Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
VLS.J^A. Мембраны для обратного осмоса
Величина потока через мембрану является столь же важной характеристикой, как селективность по отношению к различным типам растворенного вещества. Если выбор материала для мембраны основывался на характеристических разделительных свойствах, поток через приготовленную из этого материала мембрану можно улучшать за счет уменьшения толщины мембраны. Поток приблизительно обратно пропорционален толщине мембраны, поэтому большинство мембран обратного осмоса выполняются как асимметричные с плотным верхним слоем (толщиной до 1 мкм) и нижележащей пористой подложкой (толщиной 50-150 мкм). Сопротивление транспорту в такой мембране определяется в основном плотным верхним слоем. Различают два типа мембран с асимметричной структурой: 1) интегральные или асимметричные мембраны и 2) композиционные мембраны.
В асимметричных мембранах как верхний слой, так и подложка состоят из одного и того же материала. Такие мембраны получают по методу инверсии фаз. В связи с этим важно, чтобы поли-
мерный материал, из которого получают мембрану, был бы растворим в каком-либо растворителе или смеси растворителей. Так как большинство полимеров растворимы в одном или нескольких растворителях, можно изготавливать асимметричные мембраны почти из любого материала. Однако это, конечно, не означает, что все такие мембраны окажутся пригодными для обратного осмоса, поскольку константы материала А и В должны иметь оптимальные для заданного применения значения. Так, при использовании обратного осмоса для водных систем, например, при обессоливании морской воды или загрязненных вод, нужно использовать гидрофильные материалы (высокие значения А) с низкой проницаемостью для растворенных компонентов.
Важным классом асимметричных мембран для обратного осмоса, получаемых методом инверсии фаз, являются эфиры целлюлозы, в частности, диацетат целлюлозы и триацетат целлюлозы. Эти материалы чрезвычайно подходят для обессоливания, поскольку они высокопроницаемы для воды в сочетании с весьма низкой проницаемостью для солей. При том, что свойства мембран, приготовленных из этих материалов, достаточно хороши, их стабильность по отношению к химическим реагентам, температуре и бактериям очень низка. Во избежание гидролиза полимера такие мембраны, как правило, можно использовать в узком интервале условий: при pH 5-7 и температуре ниже 30°С. Степень гидролиза уменьшается при увеличении степени ацетилирования, по этой причине диацетат целлюлозы менее устойчив, чем триацетат. Некоторые трудности создает биодеградация эфиров целлюлозы, а другим ограничением для ацетатов целлюлозы является их достаточно плохая селективность по отношению к органическим молекулам, кроме углеводов, таких, как глюкоза или сахароза.
Среди других материалов, которые часто использовались для обратного осмоса, выделяются ароматические полиамиды. Эти материалы также обладают высокой селективностью по отношению к солям, но поток воды через них немного ниже. Полиамиды могут использоваться в более широком интервале pH, приблизительно 5-9. Главным недостатком полиамидов (или полимеров с амидной группой вообще ) является их чувствительность к свободному хлору (СЬ), который вызывает разрушение амидной группы. Полые волокна в форме как асимметричной, так и симметричной мембраны были получены из этих полимеров методом вытяжки из расплава или ’’сухой” вытяжки. Размеры этих полых волокон следующие: внешний диаметр
< 100 мкм, а толщина стенки приблизительно 20 мкм. Столь толстые стенки мембран приводят к резкому снижению скорости массопере-носа. Однако этот эффект компенсируется чрезвычайно высокой поверхностью мембраны в расчете на единицу объема: удельная поверхность достигает З0 000м2/м3 (см. также гл. VIII).
Таблица VI-6. Примеры мономеров, способных к межфазной полимеризации
Третий класс применяемых мембранных материалов включает по-либензимидазолы, полибензимидазолоны, полиамидогидразиды и по-лиимиды. Химическая структура этих материалов приведена в гл. II.
Композиционные мембраны составляют второй тип структур, часто используемых для обратного осмоса. В таких мембранах верхний рабочий слой и расположенная под ним подложка состоят из разных полимерных материалов, что позволяет оптимизировать каждый слой по отдельности. Первой стадией получения композиционной мембраны является приготовление пористой подложки. Важными характеристиками подложки являются ее поверхностная пористость и распределение пор по размерам. В качестве подложки часто используют ультрафильтрационные мембраны. Существуют различные методы нанесения тонкого плотного слоя поверх подложки:
- нанесение при погружении;
- полимеризация in situ на поверхности мембраны;
- межфазная полимеризация;
- плазменная полимеризация.
Эти разнообразные методики обсуждены в гл. III. Поскольку мембраны для обратного осмоса можно расссматривать как промежуточные между пористыми ультрафильтрационными и плотными первапорационно-газоразделительными мембранами, не нужно, чтобы их структура была такой же плотной, как у последнего типа мембран. Большинство композиционных мембран для обратного осмоса получают методом межфазной полимеризации (см. разд. III-6). В этом случае два высокореакционноспособных бифункциональных мономера (например, диацилхлорид и диамин) взаимодействуют на границе раздела фаз вода — органический растворитель. Примеры мономеров, использующихся для межфазной полимеризации, приведены в табл. VI-6 (см. также табл. III-1)*.
