5.3. Основные типы мембранной фильтрации
Как обсуждалось выше, процессы мембранной фильтрации могут быть разделены на три основных типа -- микрофильтрация, ультрафильтрация и диализ и обратный осмос. В основу такого разделения положены размеры отделяемых от жидкости элементов — частиц, включая микроорганизмы и вирусы, макромолекул и молекул низкомолекулярных веществ и небольших ионов.
Микрофильтрация имеет дело с отделением от фильтруемой жидкости твердых частиц с размерами 10-1 — 10 мкм. Тот факт, что в этот диапазон размеров попадает большая часть бактерий, делает процессы микрофильтрации незаменимыми в медицине, биологии, микробиологии и многих других областях. Можно привести только несколько примеров использования микрофильтрации в медицине и биологии — получение стерильной воды и физиологических растворов, фильтрация сыворотки крови и питательных сред для культуры тканей, фильтрация при производстве лекарственных препаратов, получение стерильных растворов термолабильных материалов.
Этих примеров достаточно для понимания важности данного типа мембранной фильтрации.
Микрофильтрация по своему механизму близка к обычной фильтрации. Главное отличие связано с возможностью сорбции фильтруемых частиц как на наружной поверхности мембраны, так и на внутренней поверхности ее пор. Как уже отмечалось, это связано с увеличением роли поверхности в поведении частиц при уменьшении их размеров. Такая сорбция может реализоваться за счет ионных и гидрофобных взаимодействий, водородных связей и других слабых нековалентных сил. Поэтому очень важно знать заряд поверхности мембраны и располагать возможностями его контролировать.
Особое значение вопросы сорбции приобретают при использовании мембранных фильтров для микрофильтрации в процессах выделения вирусов. Частицы вирусов значительно меньше бактерий и соизмеримы с размерами пор фильтров для ультрафильтрации. Однако поскольку длина поры составляет примерно 500 диаметров частицы вируса, последний может сорбироваться на стенках поры. Поверхность частицы вируса обычно имеет отрицательный заряд. Если стенки пор мембраны тоже заряжены отрицательно, вероятность сорбции вирусов невелика, и большая их часть проходит через поры микромембранных фильтров. Если же перезарядить поверхность пор мембраны, создав на них положительный заряд, большая часть вирусных частиц на них сорбируется за счет сил электростатического взаимодействия. При изменении заряда мембраны удается провести десорбцию вирусов. Таким образом, в этом случае мембрана выступает в роли ионообменника.
В других процессах мембранной фильтрации — ультра-фильтрации, диализе и обратном осмосе — главным фактором, определяющим протекание процесса, становится в большей степени не механический и гидродинамический (как в обычной и в микрофильтрации), а в большей степени диффузионный. При этом, чем меньше размер пор и фильтруемых частиц, тем больше возрастает роль данного фактора.
Ультрафильтрация представляет собой процесс мембран-ного разделения, при котором макромолекулы отфильтровываются от раствора, содержащего низкомолекулярные соединения. То есть, в отличие от обычной и микрофильтрации, это процесс молекулярного разделения.
Диализ представляет собой процесс, при котором вещества, находящиеся в растворе, разделяются благодаря разным скоростям их диффузии через мембрану.
Осмос также представляет собой процесс молекулярной диффузии, но в этом случае происходит перенос растворителя, а не растворенного вещества. Такой перенос в ячейке для осмоса происходит до тех пор, пока давление столба жидкости (осмотическое давление) не компенсирует разницу химических потенциалов системы по разные стороны полупроницаемой перегородки. Если к более концентрированному раствору приложить давление, превышающее осмотическое, то процесс пойдет в обратном направлении, против градиента концентрации (рис. 19). Такой процесс называется обратным осмосом.
Рис. 19. Схематическое изображение процессов осмоса (а)
и обратного осмоса (б).
Используется обратный осмос главным образом для того, чтобы понизить концентрацию растворенных веществ в жидкости.