Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 66 из 68)

18.3. Современные мембранные материалы и технологии

Применяемые в технологической отрасли современные мембранные материалы можно разделить на следующие виды:

Неорганические: керамические, углеродные, цеолитные, стеклянные и металлические;

Полимерные;

Биомембранные белково-липидные наноструктуры.

Мембранные материалы можно разделить на пористые и непористые. Они могут также различаться по конфигурации: существуют плоские и цилиндрические мембраны, а также мембраны в виде оболочек. На основе различных мембранных материалов разработан широкий ассортимент мембран, мембранных элементов и установок, включая установки для разделения и очистки жидкостей на базе современных неорганических мембран, аппараты для газоразделения, мембранные системы для отделения плазмы крови, мембраны и мембранные элементы для очистки воды и органических жидкостей, мембраны и мембранная аппаратура для современных методов анализа воды и прочие мембранные системы. Важнейшими характеристиками мембран являются производительность и селективность. Скорость переноса вещества через мембрану тем выше, чем тоньше мембрана и еѐ активный слой. Толщина современных мембран достигает 100-1000 ангстрем. В селективной мембране скорость переноса одного компонента (или группы компонентов) разделяемой смеси значительно выше, чем скорость переноса других компонентов.

Современные мембраны – это, главным образом, непористые полимерные структуры сложной конфигурации, в которых должны сочетаться такие трудно соединимые качества, как предельно малая толщина рабочего слоя, высокая селективность и механическая прочность. Одним из методов получения таких мембран является метод инверсии, или разделения фаз. Полимер растворяют в каком-либо «хорошем» растворителе или смеси растворителей. При медленном испарении растворителя образуется гомогенная непористая мембрана. Если полимерный материал растворѐн в смеси летучего растворителя и осадителя, то при испарении первого возникает тонкий непористый слой, а после начала коагуляции полимера – второй, пористый, слой. Так можно получать асимметричные мембраны. Такие же мембраны можно получать, погружая раствор полимера с образовавшимся на его поверхности тонким селективным слоем в ванну с осадителем. Так, например, изготавливают мембраны из поливинилтриметилсилана для разделения газов.

Другой способ получения мембран заключается в «бомбардировке» полимерных плѐнок ионами высоких энергий или тяжелыми ионами, которые получают в ускорителях (циклотронах). При последующем протравливании полимерного материала удаѐтся получить систему цилиндрических пор с очень узким распределением по размерам. Полимерные мембраны с очень высокой степенью пористости можно получить при вытяжке частично закристаллизованных полимеров, а также методом выщелачивания специально введенных в полимерные молекулы растворимых добавок (например, неорганических солей). Целый ряд методов получения мембран основан на осаждении тонких полимерных слоѐв на подложках в условиях низкотемпературной плазмы, при межфазной полимеризации, конденсации паров на поверхности подложек тонких слоѐв плѐнок. Все эти методы используют для получения плоских, половолоконных и композиционных мембран.

При получении полых волокон исходный раствор полимера продавливают через фильеру особого сечения, а затем, после образования тонкого рабочего слоя на поверхности формирующегося волокна, волокно помещают в коагуляционную ванну, где образуется пористая подложка. Селективный слой при этом можно сформировать как на внутренней, так и на внешней поверхности полого волокна. Обычно внешний диаметр полого волокна не превышает 0,5 мм, а толщина стенки - 10-20 мкм. Половолоконные мембраны имеют гораздо большую, по сравнению с плоскими мембранами, поверхность на единицу объѐма мембранного аппарата. Поэтому предпочтение отдаѐтся мембранам именно такой конфигурации.

Самое широкое применение мембранные технологии находят в процессах очистки промышленных стоков от загрязнений. Мембранные фильтры, применяемые в этой отрасли, можно разделить на следующие группы:

Микрофильтрационные мембраны с размером пор 0,1 - 1,0 мкм задерживают мелкие взвеси и коллоидные частицы, которые делают воду мутной. Как правило, они используются для грубой очистки или предварительной подготовки воды перед более глубокой очисткой. Ультрафильтрационные мембраны с размером пор от 0,01 до 0,1 мкм удаляют крупные органические молекулы (молекулярный вес больше 10 000), коллоидные частицы, бактерии и вирусы, не задерживая при этом растворенные соли. Такие мембраны применяются в промышленности и в быту и обеспечивают высокое качество очистки от вышеперечисленных примесей, не изменяя при этом минерального состава воды. Мембраны для ультрафильтрации обычно состоят тонкого рабочего слоя толщиной 0,1-1 мкм, наложенного на крупнопористую подложку толщиной 100 мкм.

Нанофильтрационные мембраны характеризуются размером пор от 0,001 до 0,01 мкм. Они задерживают органические соединения с молекулярной массой выше 300 и пропускают 15-90 % солей в зависимости от структуры мембраны.

Обратноосмотические мембраны содержат самые узкие поры и потому являются самыми селективными. Эти непористые или очень мелкопористые мембраны задерживают все бактерии и вирусы, большую часть растворенных солей и органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность, и патогенные вещества). В среднем обратноосмотические мембраны задерживают 97-99 % всех растворенных веществ. Такие мембраны используется во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (розлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.). Обратноосмотические мембраны широко применяются в быту - системы обратного осмоса позволяют получить чистейшую воду, удовлетворяющую российским и европейским стандартам качества для питьевого водопользования, а также всем требованиям для использования в бытовой технике, системе отопления и сантехнике. Мембраны для обратного осмоса имеют асимметричную структуру: они состоят из тонкого селективного рабочего слоя толщиной около 1 мкм, наложенного не крупнопористую подложку толщиной 100-150 мкм. Если подложка изготовлена из другого материала, нежели активный слой, то такие мембраны называются композиционными.

Принцип мембранных процессов, широко применяемых в очистке воды, состоит в пропускании исходной воды через полупроницаемую мембрану. Под влиянием приложенного давления молекулы воды и некоторые растворенные вещества (размер которых меньше диаметра пор мембраны) проникают через мембрану, тогда как остальные примеси задерживаются. В результате прохождения через мембрану исходная вода разделяется на два потока: фильтрат (очищенная вода) и концентрат (сконцентрированный раствор примесей). Фильтрат подается потребителю, а концентрат сливается в дренаж. Все примеси, размер которых превышает размер пор мембраны, механически не могут проникнуть через мембрану. Благодаря такой технологии, даже при значительном ухудшении параметров исходной воды, качество очищенной воды остается высоким. Мембрана, в отличие от «накопительных» систем очистки воды (активированным углем, ионообменными смолами и т.п.) не накапливает примесей внутри, что исключает вероятность их попадания в очищенную воду. Размер задерживаемых частиц определяется структурой мембраны, то есть размером ее пор.

При переходе от микрофильтрации к обратному осмосу размер пор мембраны уменьшается и, следовательно, уменьшается минимальный размер задерживаемых частиц. При этом, чем меньше размер пор мембраны, тем большее сопротивление она оказывает потоку, и тем большее давление требуется обеспечить для процесса фильтрации. Использование двухступенчатого обратного осмоса (вода дважды пропускается через обратноосмотические мембраны) позволяет получить дистиллированную и деминерализованную воду. Такие системы являются экономически выгодной альтернативой дистилляторам-испарителям и используются на многих производствах (гальваника, электроника и т. д.).

Метод очистки коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных веществ от низкомолекулярных примесей посредством мембран называется диализом. Этот метод применяется, например, в аппарате

«искусственная почка».

18.3. Перспективы развития мембранных технологий

Значение мембранной технологии в последние годы резко возросло, прежде всего, как технологии, способной навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию. Решением