Мембраны для баромембранных процессов

Мембраны по своей структуре подразделяются на монолитные (сплошные), пористые, асимметричные (двухслойные), составные (композиционные), диффузионные, а также ионообменные мембраны. Пористые мембраны применяются в процессах обратного осмоса, микрофильтрации и ультрафильтрации. Они имеют как изотропную (однородную), так и анизотропную (неоднородную) структуру. Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный тонкопористый слой толщиной 0,25–0,5 мкм (т. н. активный или селективный слой), представляющий собой селективный фильтр. Крупнопористый слой толщиной около 100–200 мкм, находящийся под активным слоем, служит подложкой, повышающей механическую прочность мембраны. Мембраны с анизотропной структурой характеризуются высокой удельной производительностью, отсутствием закупорки пор в процессе их эксплуатации. Срок службы этих мембран определяется химической устойчивостью материала мембраны. В отличие от мембран с анизотропной структурой, для мембран с изотропной структурой характерно быстрое снижение проницаемости вследствие закупорки пор коллоидными или взвешенными частицами в составе разделяемых водных растворов.

Диффузионные мембраны по структуре являются не пористыми. Они представляют собой квазигомогенные гели, через которые растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентраций (молекулярная диффузия). Скорость прохождения молекул через диффундирующую мембрану прямо пропорциональна коэффициенту диффузии, который определяется размерами молекул и их формой. Скорость зависит и от энергии активации при взаимодействии переносимых частиц, молекул и заряженных ионов с материалом мембраны, а также от подвижности отдельных составляющих мембранной матрицы и от свойств диффундирующих компонентов раствора. При этом скорость диффузии тем выше, чем слабее связаны между собой отдельные составляющие полимерного материала в гелевом слое, т. е. чем сильнее набухает в воде материал мембраны. Поэтому диффузионные мембраны наиболее эффективны для разделения компонентов, имеющих практически одинаковые свойства, но различающихся размерами и формой молекул. Диффузионные мембраны имеют большое гидродинамическое сопротивление, поэтому их применяют для разделения газов и жидких смесей методом испарения через мембрану в виде ультратонких пленок толщиной 0,02–0,04 мкм, закрепленных на пористых подложках. Процесс используют для разделения азеотропных смесей, водных растворов карбоновых кислот, кетонов и аминов, для смещения равновесия в химических реакциях за счет удаления одного из продуктов из системы (например, воды при этерификации), очистки сточных вод и др.

В зависимости от типа баромембранных процессов применяются как пористые, так и диффузионные мембраны, которые изготавливаются листовыми, трубчатыми либо в виде полых волокон внутренним диаметром 20–100 мкм при толщине стенки 10–50 мкм. Мембраны также изготавливаются на пористых носителях (подложка) различной конфигурации (так называемые композитные, или комбинированные мембраны).

При изготовлении мембран применяют различные материалы: керамику, полимерные пленки, стекло, металлическую фольгу и др. В зависимости от механической прочности используемых материалов, мембраны подразделяют на уплотняющиеся (полимерные) и с жесткой структурой (керамика).

Селективность и проницаемость мембран определяются рабочей температурой, давлением, рН, концентрацией растворенных в воде солей. С повышением температуры вследствие снижения вязкости раствора проницаемость мембраны возрастает, а селективность изменяется в зависимости от природы растворенных компонентов: соответственно увеличивается или уменьшается при разделении водных растворов неполярных и полярных соединений. Помимо этого, при высокой температуре происходит постепенное уплотнение (усадка) мембран, что снижает их ресурс. С повышением давления проницаемость (удельная производительность) мембраны проходит через максимум, а селективность, как правило, возрастает. Под действием рабочего давления мембраны также уплотняются, что способствует уменьшению проницаемости, но практически не вызывает изменения селективности разделения. Скорость уплотнения мембраны несколько снижается, если процесс осуществляется при небольших температуре и давлении или при использовании композитных мембран.

Мембраны, используемые в баромембранных процессах водоподготовки должны удовлетворять следующим техническим требованиям:

– иметь анизотропное строение и тонкое распределение пор по размерам;

– высокую проницаемость (удельную производительность) и механическую прочность;

– химическую стойкость к воздействию среды, регенерирующим и стерилизующим реагентам;

– стабильность рабочих характеристик во времени;

– отсутствие выноса материала мембраны в фильтрат;

– низкую стоимость.

В процессе эксплуатации поверхность мембран загрязняется, что приводит к резкому ухудшению показателей баромембранных процессов. Для снижения степени загрязнения мембран применяются специальные методы очистки, которые подразделяются на механические, гидромеханические, физические и химические. Механические методы заключаются в обработке поверхности перегородок эластичной губкой с применением моющих средств, полиуретановыми гранулами и др. Гидродинамическая очистка заключается в воздействии на загрязненную поверхность мембраны пульсаций промывной жидкости (обычно воды), турбулизацией потока, промывкой газожидкостной эмульсией (смесью воды и воздуха), обратной продувки мембраны сжатым воздухом, резким снижением (пульсацией) давления в системе (загрязнения отслаиваются от перегородки и вымываются потоком воды). К физическим методам относятся воздействие на перегородки электрическими, магнитными и ультразвуковыми полями. Химическая очистка заключается в промывке рабочей поверхности мембран разбавленными растворами кислот или щелочей, раствором йода и др.

Список литературы:

1)http://www.o8ode.ru/article/dwater/membran/Baromembrane_processes