Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
11.13.2. Непористые мембраны
Непористые мембраны используют для газоразделения и пер-вапорации. Для этих процессов используют или композиционные или асимметричные мембраны, транспортные характеристики (проницаемость и селективность) которых определяются существенными свойствами материала. Выбор материала зависит в большой степени от типа применения, и спектр используемых полимеров может простираться от эластомеров до стеклообразных полимеров. Говоря о применениях, можно выделить две основные группы: 1) жидкостные разделения (первапорация или обратный осмос) и 2) газоразделение. Эта классификация основана на различиях в транспортных свойствах. Степень взаимодействия между полимером и постоянным газом в общем случае очень мала и соответственно растворимость газов в полимере тоже очень низка. С другой стороны, взаимодействие жидкости с полимером в общем случае много сильнее. Высокая растворимость жидкости в полимере оказывает огромное влияние на транспортные параметры системы. Коэффициент диффузии жидкости очень сильно зависит от концентрации диффундирующего вещества в полимере, в то время как коэффициент диффузии в случае транспорта газа может рассматриваться практически как константа. В гл. VI приведены наиболее важные матери аилы, используемые в этих процессах.
11.14. Неорганические мембраны
Неорганические материалы в общем случае проявляют более высокую химическую и термическую стабильность по сравнению с полимерами. Тем не менее они находят ограниченное применение в качестве мембранных материалов, хотя сегодня наблюдается все возрастающий интерес к ним. Единственным их применением в прошлом было использование керамических пористых мембран для обогащения гексафторида урана (235U) с помощью кнудсеновского потока. В наши дни рассматриваются все виды применения в областях микрофильтрации и ультрафильтрации.
Классификация по типу неорганических материалов позволяет выделить три вида часто используемых мембран: керамические, стеклянные и металлические.
Металлические мембраны, в основном получаемые спеканием ме-
таллических порошков (например, вольфрама или молибдена)*, получили в наше время только ограниченное применение.
Керамические материалы мембран представлены соединениями металлов (алюминий, титан, цирконий и т. д.) с неметаллами в виде оксидов, нитридов или карбидов. Керамические мембраны, полученные на основе таких материалов, образуют основной класс неорганических мембран. Как наиболее важные могут быть отмечены оксид алюминия (7-AI2O3) и оксид циркония (Zr02). Эти мембраны обычно готовятся с помощью спекания или золь-гель-процесса.
Стеклянные мембраны (оксид кремния, SiCb) в основном готовятся с помощью методики, включающей травление стекол, полученных путем разделения фаз из растворов. Эти методики кратко описаны в гл. III. Здесь достаточно только отметить термическую, химическую и механическую стабильность неорганических мембран.
II. 14.1. Термическая стабильность
Термически стабильные полимеры обсуждались в предыдущем разделе. Эти полимеры могут применяться в области температур от 100 до 300°С. Область температур применения керамических мембран много выше, и они могут использоваться до 800°С. Возможно их применение для газоразделения при высоких температурах, особенно в сочетании с химическими реакциями, где мембраны используются как катализаторы, или в качестве селективного барьера для удаления одного из образующихся компонентов. Комбинация мембраны с химическими реакциями, т. е. мембранные реакторы, представляется наиболее важным применением в ближайшем будущем.
II. 14.2. Химическая стабильность
Химическая стабильность существующих полимерных мембранных материалов оказывается сравнительно невысокой главным образом
* Здесь следовало бы упомянуть палладиевые мембраны, открытые Грэмом еще в середине прошлого века. Мембраны, изготовленные из фольги палладия и его сплавов, обладают уникальной особенностью: они способны пропускать только водород (Н2), диффузия которого протекает в результате диссоциации на атомы, и полностью задерживать все другие газы. Палладиевые мембраны могут использоваться в виде плоской фольги, трубок и капилляров. Сколько-нибудь широкому практическому использованию палладиевых мембран препятствует высокая стоимость этого металла, а также явления эрозии, которые возникают при длительном контакте металла с водородом при высоких давлениях и повышенной температуре. В то же время наличие каталитических свойств у палладия делает весьма интересным применение палладия в мембранных реакторах. Подробнее см. [11*, 12*]. — Прим. ред.
из-за воздействия pH и органических веществ. Хотя можно ожидать, что в дальнейшем будут получены мембранные материалы на основе более устойчивых органических полимеров, все же несомненно, что химическая стабильность неорганических материалов существенно выше. Они могут применяться при любых pH и в разных растворителях. Таким образом, можно ожидать, что в области ультрафильтрации и микрофильтрации число таких применений будет возрастать, особенно для неводных систем. Другим важным фактором является более легкая очистка неорганических мембран, особенно в таких условиях высокого загрязнения, какие встречаются в ультрафильтрации и микрофильтрации. Загрязнения приводят к сильному уменьшению потока через мембрану и необходимости ее периодической очистки. Для неорганических мембран могут быть использованы все виды моющих агентов, что позволяет применять сильные кислоты и щелочи. Таким образом, неорганические мембраны имеют то важное преимущество, что их время жизни гораздо больше, чем у органических полимерных мембран.
