Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
понентами от клеток крови. Этот метод и в дальнейшем, по всей видимости, будет весьма перспективным. Вот перечень разнообразных применений микрофильтрации [2]:
- холодная стерилизация напитков и лекарственных веществ;
- концентрирование клеток;
- осветление фруктовых соков, вин и пива;
- получение ультрачистой воды в полупроводниковой промышленности;
- извлечение металлов в виде коллоидных оксидов и гидроксидов;
- обработка сточных вод;
- непрерывная ферментация;
- разделение эмульсий масло — вода;
- дегидратация латексов.
VI.3.2.3. Микрофильтрация (параметры и применения)
Мембраны Асимметричные или симметричные,
VI.3.3. Ультрафильтрация
Ультрафильтрация — это мембранный процесс, по своей природе занимающий промежуточное положение между обратным осмосом и микрофильтрацией. Размеры пор ультрафильтрационных мембран
Толщина Размер пор Движущая сила Принцип разделения Мембранные материалы Основные применения
пористые 10-150 мкм 0,05-10 мкм Давление (< 2 бар)
Ситовый механизм Полимерные и керамические В аналитических целях Стерилизация (пища, лекарственные препараты)
Ультрачистая вода для полупроводников Осветление напитков Концентрирование клеток и мембранные биореакторы (биотехнология)
Плазмофорез (медицина)
Рис. VI-7. Сечение ультрафильтрационной полисульфоновой мембраны. Фотография получена на сканирующем электронном микроскопе с увеличением 10 ООО.
варьируют от 0,05 мкм (граница минимальных размеров пор в микрофильтрационных мембранах) до 1 нм (граница пор максимального размера в обратноосмотических мембранах). Типичное применение ультрафильтрации — отделение макромолекулярных компонетов от раствора, причем нижний предел отделяемых растворенных веществ соответствует молекулярным массам в несколько тысяч. Для отделения растворенных веществ с молекулярными массами от нескольких сот до нескольких тысяч используется процесс, промежуточный между ультрафильтрацией и обратным осмосом, который называют нанофильтрацией. Как микрофильтрационные, так и ультрафильтра-ционные мембраны относятся к пористым мембранам, и в них задержка частиц определяется главным образом их размером и формой в соответствии с размерами пор мембраны, а транспорт растворителя прямо пропорционален приложенному давлению. Такой конвективный поток через пористую мембрану описывается, например, уравнением Козени — Кармана (VI-16). Действительно, при микрофильтрации и ультрафильтрации имеют место одинаковые мембранные явления и используется один и тот же принцип разделения. Однако имеется и существенное различие между ними, заключающееся в том, что ультрафильтрационные мембраны имеют асимметричное
строение, а гидродинамическое сопротивление в основном определяется малой долей общей толщины мембраны, в то время как при микрофильтрации, по-видимому, полная толщина мембраны дает вклад в гидродинамическое сопротивление. Толщина верхнего слоя ультра-фильтрационной мембраны обычно не превышает 1 мкм. В качестве примера на рис. VI-7 приведена электронно-микроскопическая фотография полисульфоновой мембраны.
Поток через ультрафильтрационную мембрану, аналогично ми-крофильтрационным мембранам, прямо пропорционален приложенному давлению:
J = КАР (VI-18)
Константа проницаемости включает в себя все виды структурных факторов. У ультрафильтрационных мембран величина константы К намного меньше, чем у микрофильтрационных: порядка 0,1 м3/м2 сут бар для плотных мембран и примерно 10 м3/м2 сут бар
для более открытых мембран.
VI. 3.3.1. Мембраны для ультра фильтрации
Большинство промышленно производимых ультрафильтрационных мембран в настоящее время изготавливается из полимерных материалов методом инверсии фаз. Ниже представлены некоторые из этих материалов:
- полисульфон/полиэфирсульфон/сульфированный полисуль-фон;
- поивинилиденфторид;
- полиакрилонитрил (и соответствующие блок-сополимеры);
- производные целлюлозы (например, ацетат целюлозы);
- полиимид/поли(эфирмид);
- алифатические полиамиды.
Кроме указанных полимерных материалов в качестве ультрафильтрационных мембран использовались неорганические (керамические) материалы. На рис. VI-8 представлена мембрана из AI2O3, полученная методом золь-гель-перехода.
Метод спекания неорганических материалов нельзя использовать для приготовления ультрафильтрационных мембран, так как нижний предел пор в мембранах, полученных этим методом, равен 0,1 мкм. Подобные пористые структуры, получаемые термическим методом, можно использовать в качестве подложки для композиционных ультрафильтрационных мембран, что встречается на практике довольно часто. С другой стороны, сами ультрафильтрационные мембраны ча-
Рис. VI-8. Фотография неорганической мембраны АЬОз (сканирующий электронный микроскоп).
сто служат в качестве подложек в композиционных мембранах для обратного осмоса, газоразделения и первапорации.
Ультрафильтрация обычно применяется для фракционирования макромолекул, причем большие молекулы задерживаются мембраной, тогда как небольшие молекулы (как и молекулы растворителя) должны свободно проникать через мембрану. Чтобы правильно подобрать мембрану, производители пользуются концепцией молекулярной массы отсечения или просто «отсечения» пропускания (см. гл. IV). Однако нужно понимать, что не только молекулярная масса определяет селективность ультрафильтрационной мембраны. Большое влияние на наблюдаемое отсечение (или в общем случае на характеристики разделения) оказывает явление концентрационной поляризации. Например, мембрана с отсечением 40 000 всегда полностью проницаема для цитохрома с (М 14400). Однако в смеси цитохрома с и бычьего сывороточного альбумина (М 67 000) задерживается как альбумин, так и значительная доля цитохрома с. Причина этого заключается в концентрационной поляризации. Мембрана непроницаема для молекул альбумина, которые образуют на поверхности мембраны дополнительный слой, действующий как динамическая мембрана, способная задерживать молекулы цитохрома с. Кроме того, различные типы растворенного вещества, например, глобулярные
