Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
пределение, или блочные, или привитые структуры. Также возможно смешение двух различных (гомо- или со-) полимеров друг с другом на молекулярном уровне, хотя известно не так много полностью совместимых систем. Как будет обсуждено в гл. III, два компонента могут смешиваться, если это приводит к уменьшению свободной энергии системы. В случае двух полимеров энтропия смешения очень мала и, следовательно, для обеспечения их совместимости необходима отрицательная (экзотермическая) теплота смешения. Специфические взаимодействия, такие, как водородные связи, тоже часто необходимы. Если два полимера смешиваются на молекулярном уровне, материал называется гомогенной смесью, напротив, когда один полимер диспергирован в другом, образуется гетерогенная смесь. В этих последних системах полимеры фактически несовместимы.
Свойства гомогенных смесей существенно отличаются от свойств гетерогенных смесей. Свойства индивидуальных полимеров в гомогенных смесях пропадают, и часто смеси обнаруживают свойства, промежуточные между свойствами образующих смесь полимеров. Например, такие смеси имеют одну температуру стеклования, и это показывает, что смесь гомогенна. У гетерогенной смеси наблюдаются свойства обоих полимеров, и, например, можно наблюдать две температуры стеклования. На рис. II-20 схематически показаны результаты исследования смесей методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК): для гетерогенной смеси обнаруживаются две температуры стеклования, а для гомогенной смеси — одна.
В гл. III будет обсуждаться приготовление мембран с помощью метода инверсии фаз в трехкомпонентной системе, содержащей раство-
Таблица II-8. Температуры стеклования некоторых гомополимеров и их смесей с поливинилпирролидоном (содержание ПВП 25%) [12]
Полимер Тст,°С Смесь Тст,0 С
ПЭИ (полиэфиримид) 217 ПЭИ/ПВП 215
ПЭС (полиэфирсульфон) 225 ПЭС/ПВП 201
ПИ (полиимид) 321 ПИ/ПВП 317
ПВП (М 360000) 177
ритель, нерастворитель и полимер. На практике при приготовлении мембран применяют ряд добавок как высокой, так и низкой молекулярной массы. Эти добавки используются для придания мембране желательных свойств: морфологиии, рабочих показателей. Очень часто применяются высокомолекулярные добавки, такие, как поли-вини лпирролидон. Этот полимер водорастворим и совместим с большим числом мембранообразующих полимеров, таких, как полиэфир-имиды, полиэфирсульфоны и полиимиды. В табл. II-8 представлены температуры стеклования этих полимеров и их смесей с поливинил-пирролидоном. Кроме полимеров, представленых здесь, существуют и другие полимеры, совместимые друг с другом [8].
11.13. Мембранные полимеры
Уже упоминалось довольно большое число полимеров, и описаны их структурные параметры, определяющие физическое состояние полимера. В принципе очень многие полимеры могут быть использованы как барьерные или мембранные материалы, но их химические и физические свойства сильно различаются, и лишь ограниченное число полимеров может быть использовано на практике. В этой книге за пределами рассмотрения осталось детальное описание свойств разнообразных полимеров (читатель может найти ряд хороших учебников в этой области); только некоторые важные полимеры или классы полимеров будут обсуждаться их применения в качестве мембран.
Ниже мембраны будут рассматриваться в соответствии с классификацией по двум типам: мембраны с открытой пористостью, которые применяются в микрофильтрации и ультрафильтрации, и плотные непористые мембраны, применяемые в газоразделении и первапора-ции. Причиной для использования такой классификации являются
различные требования, предъявляемые к полимерным материалам как к мембранным. Для пористых микрофильтрационных и ультра-фильтрационных мембран выбор материала не определяет напрямую характеристки разделения, потому что главным фактором для частиц молекулярного размера является размер пор или распределение пор по размерам. Важными факторами при выборе материала являются требования процессов производства мембраны и химическая или термическая устойчивость мембраны. Для второй группы полимеров, которая используется для газоразделения и первапора-ции, выбор материала напрямую определяет транспортные характеристики мембраны (селективность и проницаемость).
11.13.1. Пористые мембраны
Схематическое представление пористых мембран дано на рис. 1-4. Из рисунка ясно, что эти мембраны содержат фиксированные поры, с размером 0,1-10 мкм для микрофильтрации или 2-100 нм для ультрафильтрации. Селективность в основном определяется размером этих пор, тогда как материал играет роль в таких явлениях, как адсорбция и возможные химические превращения в условиях реального применения и очистки мембран. Это означает, что требования к полимерным материалам определяются в первую очередь не только проницаемостью и селективностью, но также и химическими и термическими свойствами материала. Главной проблемой в ультрафильтрации и микрофильтрации является уменьшение потока из-за концентрационной поляризации и загрязнения мембран (см. гл. VII). Следовательно, выбор материала в первую очередь основан на возможности предотвращения загрязнения и очистки мембраны после отложения на ней осадков. В случае применения мембран для разделения неводных смесей и работы при высоких температурах наиболее важным фактором является химическая и термическая устойчивость полимерного материала.
