Мембраны с жесткой структурой

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

Металлические мембраны. Эти мембраны изготовляют выщела­чиванием или возгонкой одного из компонентов сплава. Они отли­чаются высокой пористостью и очень узким распределением пор по размерам. Диаметр пор в таких мембранах 0,1-6 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.

Керамические мембраны. Мембраны на основе керамических материалов обычно изготовляют двух - или трехслойными, т. е. они относятся к композитным мембранам. Подложка имеет поры раз­мером 3,0 – 15 мкм. На нее наносят мембранообразующий слой толщиной в несколько микрометров (например, на основе оксидов Al, Ti и др.). Обычно мембранный элемент из керамики изготов­ляют в виде прута (чаще в виде шестигранника, который вписывает­ся в окружность диаметром 30 – 40 мм). Внутри этого прута (длина ^его составляет 0,7 – 1м) для увеличения рабочей поверхности мембраны имеются продольные отверстия - полые цилиндры диамет­ром 4 – 6мм, на внутреннюю поверхность которых наносят тонкие селективные слои – обычно по золь–гель–технологии или осажде­нием на подложке твердой фазы (оксиды металлов плюс различные добавки) из растворов с последующей термообработкой. Керами­ческие мембраны находят наиболее широкое применение для про­ведения процессов микро- и ультрафильтрации, их можно исполь­зовать для разделения и очистки агрессивных сред, в том числе при повышенных температурах.

Мембраны из пористого стекла. Мембраны этого типа обладают высокой химической стойкостью и жесткостью структуры, не под­вержены действию микроорганизмов. Эти свойства позволяют использовать их при разделении растворов в широком интервале pH (1 – 10).

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

Технология получения, например, капиллярно-пористых стек­лянных мембран основана на формовании капилляров из щелоче­боросиликатного стекла с последующей их кислотной обработкой, в процессе которой из стекломассы удаляется одна из составля­ющих. Изменяя режимы термической и химической обработки, можно получать мембраны различной пористой структуры с пора­ми размером от 2,0 до 100 нм.

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. Пропитанные мембраны получают следующим образом. Пористую основу в те­чение суток пропитывают в насыщенном водном растворе, какой- либо растворимой соли (например, CuS0₄) и высушивают. Затем ее в течение суток выдерживают в растворе соли [например, K₄Fe(CN)₆], образующей при химической реакции нерастворимый осадок (в данном случае – ферроцианид меди).

Напыленные мембраны получают напылением на микро­пористую подложку 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 так называемой плазменной полимериза­цией (в тлеющем разряде) органических соединений (акрилони –трил, кумол, этилбензол, пиридин, дихлорэтан и многие другие) с последующим осаждением полимеров на пористой подложке.

Основные достоинства плазменного синтеза мембран заключа­ются в следующем: образование сухих мембран, что упрощает их хранение и транспортирование; возможность регулирования тол­щины полимеризационного (т. е. активного) слоя мембраны; воз­можность осаждения на различных по форме и материалу подлож­ках и применения широкого ряда полимеров; сравнительно небольшая продолжительность получения мембраны.

Динамические мембраны. Их получают фильтрованием раствора, содержащего специальные добавки диспергированных веществ, че­рез пористые подложки. Подложки, имея номинальный диаметр пор от долей микрометра до 5 мкм, неспособны задерживать молекулы и ионы растворенных низкомолекулярных веществ. Но в результате сорбции дисперсных частиц на поверхности подложки, обращенной к раствору, образуемся полупроницаемый слой.

Ряд особенностей динамических мембран обусловливает перспективность их применения в крупных установках, например для очистки промышленных сточных вод. Прежде всего, это простота изготовления аппаратов. Если при использовании в качестве мембран полимерных пленок возникают определенные трудности (например, при размещении пленок на подложкал, их закреплении, организации перетока между секциями и т. п.), то основная задача, которую приходится решать при создании аппаратов с динамиче­скими мембранами, сводится к разработке способов крепления и герметизации в них пористых подложек. При этом аппарат может быть выполнен по типу кожухотрубчатого теплообменника, имею­щего пористые трубки малого диаметра, что позволяет получить в единице объема достаточно большую поверхность мембран.

Другое важнейшее достоинство динамических мембран - высо­кая удельная производительность, достигающая сотен литров с квадратного метра в час, что превышает удельную производитель­ность широко распространенных ацетатцеллюлозных мембран для обратного осмоса. Следует также отметить, что срок службы динамических мембран практически неограничен. Мембраны обла­дают полупроницаемыми свойствами до тех пор, пока в разде­ляемом растворе имеются микроколичества материала (0,1-10 мг/л). В случае механического повреждения данамической мембраны возможно самовосстановление ее в результате отложения на под­ложке нового полупроницаемого слоя. Более того, если во время эксплуатации ухудшаются характеристики мембраны, их можно восстановить, смыв сорбированный слой растворителем, подавае­мым с противоположной стороны подложки.

Динамические мембраны можно эффективно использовать для очистки слабоминерализованных сточных и природных вод, кон­центрирования водных растворов. Большой практический интерес представляют динамические мембраны, образованные одним или несколькими компонентами, содержащимися непосредственно в об­рабатываемых растворах. Подобный процесс, называемый самозадержанием, часто встречается при фильтрации через пористые подложки сточных вод, а также загрязненных природных вод.

Одна из наиболее перспективных сфер применения динамических мембран – очистка сточных вод, загрязняющими компонентами ко­торых являются катионы (особенно многовалентные) или коллоид­ные частицы. Эти мембраны можно применять и для обработки природных кислых вод, когда не требуется глубокого обессоливания. При этом вода практически полностью очищается от микроор­ганизмов и коллоидных частиц. Во многих случаях после такой обработки вода становится пригодной для использования в про­мышленности и быту.