Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Характеристика Процесс
Микрофильтрация Ультрафильтрация Обратный осмос
Объекты Частицы Макромолекулы Низкомоле
разделения (бактерии, (белки) кулярные
дрожжи) растворенные
вещества ---
соли, сахара
(глюкоза и др.)
Осмотическое Очень низкое Очень низкое Высокое
давление (5-25 бар)
Рабочее
давление < 2 бар 1-10 бар 10-60 бар
Морфология Гомогенные Асимметричные Асимметричные
мембран (часто)
Толщина 10-150 мкм 0,1-1,0 мкм 0,1-1,0 мкм
рабочего слоя
Критерий По размеру По размеру Различия в
разделения частиц частиц коэффициентах
растворимости
и диффузии
мембран варьируют от 10 до 0,05 мкм, что позволяет использовать процесс для отделения частиц суспензий и эмульсий.
Объемный поток через такие микрофильтрационные мембраны подчиняется закону Дарси: поток через мембрану J прямо пропопор-ционален приложенному давлению
J = КАР (VI-18)
где константа проницаемости К зависит от структурных факторов, таких, как пористость и размер пор (распределение пор по размерам). В константу К также входит вязкость проникающей жидкости. Если мембрана состоит из прямых капилляров, можно использовать соотношение Хагена — Пуазейля с К & ег2:
<VM9>
При нодулярной структуре (зернистой, напоминающей ансамбль сферических частиц) мембраны используется уравнение Козени — Кармана:
' = (У1-20)
В обоих уравнениях (VI-19 и VI-20) в знаменатель входит вязкость. Кроме того, оба уравнения связывают объемный поток с простыми структурными параметрами, такими, как пористость е и радиус пор г. Поток пропорционален пористости в случае капиллярных мембран, в случае же мембран с нодулярной структурой зависимость от пористости имеет более сложный характер.
Для оптимального подбора микрофильтрационных мембран достаточно быть уверенным, что структурные параметры соответствуют максимально большой (поверхностной) пористости и максимально узкому распределению пор по размерам. Таким образом достигается ситуация, когда конвективный поток, как и предсказывается этими уравнениями, зависит только от параметров мембраны и не содержит параметров, относящихся к растворенным веществам.
VI. 3.2.1. Мембраны для микр о фильтрации
Мембраны для микрофильтрации могут быть изготовлены из разнообразных органических (полимеры) или неорганических (керамика, металлы, стекла) материалов.
Для получения микрофильтрационных мембран из полимерных материалов используются различные методы:
- спекание и другие термические процессы;
- вытяжка;
- травление треков, получаемых под действием высокоэнергетических частиц;
- инверсия фаз.
Эти методы приготовления мембран были детально обсуждены в гл. III. На рис. VI-4 представлены микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), некоторых характерных полимерных мембран, полученных методами инверсии фаз (VI-4,a), вытяжки (VI-4,5) и травления треков (VI-4,e).
Часто вместо полимерных мембран используются неорганические мембраны, которые чрезвычайно устойчивы к химическим и термическим воздействиям. Кроме того, размеры пор в таких мембранах легче контролируются, вследствие чего в них обычно достигается очень узкое распределение пор по размерам (см. также гл. IV). Для получения керамических мембран используются разнообразные методы, среди которых к наиболее важным относятся:
- спекание и другие термические методы;
- золь-гель-процессы;
- анодное окисление.
Две наиболее типичные структуры таких мембран показаны на
6
Рис. VI-4. Раз личные типы микрофил ьтрационных мембран, полученные методами инверсии фаз (а), вытяжки (6), травления треков (в).
Рис. VI-5. Керамические микрофильтрационные мембраны, а — Anotec, процесс анодного окисления; б — Ceraver, метод прокаливания (показаны сечения верхнего слоя мембраны).
Таблица VI-5. Характеристики пористости, достигаемые при разных методах получения мембран
Метод Степень пористости Распределение пор
по размерам
Прокаливание От низкой до средней От узкого до широкого
Вытяжка От средней до высокой От узкого до широкого
Травление треков Низкая Узкое
Инверсия фаз Высокая От узкого до широкого
рис. VI-5. Эти микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, отчетливо показывают, что как пористость, так и распределение пор по размерам существенно различаются у мембран, полученных разными методами (табл. VI-5).
