Мембраны

Мембрана - полупроницаемая перегородка, пропускающая опреде­ленные компоненты жидких или газовых смесей. Мембраны долж­ны удовлетворять следующим основным требованиям: обладать высокой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной производительностью (проницаемостью); химической стойкостью к действию среды разделяемой системы; механической прочностью, достаточной для их сохранности при монтаже, транс­портировании и хранении. Кроме того, свойства мембраны в про­цессе эксплуатации не должны существенно изменяться.

Для изготовления мембран применяют различные полимеры (ацетаты целлюлозы, полиамиды, полисульфон и др.), керамику, стекло, металлическую фольгу и др. В зависимости от механической прочности используемых материалов мембраны подразделяют на уплотняющиеся (полимерные) и с жесткой структурой, а также на пористые и непористые (диффузионные).

Пористые мембраны нашли широкое применение прежде всего в процессах обратного осмоса, микро- и ультрафильтрации, реже- для разделения газов. Они имеют как анизотропную, так и изо­тропную структуру. Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный тонкопористый слой толщиной 0,25-0,5 мкм (назы­ваемый активным, или селективным), представляющий собой се­лективный барьер. Компоненты смеси разделяются именно этим слоем, располагаемым со стороны разделяемой смеси. Крупнопо­ристый слой толщиной примерно 100-200 мкм, находящийся под активным слоем, является подложкой, повышающей механическую прочность мембраны. Мембран о. с анизотропной структурой ха­рактеризуются высокой удельной производительностью, более медленной закупоркой пор в процессе их эксплуатации. Срок службы этих мембран определяется главным образом химической стойкостью материала мембран в перерабатываемых средах. Для мембран с изотропной структурой характерно быстрое сниже­ние проницаемости вследствие закупорки пор коллоидными или взвешенными частицами, часто содержащимися в разделяемых растр арах.

Диффузионные мембраны обычно применяют для разделения газов, жидких смесей методами испарения через мембрану, диализа. Диффузионные мембраны являются практически непористыми. 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 разделяемой смеси. 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 полимерные лиофилъные материалы.

Скорость прохождения молекул через диффузионную мембрану обычно 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 десятых долей микрометра), закрепленных на пористых подложках.

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