3.2. Классификация мембран

Мембраны можно классифицировать по любому из их признаков. Например, по области применения – мембраны для микрофильтрации, для утрафильтрации, для нанофильтрации или для обратного осмоса. По пористости – мембраны пористые или непористые. По структуре – изотропные, анизотропные или композитные. По форме – плоские, трубчатые, волоконные. По агрегатному состоянию – мембраны твердые или жидкие. По способу изготовления – плетенные, спеченные или формованные. По типу мембранного элемента, в котором они используются, и т.д.

Одной из наиболее важных и определяющих характеристик является материал мембраны. Во многом именно выбор материала задает способ производства мембраны, ее возможные структуру и свойства, область приложения и конструкцию аппарата. В качестве материалов для изготовления мембран применяются как неорганические материалы – металлические шарики и проволока, керамика и металлокерамика, стекло- и графитопласты, так и широкий спектр органических материалов, главным образом полимеров – таких, как ацетаты целлюлозы, ароматические полиамиды, полисульфонамид, полиэтилен, полипропилен и фторопласты и др.

Зачастую само появление или становление тех или иных разделов мембранных технологий водоподготовки было связано с открытием и введением в практическое использование новых мембранных материалов. Например, промышленное становление технологии обратного осмоса есть во многом результат создания полиамидных мембран.

Поэтому ниже мы рассмотрим различные типы мембран подробнее, исходя именно из их классификации по исходному материалу.

3.3. Неорганические мембраны

Отличительными свойствами неорганических мембран являются их высокая механическая прочность, термическая, биологическая и химическая устойчивость.

Основными методами производства неорганических мембран являются:

плетение сеток из микропроволоки;

спекание порошков или волокон;

нанесение разделительного слоя на пористую подложку.

3.3.1. Металлические мембраны

Для изготовления пористых мембран используют металлические микропорошки и проволоку [ 105–110]. Из проволоки изготовляются сетки саржевого плетения. Керамические и металлокерамические шарики спекаются в листовые заготовки. Применяемые материалы химически и термически стойки. Размер пор таких мембран составляет 1–100 мкм, пористость – 20–50 %.

Металлическая мембрана из порошка нержавеющей стали формируется путем его прессования и последующего спекания при температуре ниже точки плавления. Получается плотная структура с пористостью до 40 % и рейтингом фильтрации до 1 мкм (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Металлическая мембрана из прессованного порошка нержавеющей стали

Лучшие характеристики имеет мембрана из спеченных микропористых волокон диаметром от 2 до 40 мкм. На первом этапе волокна наносятся на сетку, затем следует их совместное уплотнение и спекание. Таким образом, мембрана получается двухслойной с анизотропной структурой (рис. 3.5). Пористость достигает 80 % при рейтинге фильтрации до 1 мкм. Разделение происходит в тонком микропористом слое, а относительно крупная сетка является несущей конструкцией. Благодаря этому такие мембраны имеют меньшее сопротивление и, соответственно, большую производительность при одинаковом рейтинге фильтрации.

Из полученных мембран изготавливаются цилиндрические или гофрированные (с целью увеличения поверхности фильтрования) фильтрующие элементы. Как правило, это фильтры-патроны картриджного типа, показанные на рис. 3.6 (подробнее см. раздел 3.5.1).

Рис. 3.5. Металлическая мембрана из спеченных микропористых волокон

Рис. 3. 6 . Фильтрующие элементы на основе металлических мембран

Для очистки воды и водных растворов выпускаются фильтрующие элементы из очищенной коррозионно-стойкой стали; для химически агрессивных сред – из титана и циркония.

В целях более тонкой очистки на поверхность пористой основы наносится тонкий мембранный слой из коррозионно-стойких стали, титана, циркония, серебра, тантала, оксидов титана и циркония, нитрида титана или другой металлокерамики.

Производимые фильтрующие элементы из пористой коррозионно-стойкой стали имеют, как правило, следующие параметры:

Размер пор – 40, 20, 10, 5, 1, 0,5 мкм.

Общая пористость – до 40–50 %.

Рабочий перепад давления на ЭФП – до 1 МПа (10 атм).

Производительность 1 м 2 поверхности ЭФП: для воды – до 10 м 3 /ч;

Давление в 25 МПа (250 атм) не изменяет поровую структуру пористого металла и эксплуатационные характеристики ЭФП.

Допускается температура рабочей среды до 600 ° С. Уплотнители из силиконовой резины выдерживают температуру рабочей среды (водяного пара) – до 141 ° С.

рН рабочих сред для ЭФП из коррозионно-стойкой стали – от 4 до 8, для ЭФП из титана или циркония – от 2 до 13.

Основным преимуществом металлических мембран является однородность структуры и, как следствие, размеров пор. Эти мембраны не разрушаются бактериями, химически стойки в различных средах и могут подвергаться термической, химической и радиационной обработке. Они могут очищаются обратным током воды, прокаливанием, либо обработкой химическими реагентами. Такие мембраны и картриджи выпускают в России НПП «Экспресс-Эко» и НПП «Технофильтр» [102, 105].