1.2 Мембрани, що використовують в процесах зворотного осмосу і ультрафільтрації

Мембрана – напівпроникна перегородка, що пропускає певні компоненти рідких або газових сумішей. Мембрани повинні задовольняти наступним основним вимогам:

– володіти високою розподільчою властивістю (селективністю);

– високою питомою продуктивністю (проникністю);

– хімічною стійкістю до дії середовища системи, що розділяється;

– механічною міцністю, достатньою для їх збереження при монтажі транспортуванні та зберіганні.

Окрім того, властивості мембрани в процесі експлуатації не повинні суттєво змінюватися.

Для виготовлення мембран використовують різні полімери (ацетати, целюлози, поліаміди, полісульфон та інші), кераміку, скло, металічну фольгу та ін. В залежності від механічної міцності матеріалів, що використовуються, мембрани підрозділяються на мембрани, що ущільнюються (полімери), та із жорсткою структурою, а також на пористі та непористі (дифузійні).

В процесах зворотного осмосу та ультрафільтрації широко застосовуються пористі мембрани, які мають анізотропну та ізотропну структури. Мембрани з анізотропною структурою мають поверхневий тонкопористий шар товщиною 0,25 – 0,5 мкм (активний, або селективний), який представляє собою селективний бар’єр. Компоненти суміші розділяються саме цим шаром, розташованим з боку суміші, що розділяється. Пористий шар товщиною приблизно 100 – 200 мкм, який знаходиться під активним шаром, є підкладкою, яка підвищує механічну міцність мембрани. Мембрани з анізотропною структурою характеризується високою питомою продуктивністю, більш повільним закупорюванням пор в процесі їх експлуатації. Термін придатності цих мембран визначається головним чином хімічною стійкістю матеріалу мембран у середовищах, що перероблюються. На рис. 1 показана схема синтетичної зворотно-осмотичної мембрани.

Рисунок 1 – Схема зворотно-осмотичної синтетичної мембрани

В лабораторній роботі використовуються мембрани, що ущільнюються, плівкові (полімерні) типу МГА (для зворотного осмосу) та УАМ (для ультрафільтрації). До мембран, що ущільнюється, відносяться мембрани, які під дією тиску або яких-небудь інших факторів ущільнюються. Ці мембрани відрізняються еластичністю, що спрощує їх герметизацією в апаратах. Найбільше використання отримали полімерні мембрани з ліофільних матеріалів, які володіють високою питомою продуктивністю.

Плівкові (листові) напівпроникні мембрани отримують сухим (спонтанним) методом, при якому полімер ефір целюлози або суміш ефірів розчиняють в розчинниках типу ацетону і до цього розчину добавляють відповідні пороутворюючі агенти (етанол, бутанол, воду, гліцерин та ін.). Перевага мембран, отриманих цим методом, – можливість їх зберігання та транспортування в сухому вигляді. Пористість мембран регулюється шляхом зміни концентрацій і умови випаровування розчинів (температура), а також вводом солі та інших речовин, які розчинні у воді.

1.3 Фізико-хімічні основи мембранних методів

На процеси мембранного розділення впливають три основних фактори та їх взаємодія:

– структура мембрани по товщині (пориста, непориста, ізотропна);

– фізико-хімічні властивості системи, що розділяються (для розчинів дуже важливо враховувати їх основні термодинамічні властивості);

– взаємодія суміші, що розділяються, з матеріалом мембрани.

На перенос речовин, що розділяються, через мембрану дуже впливають структурні властивості розчинників і взаємодія їх з мембраною. Вода вміщує зв’язані водневим зв’язком молекулярні групи, які складаються приблизно з сотні молекул кожна. Стійкість таких молекулярних груп залежить не тільки від температури, але й від природи розчинених в ній речовин, від фізико-хімічних властивостей мембран. В гідрофільних ацетат целюлозних мембранах значна частина води знаходиться в зв’язаному стані і не замерзає при охолодженні до температури t = – 80ºС. Рухливість цієї води обмежена, чим пояснюється особливість поведінки води, що знаходиться в сольватній оболонці молекул полімеру, який утворює пори мембрани: капілярна вода легше видаляється з мембрани, чим зв’язана. Зв’язана вода не може сольватувати іони розчинених солей, а капілярна – в змозі сольватувати ці іони та нести їх через мембрану, що пояснює селективність мембрани. Підвищуючи гідрофільність мембран, з урахуванням особливої ролі води як розчинника, можна збільшити селективність та проникність мембран шляхом збільшення гідрофільних чи зниження кількості гідрофобних груп в макромолекулах полімеру, з якого отримують мембрану.