4.5.6.Нанесенные мембраны

Такие мембраны использовались для изучения мембранных процессов очень давно. Одна из первых мембран - из ферроцианида меди применялась для изучения осмотического давления.

Принцип формирования нанесенных мембран заключается в пропитывании пористой основы раствором одного реагента и в нанесении на поверхность раствора другого реагента. Образующийся на поверхности слой осадка в результате их взаимодействия и является разделительным.

В качестве основ используют обожженную глину, керамику, металлокерамику, пористые металлы. В качестве реагентов чаще всего:

K₄[Fe(CN)₆] + 2СuSО₄Сu₂[Fе(СN)₆]+ 2К₂SО₄(4.17)

3СdСl₂+2Nа₃РО₄Сd₃(РО₄)₂+6NaCl (4.18)

Важными обстоятельствами являются: концентрации реагентов, температура реакции, температура отжига и сушки.

6. Определение структуры и свойств мембран

Разнообразие материалов и методов формирования полупроницаемых мембран, а также возможных сфер их применения требует создания стандартных методик оценки их структуры и технологических свойств. Однако сегодня ситуация такова, что единой и универсальной методики не существует. Это объясняется различным теоретическим подходом к объяснению массопереноса, а также различной интерпретацией результатов измерений.

Характеризуя каждую конкретную мембрану, можно говорить о ее структуре и о технологических параметрах.

Структура мембраны - это макрохарактеристика ее с точки зрения наличия, количества, размера пор. Конкретно структура мембраны оценивается пористостью, размером пор и распределением пор по размерам. К технологическим параметрам относятся удельная производительность, селективность, соответствующие характеристики диффузионных мембран.

4.6.1. Общая пористость

Пористость П- это доля объема твердого тела, не заполненного его материалом.

П = V_c/V = 1- V_t/V (4.19)

Другой признак, по которому твердое тело относится к пористым системам, - это дискретность свободного объема. Иными словами свободный объем разделен на простейшие структурные элементы - поры, отличающиеся размером, формой, характером связи между собой. Чаще поры формируют непрерывную в пределах мембраны открытую пористую структуру, иногда поры изолированы друг от друга.

В реальной мембране поры могут быть сквозными, т.е. пронизывающими всю толщу материала,тупиковыми и полостными.

По генезису все пористые материалы, и мембраны тоже, делятся на системы сложения (корпускулярные структуры) и системы вычитания (губчатые структуры). Образование первых происходит сложением большого числа отдельных элементов структуры (ткани, бумаги, керамика, углерод, металлы). Развитие структур вычитания - результат превращений, пиролитического разложения, выщелачивания и т.п. компонентов твердого тела (пористые стекла, полимерные мембраны, трековые мембраны и др.).

Поры в системах сложения представляют собой промежутки между частицами, соединяющиеся в извилистые пересекающиеся каналы с переменным диаметром. Анизотропия мембран обусловлена только разным размером частиц.

Поры в системах вычитания представляют собой лабиринтную сеть каналов между глобулами, пачками, кристаллитами твердой фазы. Анизотропия мембран обусловлена числом, ориентацией и размером пор.

Рассмотрим способы оценки пористой структуры. Она оценивается рядом параметров, в зависимости от назначения материала: суммарным объемом, общей пористостью, удельной поверхностью, средним или максимальным размером пор и распределением пор по размерам.

Общая пористость выражается в процентах и часто не коррелируется с транспортными свойствами мембран из-за наличия закрытых и тупиковых пор. Поэтому иногда для мембран вводят понятие "эффективная" пористость. Экспериментальное определение эффективной пористости очень затруднено и оценивается косвенными методами. Общая пористость Пможет быть рассчитана, если известен элементный состав мембраны:

maa_п

П = [ 1 - — ( — + … + — ) ] 100% (4.20)

Vρ₁ρ_п

где m- масса образца;V- общий его объем;a– доля составного элемента; ρ – его плотность.

Наиболее простой способ измерения П- это пропитка образца абсолютно смачивающей жидкостью и определение массы до и после пропитки

m_k–m₀

————

m_k–m₀ ρ_ж

П = ———— 100% = ———————— 100% (4.21)

Vρ_жm_k–m₀m₀———— + ——

ρ_ж ρ_т

где ρ_ж- плотность жидкого; ρ_т- плотность твердого состояния образца.

Обычно общая пористость асимметричных полимерных мембран составляет 60-80%, трековых мембран - 2-10%, неорганических мембран - 20-50%.

Общую пористость мембран, находящихся в набухшем состоянии, определяют в обратном порядке, т.е. сначала определяют массу набухшего, а потом высушенного образца.