19.2. Типы мембран. Модели мембранного разделения

Мембраны, применяющиеся в промышленности, должны удовлетворять следующим основным требованиям: обладать высокими селективностью и проницаемостью, химической стойкостью, долговечностью, а также быть недорогими. Все мембраны можно разделить на пористые и непористые, называемые еще жидкими или диффузионными. В зависимости от материала и способа изготовления пористые мембраны в свою очередь подразделяются на различные типы. Классификация мембран представлена на схеме.

Полимерные мембраны, изготавливаемые из полимерных материалов вымыванием предварительно введенных добавок или бомбардировкой – частицами с последующим травлением химическими реагентами, обладают узким распределением размеров пор.

Металлические мембраны получают выщелачиванием одного из компонентов сплава. Их достоинства заключаются в механической прочности, однородности структуры.

Керамические мембраны относятся к композитным материалам и изготавливаются двух- или трехслойными. На подложку с более крупными порами наносится тонкий мембранообразующий слой. Их основным преимуществом является химическая стойкость, что позволяет использовать для разделения агрессивных сред.

Мембраны из микропористого стекла получают путем кислотной обработки, при которой из стекломассы удаляются отдельные составляющие. Они также обладают химической стойкостью и жесткой структурой.

Нанесенные мембраны в зависимости от способа получения подразделяют на пропитанные и напыленные. Пропитанные мембраны изготавливают из пористого материала, например, металлокерамики, пропитывая его вначале раствором одной соли, а затем другой, образующей с первой нерастворимый осадок, уменьшающий размер пор до нужного. Напыленные мембраны получают напылением на пористую подложку тонкого слоя хорошо сцепляющегося с ней материала, обычно, полимерного, что позволяет регулировать размер пор.

Динамические мембраны получаются при фильтровании растворов, содержащих коллоидные частицы, через пористые подложки. Осадок коллоидных частиц составляет мембранный слой. Преимуществами таких мембран являются высокая проницаемость, долговечность, простота очистки (нужно просто смыть мембранный слой растворителем, подавая его под давлением с противоположной стороны мембраны, а затем при возобновлении процесса мембрана самовосстановится).

Непористые (диффузионные, жидкие) мембраны представляют собой, тонкие пленки жидкости, как правило, квазигомогенные гели, обуславливающие разделение веществ за счет различия их коэффициентов диффузии в мембране.

Единой теории, позволяющей объяснить и получить математическое описание мембранного разделения для всех типов мембран и методов мембранного разделения, не существует. Можно выделить несколько концептуальных моделей, каждая из которых обладает ограниченной применимостью.

Модель просеивания предполагает, что через поры проходят частицы малых размеров, а большие задерживаются. Она применима для процессов ультрафильтрации и микрофильтрации, осуществляемых через пористые мембраны, но не пригодна для обратного осмоса и диффузионно-мембранного разделения.

Диффузионная модель, основанная на различии диффузионных потоков различных компонентов, применима для диффузионно-мембранного разделения через жидкие, а также пористые мембраны.

В соответствии с моделью отрицательной адсорбции на поверхности мембраны адсорбируются только молекулы растворителя, поэтому они и проходят сквозь мембрану. Данная модель применима, в основном, для обратного осмоса.