Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Глава 111
Получение синтетических мембран
III. 1. Введение
В гл. II было показано, что множество материалов может быть использовано для получения мембран. Существует ряд методик, которые позволяют приготовить мембрану из данного материала. Вид применяемой методики в основном зависит от используемого материала и от желаемой структуры мембраны (которая в свою очередь зависит от задачи разделения). Может быть выделено три типа мембран, различающихся структурой и принципами разделения:
- пористые мембраны (микрофильтрация, ультрафильтрация),
- непористые мембраны (газоразделение, первапорация),
- жидкие мембраны (транспорт с переносчиком).
Схема этих типов мембран дана на рис. Ill-1. Хотя данное деление весьма приблизительно, оно очень информативно, поскольку поясняет различие в структуре (морфологии), транспорте и применении.
Это деление использовано в данной книге, однако упор сделан в основном на пористые и непористые мембраны. Жидкие мембраны
Переносчик
Полимер
Жидкость
Пористая мембрана (микрофильтрация, ультрафильтрация )
Непористая мембрана (газоразделение, первапорация)
Жидкая мембрана (транспорт с переносчиком)
будут описаны только в гл. VI. Таким образом, ключевые моменты (формование мембран, транспорт через мембрану и характеристика мембраны) будут обсуждаться по отношению к первым двум типам мембран.
Поскольку данное выше определение является грубым и несколько условным, не все известные мембраны и мембранные структуры будут охвачены. Этот подход использован ради простоты, поскольку в нем могут быть более полно поняты основные принципы. От одного типа мембран к другому нет резкого перехода. Мембраны для обратного осмоса, например, могут считаться переходными между пористыми и непористыми мембранами.
Для пористых мембран размер пор в основном определяет характеристики разделения, причем для мембранного материала основную роль играет химическая, термическая и механическая устойчивость, а не поток (проницаемость) и селективность. С другой стороны, для непористых мембран характерные свойства материала более важны для разделения. Ниже даны некоторые характеристики трех основных типов мембран:
1) Пористые мембраны
Мембраны этого класса производят разделение по размеру частиц. Такие мембраны используют для микрофильтрации и ультрафильтрации. Высокая селективность может быть достигнута, когда размер растворенного (диспергированного) вещества больше, чем размер пор в мембране. Селективность в основном определяется соотношением размера пор и размера разделяемых частиц, причем материал мембраны очень мало влияет на разделение. В наши дни используются различные типы мембран и применяются различные мембранные материалы, которые описаны в гл. II и VI.
2) Непористые мембраны
Мембраны этого класса способны отделять друг от друга молекулы примерно одинакового размера. Разделение происходит благодаря различию растворимости и/или различию коэффициентов диффузии. Это значит, что специфические свойства полимерного материала определяют уровень селективности и проницаемости. Такие мембраны используются в первапорации и газоразделении.
3) Жидкие мембраны (транспорт с переносчиком)
В мембранах этого класса транспорт ни в коей мере не определяется мембраной (или мембранным материалом), а связан со специфической молекулой-переносчиком. Переносчик содержится в жидкости, которая локализована внутри пор пористой мембраны. Селективность разделения зависит в основном от специфичности молекулы-переносчика. При тщательном выборе переносчика может быть получена очень высокая селективность. Перемещаемый компонент может
быть газообразным или жидким, ионным или неионным. До некоторой степени функции этого типа мембран реализуются в клеточных мембранах.
III.2. Получение синтетических мембран
Для получения мембран могут быть использованы все виды синтетических материалов от неорганических (керамики, стекла или металлы) до органических (все виды полимеров). Основным принципом модифицирования этих материалов является получение требуемой структуры мембраны с морфологией, соответствующей данному процессу разделения. Выбор материала ограничивает методику приготовления, получаемую морфологию мембраны и принцип разделения. Другими словами, не всякая проблема разделения может быть решена с помощью данного типа материала.
Для получения синтетических мембран применяется ряд различных методов. Некоторые из них могут быть использованы для приготовления как органических (полимерных), так и неорганических мембран. Наиболее важные методы — это спекание, растяжение (вытяжка), травление ядерных треков, выщелачивание из пленки, инверсия фаз и нанесение покрытий.
— Спекание
Этот метод достаточно прост, он позволяет получить пористые мембраны как из органических, так и из неорганических материалов. Метод включает прессование порошка, содержащего частицы данного размера, и нагрев при повышенных температурах. Требуемая температура зависит от используемого материала. В ходе спекания поверхность между контактирующими частицами исчезает. Схематически процедура приготовления мембран этим методом представлена на рис. III-2.
