Уплотняющиеся (полимерные) мембраны

К уплотняющимся относятся мембраны, которые под воздействием давления или каких-либо других факторов уплотняются. Эти мемб­раны отличаются эластичностью, что упрощает их герметизацию в аппаратах. Наибольшее применение получили полимерные мемб­раны из лиофильных материалов, обладающие высокой удельной производительностью.

Мембраны с анизотропной структурой. Их получают обычно из растворов полимеров с различными добавками путем удаления растворителей или предварительно введенных в них добавок в усло­виях, препятствующих уплотнению полимера вследствие действия капиллярных сил.

Для получения листовых (пленочных) полупроницаемых мемб­ран применяют сухой (спонтанный), мокрый (коагуляционный) и термальный методы. При сухом методе полимер, например эфир целлюлозы или смесь эфиров, растворяют в растворителях типа ацетона и к этому раствору добавляют соответствующие порообразующие агенты (этанол, бутанол, воду, глицерин и др.). Преимущество мембран, полученных этим методом,-возможность их хранения и транспортирования в сухом виде.

Пористость мембран можно регулировать, изменяя концентра­цию и условия испарения растворов (например, температуру), а также вводя соли и другие вещества, растворимые в воде.

Мокрый (коагуляционный) метод формования мембран применительно, например, к мембранам из ацетатов целлюлозы вводится к следующему. Раствор, состоящий из ацетата целлюлозы, растворителя (ацетона и воды) и порообразователя (перхлората магния, иногда формамида) наносят тонким слоем на горизонталь­ную поверхность, подсушивают несколько минут и затем обра­зующуюся пленку погружают в холодную воду (около 0 °С), в кото­рой выдерживают в течение примерно 1 ч до отслаивания пленки. В начальной стадии формования ацетон быстро испаряется с поверхности раствора полимера и на ней образуется гелеобразный слой, препятствующий удалению растворителя с более глубоких слоев раствора полимера. В дальнейшем этот слой преобразуется в активный. Толщина этого слоя тем меньше, чем больше продол­жительность испарения растворителя (рис. 24-1). При последующей

Рис. 24 – 1. Зависимость толщины активного слоя (δ_А) и подслоя (δ_В) от продолжитель­ности τ испарения растворителя

обработка нагретой водой из поверхностного слоя пленки вымы­вается как растворитель, так и порообразователь.

Термальный метод формования мембран заключается в термической желатинизации смеси полимера и соответствующих пластификаторов, например полигликолей. Компоненты смешива­ют, расплавляют и охлаждают, получая так называемые термаль­ные гели. При этом растворяющая способность пластификаторов, а, следовательно, и степень растворения полимера изменяются с изменением температуры. По мере снижения температуры рас­плава макромолекулы полимера взаимодействуют и образуют ге­леобразную структуру. При этом в результате разделения фаз образуются поры.

Помимо трех основных методов получения пленочных мембран можно использовать также модифицирование промышленных по­лимерных пленок, например прививку веществ, содержащих гидро­фильные группы. В результате увеличения лиофильности полимера сорбция им воды возрастает, и полимер может набухать до состоя­ния геля.

Для получения мембран в виде полых волокон применяют сле­дующие методы: сухой, сухо-мокрый, мокрый и метод формования из расплава. Сухой метод применяют для получения полого волокна из раствора пропусканием его через фильеры с последу­ющим удалением растворителя на воздухе или в струе инертного газа. Для образования сквозного канала в волокне используют фильеры с иглой, которая закреплена в центре отверстия фильеры (рис. 24-2, а). Вместо иглы иногда используют капилляр (см. рис. 24-2,б), через который под давлением подают газ.

Сухо-мокрый метод получения полых волокон отличается от сухого тем, что после удаления на воздухе растворителя из раствора

Рис. 24-2. Схемы фильер для формования полых волокон с полупроницаемыми стенками:

а - фильера 1 с иглой 2, б - фильера 1 с полой иглой 2 для подачи газа; в - фильера 1 с полой иглой 2 для подачи осаждающего раствора.

полимер осаждают в воде или в каком-либо другом осадителе с последующим удалением растворителя и образованием активного слоя.

При мокром методе полое волокно формуют в осадительную ванну, минуя стадию удаления растворителя на воздухе. При этом внутрь полого волокна по игле или капилляру подают осадитель (см. рис. 24-2, в), обычно воду.

При формовании (волокон) из расплава используют расплав полимера с различными добавками. По окончании формования через фильеру полое волокно обрабатывают так же, как при сухом или сухо-мокром методах. Следует отметить, что фильеры для формования волокон из расплава наиболее просты по конструкции.

Мембраны с изотропной структурой. Эти мембраны получают обручением тонких полимерных пленок заряженными частицами или электромагнитным излучением с последующим травлением химическими реагентами, поэтому их называют ядерными мембра­нами, или «нуклеопорами».

Вследствие деструкции молекулярная масса полимера вдоль трека заряженной частицы становится значительно меньше, чем в радиационно неповрежденных местах. Поэтому повышается чувствительность некоторой области полимера к химическому воз­действию. Чтобы в результате химического травления щелочью или кислотой образовались сквозные, практически одинакового диа­метра поры, следует применять излучение с высокой плотностью ионизации, в частности - частицами и протонами.

Для большинства полимеров вероятным механизмом образова­ния треков является разрыв химических связей. Заряженные частицы ионизируют и возбуждают макромолекулы полимера разрывом цепей, концы которых обладают высокой химической активностью. Поэтому в дальнейшем при погружении облученной пленки в кис­лоту или щелочь на месте треков образуются поры.

В настоящее время можно получать ядерные мембраны с пора­ми диаметром от нескольких нанометров до нескольких десятков микрометров. Толщина этих мембран изменяется от одного до нескольких микрометров (обычно около 10 мкм).

Преимущества ядерных мембран: отклонение диаметров пор от номинального значения не превышает 10%; правильная, практи­чески круглая форма поперечного сечения пор; возможность полу­чения мембран с заранее заданным числом и диаметром пор; возможность использования для изготовления мембран материа­лов, стойких к агрессивным средам; пассивность в биологическом отношении; устойчивость к воздействию бактерий (они не обладают бактерицидными свойствами); стойкость в условиях термической и химической обработки и др. Поэтому ядерные мембраны очень перспективны для микроаналитических исследований (например, в цитологии и элементном анализе), для фракционирования раство­ров высокомолекулярных соединений и их очистки. Ядерные мембраны с успехом используют для получения очищенной от бактерий воды в полевых условиях, для изучения размеров и строе­ния клеток крови различных типов (в частности, для выделения раковых клеток из крови) и для других целей.