1.4.2 Металлические мембраны

Все металлические мембраны следует разделить на две группы:

• непористые, которые используются в диффузионных мембранных процессах;

• пористые, используемые для ультра- и микрофильтрации.

Кроме того, необходимо упомянуть композиционные мембраны с селективным слоем из металла (часто палладия), полученного плазменным напылением.

Непористые металлические мембраны обычно изготавливаю в виде плоских пластин и капилляров литьем, прокаткой и вытяжкой и используют в основном в мембранном разделении газов. Такие мембраны производят из палладия и палладиевых сплавов (Pd–Ag–Ni–Nb).

Пористые металлические мембраны получают спеканием металлических порошков (сталь, титан и титановые сплавы), а также выщелачиванием какой-либо части сплава (например, нержавеющей стали). На такие пористые подложки часто производят напыления Ni, Zn, Cu, Co и других металлов для формирования селективных слоев.

1.4.3 Керамические мембраны

К керамике относятся изделия из неорганических неметаллических материалов, как природных (глина, каолин, тальк, шпинель, карбонаты, карбиды), так и техногенных (оксиды Al₂O₃, TiO₂, MgO, CeO₂, ZrO₂ и их комбинации, а также карбиды, Ba₂Ti и др.)

Часто для производства керамических мембран используется глинозем (Al₂O₃), особенно прочной и химически стойкой модификацией которого является a-Al₂O₃ (корунд), в который b- и g-формы переходят при 1480 ^оС.

В процессе производства керамических мембран следует выделить три стадии:

1. формование мембраны;

2. сушка;

3. обжиг.

Формование осуществляют сухим прессованием (воздействие давлением 200–700 ат на порошок, смоченный небольшим количеством масла или воды), шликерным литьем (шликер – суспензия керамики, содержащая до 35 % твердой фазы) и экструзией (керамическая масса продавливается через фильеру с образованием трубок). Керамические мембраны вообще чаще всего формируются в виде трубок.

Сушка обычно осуществляется либо на стеллажах в воздушной атмосфере при комнатной температуре, либо в инфракрасных или СВЧ-сушилках.

Обжиг (спекание), в ходе которого образуются физико-химические связи между частицами керамических порошков, осуществляется в различных печах при температуре 1100–1500^оС.

Керамические мембраны обычно состоят из нескольких слоев различной пористости (см. Рис. 13), которые последовательно наносятся на пористую подложку шликерным литьем или с помощью золь–гель технологии, после чего каждый слой подвергается сушке и обжигу.

Рисунок 13 – Многослойная керамическая мембрана

Формуются как одноканальные, так и многоканальные трубчатые керамические мембраны (см. Рис. 14).

Рисунок 14 – Керамические мембраны в обжиговой печи

1.4.4 Мембраны из графита

Существуют два метода получения графитовых мембран:

1. карбонизация (обугливание) полимерных мембран;

2. спекание порошка кокса.

В первом случае готовую мембрану из неплавкого полимера нагревают до 800–1000^оС, полимер обугливается и получается пористая высокоселективная графитовая мембрана низкой механической стойкости (хрупкая).

При втором методе получения графитовых мембран используется смесь порошка кокса и термореактивной смолы, наносящейся на пористую подложку и подвергающейся осаждению в воде и обжигу, в результате чего образуется трехслойная мембрана, состоящая из крупнопористого слоя подложки, среднепористого коксового слоя и мелкопористого селективного слоя из коксосмолы.

Пористая подложка может быть как графитовой, так и керамической и в этом случае мембрана композиционная.