoita tutkittiin. Työn aikana myös määritettiin tolueeni-PFC faasidiagrammi. Faasidiagrammia käytettiin apuna prosessin optimoinnissa. Polytetrafluoroetyleenimembraanit omasivat suurimmat kontaktikulmat tolueenin kanssa. Tästä huolimatta suuria eroja ei havaittu kun verrattiin katalyyttipartikkeleita, jotka oli valmistettu PTFE membraania käyttäen tai metalli sintteriä käyttäen. Näissä testeissä valmistetuilla katalyyttipartikkeleilla oli melko laajat partikkelikokojakaumat. Partikkelikokojakaumia saataisiin luultavasti kavennettua jos käytettäisiin membraaneja, joilla on kapeampi huokoskokojakauma. On myös mahdollista, että kiinteytymisnopeus vaikuttaa katalyyttipartikkeleiden kokojakaumaan ja morfologiaan. Polymeerisistä membraaneista PTFE membraanit soveltuvat parhaiten tähän prosessiin, sillä niillä oli paras kemiallinen kestävyys.