Вопрос 3. Характеристика мембран

Мембрана — полупроницаемая перегородка, пропускающая определен­ные компоненты жидких или газовых смесей. Они должны обладать высо­кой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной произ­водительностью (проницаемостью); химической стойкостью к действию среды разделяемой системы; механической прочностью. Полупроницаемые мембраны, с помощью которых осуществляется процесс разделения водных растворов, являются основной частью мембранного аппарата и определяют технологические, технические и эксплуатационные характеристики аппа­ратов. Полупроницаемые мембраны изготовляют из различных полимер­ных материалов, пористого стекла, графитов, металлической фольги и др.

От материала мембраны зависят ее свойства (химическая стойкость, прочность) и структура.

Мембраны подразделяют на пористые и диффузионные.

Пористые мембраны имеют как анизотропную, так и изотропную струк­туру. Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный тонкопо­ристый (называемый активным, или селективным) слой толщиной 0,25...0,50 мкм. Компоненты смеси разделяются именно этим слоем, распо­лагаемым со стороны обрабатываемого раствора. Крупнопористый слой тол­щиной около 100...200мкм, находящийся под активным слоем, является подложкой, повышающей механическую прочность мембраны. Мембраны с анизотропной структурой характеризуются высокой удельной производи­тельностью, отсутствием закупорки пор в процессе их эксплуатации. Для мембран с изотропной структурой характерно быстрое снижение проницае­мости вследствие закупорки пор коллоидными или взвешенными частица­ми, содержащимися в разделяемых растворах.

Диффузионные (непористые) мембраны применяют для разделения газов и жидких смесей методом испарения через мембрану. Они представляют со­бой квазигомогенные гели, через которые растворитель и растворенные ве­щества проникают под действием градиента концентраций (молекулярная диффузия).

Скорость, с которой через мембрану проходят отдельные компоненты, за­висит от энергии активации при взаимодействии переносимых частиц с ма­териалом мембраны, а также от подвижности отдельных звеньев мембран­ной матрицы и от свойств диффундирующих компонентов раствора. Следует отметить, что скорость диффузии тем выше, чем слабее связаны между со­бой отдельные звенья полимерной цепи в гелевом слое, т. е. чем сильнее на­бухает мембрана. Поэтому для изготовления диффузионных мембран наибо­лее приемлемы лиофильные материалы.

Скорость прохождения молекул через диффундирующую мембрану пря­мо пропорциональна коэффициенту диффузии, который определяется раз­мерами молекул и их формой. Поэтому диффузионные мембраны наиболее рационально применять для разделения компонентов, имеющих практичес­ки одинаковые свойства, но различающихся размерами и формой молекул. Проницаемость диффузионных мембран почти не снижается со временем. Диффузионные мембраны имеют большое гидродинамическое сопротивле­ние, поэтому их следует применять в виде ультратонких пленок толщиной порядка 0,02...0,04 мкм, закрепленных на пористых подложках.

В зависимости от типа используемых баромембранных аппаратов как по­ристые, так и диффузионные мембраны изготовляют листовыми, трубчаты­ми либо в виде полых волокон внутренним диаметром 20... 100 мкм при тол­щине стенки 10...50мкм. Мембраны можно изготовлять также на пористых носителях (подложках) различной конфигурации, так называемые компо­зитные, или комбинированные мембраны.

Для изготовления мембран применяют различные материалы: полимер­ные пленки, стекло, металлическую фольгу и др. В зависимости от механической прочности используемых материалов мембраны подразделяют на уп­лотняющиеся (полимерные) и с жесткой структурой.

Уплотняющиеся (полимерные) мембраны. К ним 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. По типам структур мембраны могут быть симметричны­ми и асимметричными. С тем, что бы достичь возможно большей производи­тельности при достаточной чистоте пермеата (фильтрата), разделительный слой мембраны должен быть возможно тоньше и в то же время обеспечивать высокую селективность. Будучи тонкой, мембрана должна обеспечивать вы­сокую механическую прочность относительно деформаций в широком диа­пазоне температур. В связи с этим были разработаны асимметричные мемб­раны. В асимметричных мембранах микропористый слой (99,5% толщины мембраны) является лишь подложкой для селективного непористого рабоче­го слоя, не создающего сопротивления переносу.

Мембраны с жесткой структурой. К ним относятся металлические мемб­раны, из пористого стекла, нанесенные, динамические и др.

Металлические мембраны изготовляют выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава. Получаемые мембраны отличаются высокой пористостью и очень узким распределением пор по размерам. Диаметр пор в таких мембранах составляет 0,1...5,0 мкм, но в случае необходимости его можно уменьшить, используя при получении мембран тонкую металличес­кую фольгу. Металлические мембраны можно изготовлять также спеканием металлического порошка при высокой температуре. Диаметр пор у мембран, полученных таким способом, находится в пределах от нескольких микро­метров до десятых и даже сотых долей микрометра.

Основное преимущество металлических мембран — однородность струк­туры и размеров пор. Эти мембраны не подвержены воздействию бактерий, химически стойки в различных средах. Их можно очищать обратным током воды или какой-либо другой жидкости либо прокаливанием.

Мембраны из пористого стекла обладают высокой химической стой­костью и жесткостью структуры, не подвержены действию микроорга­низмов.

Мембраны из пористого стекла изготовляют в виде пластин, пленок, тру­бок, капилляров, полого волокна; их можно подвергать как тепловой стери­лизации, так и химической.

Нанесенные мембраны. В зависимости от способа получения эти мембра­ны можно разделить на пропитанные и напыленные. При получении пропи­танных мембран в качестве пористой основы используют различные матери­алы: пористую нержавеющую сталь, металлокерамические перегородки, а в качестве веществ, уменьшающих размеры пор, — нерастворимые соли, которые образуются на поверхности пор в результате химического взаимодействия между специально подобранными растворимыми солями.

Напыленные мембраны получают напылением на микропористую под ложку различных веществ (из растворов и расплавов полимеров, металлов и др.), обладающих склонностью к сцеплению с материалом подложки. При этом, изменяя толщину напыленного на подложку слоя, можно направлен­но регулировать размер пор.

Примером напыленных мембран могут служить ультратонкие мембра­ны, полученные плазменной полимеризацией: тлеющим разрядом органи­ческих соединений с последующим осаждением продуктов полимеризации на пористой подложке. Такие мембраны принято называть плазменными. Полимеризация в тлеющем разряде может быть осуществлена как с разря­дом между электродами, так и безэлектродным разрядом — радиоволновым и микроволновым.

Разновидностью напыленных мембран являются композитные мембра­ны. Их получают конденсацией полимера (обычно нецеллюлозного типа) на пористой подложке (например, из полисульфона). Толщина активного слоя этих мембран составляет 25...50 нм.

Перспективность композитных мембран обусловлена следующими пре­имуществами: малая толщина активного слоя; большой выбор материалов для их изготовления; не требуются дренажные материалы.

Динамические мембраны получают фильтрованием раствора, содержаще­го специальные добавки диспергированных веществ, через пористые подлож­ки. Подложки, имея номинальный размер пор от 5нм до 5 мкм, не способны задерживать молекулы и ионы растворенных низкомолекулярных веществ. Однако в результате сорбции дисперсных частиц на поверхности подложки, обращенной к раствору, образуется полупроницаемый слой.

При создании аппаратов с динамическими мембранами возникают опре­деленные трудности при разработке способов крепления и герметизации в них пористых подложек. Поэтому наиболее предпочтительна конструкция аппарата типа «кожухотрубчатый теплообменник», имеющего пористые трубки малого диаметра, что позволяет получить в единице объема большую поверхность мембран. Достоинствами динамических мембран являются: высокая удельная производительность, практически неограниченный срок службы. В случае механического повреждения динамической мембраны возможно самовосстановление ее в результате отложения на подложке ново­го полупроницаемого слоя.

Жидкие мембраны. Под жидкими мембранами понимают мембраны с жидкостью, иммобилизованной внутри пор микропористой подложки. Если мембрана смачивается жидкостью, то последняя может удерживаться в по­рах за счет капиллярных сил. Давление, необходимое для вытеснения жид­кости из пор, называется капиллярным давлением и изменяется обратно пропорционально диаметру пор, поэтому при достаточно малых порах жид­кость удерживается на подложке при разнице давлений под и над мембра­ной в несколько атмосфер.