1.2.Мембрани з жорсткою структурою (лекція 3)

До мембран з жорсткою структурою відносяться металеві і керамічні мембрани, з пористого скла, нанесені, динамічні та ін.

Металеві мембрани. Ці мембрани виготовляють вилуговуванням або сублімацією одного з компонентів сплаву. Вони відрізняються високою пористістю і дуже вузьким розподілом пор по розмірах. Діаметр пор в таких мембранах 0,1 – 6 мкм, але у разі потреби його можна зменшити, використовуючи при отриманні мембран тонку металеву фольгу. Металеві мембрани можна виготовляти також спіканням металевого порошку при високій температурі. Діаметр пор у мембран, отриманих у такий спосіб, знаходиться в межах від декількох мікрометрів до десятих і навіть сотих доль мікрометра.

Основна перевага металевих мембран:

• однорідність структури і розмірів пор;

• ці мембрани не схильні до дії бактерій;

• хімічно стійкі в різних середовищах;

• їх можна очищати зворотним струменем води або якої-небудь іншої рідині або прожаренням.

Керамічні мембрани. Мембрани на основі керамічних матеріалів зазвичай виготовляють дво- або тришаровими, тобто вони відносяться до композитних мембран. Підкладка має пори розміром 3,0 – 15 мкм. На неї наносять мембраноутворюючий шар завтовшки в декілька мікрометрів (наприклад, на основі оксидів Al, Ti та ін.). Зазвичай мембранний елемент з кераміки виготовляють у вигляді циліндра (частіше у вигляді шестигранника, який вписується в коло діаметром 30 – 40 мм). Усередині цього циліндра (довжина її складає 0,7 – 1 м) для збільшення робочої поверхні мембрани є поздовжні отвори – порожнисті циліндри діаметром 4 – 6 мм, на внутрішню поверхню яких наносять тонкі селективні шари – зазвичай по золь-гель-технології або осадженням на підкладці твердої фази (оксиди металів плюс різні добавки) з розчинів з подальшою термообробкою. Керамічні мембрани знаходять найбільш широке застосування для проведення процесів мікро- і ультрафільтрації, їх можна використовувати для розділення і очищення агресивних середовищ, зокрема при підвищених температурах.

Мембрани з пористого скла. Мембрани цього типу володіють високою хімічною стійкістю і жорсткістю структури, не схильні до дії мікроорганізмів. Ці властивості дозволяють використовувати їх при розділенні розчинів в широкому інтервалі рН (1 – 10).

Мембрани з пористого скла виготовляють у вигляді пластин, плівок, трубок, капілярів, полого волокна; їх можна піддавати як тепловій, так і хімічній стерилізації.

Технологія отримання, наприклад, капілярно-пористих скляних мембран заснована на формуванні капілярів з лугоборосилікатного скла з подальшою їх кислотною обробкою, в процесі якої зі скломаси відділяється одна з складових. Змінюючи режими термічної і хімічної обробки, можна отримувати мембрани різної пористої структури з порами розміром від 2,0 до 100 нм.

Нанесені мембрани. Залежно від способу отримання ці мембрани можна розділити на просочені і напилені. При отриманні просочених мембран як пористу основу використовують різні матеріали: пористу неіржавіючу сталь, металокерамічні перегородки, а як речовини, що зменшують розміри пор – нерозчинні солі, які утворюються на поверхні пор в результаті хімічної взаємодії між спеціально підібраними розчинними солями. Просочені мембрани отримують таким чином. Пористу основу протягом доби просочують в насиченому водному розчині якої-небудь розчинної солі (наприклад, ) і висушують. Потім її протягом доби витримують в розчині солі (наприклад, , утворюючої при хімічній реакції нерозчинний осад (в даному випадку – фероціанід міді).

Напилені мембрани отримують напиленням на мікропористу підкладку різних речовин (з розчинів і розплавів полімерів, металів та ін.), що мають схильнісь до зчеплення з матеріалом підкладки. При цьому, змінюючи товщину напиленого на підкладку шару, можна направлено регулювати розмір пор. Прикладом напилених мембран можуть служити ультратонкі мембрани, отримані так званою плазмовою полімеризацією (у тліючому розряді) органічних сполук (акрилонітрил, кумол, етилбензол, поридин, дихлоретан і багато інших) з подальшим осадженням полімерів на пористій підкладці.

Основні достоїнства плазмового синтезу мембран полягають в наступному:

• утворення сухих мембран, що спрощує їх зберігання і транспортування;

• можливість регулювання товщини шару полімеризації (тобто активного) мембрани;

• можливість осадження на різних по формі і матеріалу підкладках і застосування широкого ряду полімерів;

• порівняно невелика тривалість отримання мембрани.

Динамічні мембрани. Їх отримують фільтруванням розчину, що містить спеціальні добавки речовин, що диспергують, через пористі підкладки. Підкладки, маючи номінальний діаметр пор від доль мікрометра до 5 мкм, нездатні затримувати молекули та іони розчинених низькомолекулярних речовин. Але в результаті сорбції дисперсних частинок на поверхні підкладки, зверненої до розчину, утворюється напівпроникний шар.

Ряд особливостей динамічних мембран обумовлює перспективність їх застосування в крупних установках, наприклад для очищення промислових стічних вод. Перш за все це простота виготовлення апаратів. Якщо при використанні як мембрани полімерних плівок виникають певні труднощі (наприклад, при розміщенні плівок на підкладках, їх закріпленні, організації перетікання між секціями і тому подібне), то основне завдання, яке доводиться вирішувати при створенні апаратів з динамічними мембранами, зводиться до розробки способів кріплення і герметизації в них пористих підкладок. При цьому апарат може бути виконаний за типом кожухотрубчатого теплообмінника, що має пористі трубки малого діаметру, що дозволяє отримати в одиниці об'єму достатньо велику поверхню мембран.

Інше найважливіше достоїнство динамічних мембран – висока питома продуктивність, що досягає сотень літрів з квадратного метра в годину, що перевищує питому продуктивність широко поширених ацетатцелюлозних мембран для зворотного осмосу. Слід також відзначити, що термін служби динамічних мембран практично необмежений. Мембрани володіють напівпроникними властивостями до тих пор, поки в розчині, що розділяється, є мікрокількості матеріалу (0,1 – 10 міліграм/л). У разі механічного пошкодження динамічної мембрани можливе самовідновлення її в результаті відкладення на підкладці нового напівпроникного шару. Більш того, якщо під час експлуатації погіршуються характеристики мембрани, їх можна відновити, змивши сорбований шар розчинником, що подається з протилежного боку підкладки.

Динамічні мембрани можна ефективно використовувати для очищення слабомінералізованих стічних і природних вод, концентрації водних розчинів. Великий практичний інтерес представляють динамічні мембрани, утворені одним або декількома компонентами, що містяться безпосередньо в оброблюваних розчинах. Подібний процес, званий самозатриманням, часто зустрічається при фільтрації через пористі підкладки стічних вод, а також забруднених природних вод.

Одна з найбільш перспективних сфер застосування динамічних мембран – очищення стічних вод, забруднюючими компонентами яких є катіони (особливо багатовалентні) або колоїдні частинки. Ці мембрани можна застосовувати і для обробки природних кислих вод, коли не вимагається глибокого знесолення. При цьому вода практично повністю очищається від мікроорганізмів і колоїдних частинок. У багатьох випадках після такої обробки вода стає придатною для використання в промисловості і побуті.