ГЛАВА 3. Мембраны, мембранные модули

 

  К оглавлению книги

Разработкой теоретических основ физики мембранных процессов, технологий создания различных мембран занимается огромное количество научно-исследовательских и учебных организаций во всем мире.
В тоже время их промышленное производство сосредоточено в ограниченном числе фирм-производителей, которые одновременно являются и ведущими разработчиками мембран и технологий их производства. Это объясняется тем, что высокое стабильное качество продукции при минимальной цене может обеспечить только крупносерийное максимально автоматизированное производство. В результате лидерами по производству микрофильтрационных мембран и картриджей стали такие компании как « Millipore », « Pall », « Pentek », « H armscо» [88–91]. Основными производителями ультрафильтрационных мембран и модулей из них являются , « Norit », « Inge », « Hydranautics », « Membrana GmbH » [92–96]. Мембраны для обратного осмоса и нанофильтрации и модули из них выпускают « Dow Chemical » , « T oray », « Koch » , « GE Water » ( Osmonics ), « Hydranautics » [96–100]. Следует отметить, что в большинстве случаев производители мембран не занимаются изготовлением аппаратов и установок на их основе. Исключением является « GE Water » ( Osmonics ) [100], производящий полный ассортимент продукции.

В России крупносерийно изготавливаются только микрофильтрационные мембраны, картриджи на их основе и аппараты-фильтродержатели. Основные производители: НПП «Экспресс-Эко», ЗАО «Фильтр», НПП «Технофильтр», ООО «Промфильтр», ЗАО «Тензор-Микрофильтр» [101–107].

3.1. Требования к мембранам

В данном разделе мы ограничимся только аспектами, общими для всех баромембранных процессов. Мембраны и аппараты для электромембранных процессов и мембранной дегазации рассматриваются отдельно в соответствующих специализированных главах.

Экономичность и эффективность процесса мембранного разделения зависит в основном от качества применяемых мембран. Качество мембран определяет затраты энергии на разделение, продолжительность их жизненного цикла, степень очистки и концентрирования.

К полупроницаемым мембранам предъявляются следующие требования:

  • узкое распределение пор по размерам, что обеспечивает высокую разделяющую способность – селективность;
  • высокая проницаемость, т.е. удельная производительность;
  • минимальное гидравлическое или диффузионное сопротивление;
  • стабильность характеристик во времени;
  • химическая стойкость к действию разделяемой среды, регенерирующим и стерилизующим реагентам;
  • механическая прочность;
  • отсутствие выноса материала мембран в фильтрат;
  • низкая стоимость.

В ряде случаев предусматриваются и специфические требования, характерные для конкретного производства.

Указанные требования противоречивы. Так, для обеспечения механической прочности мембрана должна иметь большую толщину, а для обеспечения высокой удельной производительности, наоборот, минимальную. Как правило, проблематично совместить высокую прочность материала с его существенной пористостью и проницаемостью. Высокую проницаемость и минимальное гидравлическое или диффузионное сопротивление имеют, как правило, мембраны с низкой селективно стью, и наоборот. Во многом история развития мембранных технологий – это история борьбы с указанными противоречиями.

Дело в том, что разные области приложения мембранных технологий по-разному чувствительны к указанным противоречиям. Процессы осветления (микро- и ультрофильтрация) требуют минимальных трансмембранных перепадов давления, поэтому для них наименее проблематично обеспечение механической прочности мембраны. Вместе с тем соответствующие мембраны имеют относительно крупные поры, так что приемлемая производительность (проницаемость) может быть обеспечена даже для мембран большой толщины. Наоборот, процессы обессоливания, использующие непористые мембраны, оказываются наиболее чувствительными к толщине и свойствам разделительного слоя, и при этом выдвигают особо критические требования к прочности мембран.

Неудивительно поэтому, что исторически первые – изотропные – мембраны, имеющие по всей толщине одинаковые поры, нашли применение только для технологий осветления – в микрофильтрации и частично в ультрафильтрации (рис. 3.1).

Такая мембрана выполняет функции разделения всей своей толщиной и одновременно обеспечивает заданную механическую прочность. Поры могут быть цилиндрическими или неопределенной формы, образованными частицами или волокнами, из которых состоит мембрана. Поскольку гидравлическое сопротивление при заданной пористости прямо пропорционально толщине, то такие мембраны обладают достаточно высоким сопротивлением. Возможности уменьшения толщины ограничены прочностью применяемого материала.

Революционным шагом, сделавшим возможным практическое внедрение наиболее энергоемкого процесса мембранного разделения – обратного осмоса, стала разработка С.   Лоебом и С.   Сурираджаном анизотропных (асимметричных) мембран. Это позволило разделить функции обеспечения механической прочности и разделяющей способности мембраны между ее отдельными слоями. Типичная анизотропная мембрана (рис. 3.2) представляет собой пленку, выполненную из материала, в котором имеются относительно крупные поры, уменьшающиеся по направлению к рабочей поверхности. Последняя представляет собой тонкий (0,5–5 мкм) активный разделительный слой. Именно этот слой, толщина которого составляет 5–10 % от общей толщины мембраны, определяет ее селективность, гидравлическое и диффузионное сопротивление, а остальная часть, с порами большего размера является опорной (несущей) для рабочего слоя.

Логичным продолжением идеи анизотропии стало создание многослойных композитных мембран. В таких мембранах функции отдельных слоев четко разделены и оптимизированы. Как минимум, такая мембрана должна состоять из двух слоев: разделительного и опорного. Однако из-за большой разности размеров пор для предотвращения прорыва тонкого разделительного слоя, требуется несколько промежуточных слоев, поддерживающих друг друга (рис. 3.3).

Структура изотропной микрофильтрационной мембраны
Структура анизотропной ультрафильтрационной мембраныа
Структура анизотропной ультрафильтрационной мембраны:б
Рис. 3.1. Структура изотропной микрофильтрационной мембраны

 

Рис. 3.2. Структура анизотропной ультрафильтрационной мембраны:

а – схема, б – разрез

 

 

Пример структуры многослойной композитной мембраны

а б

Рис. 3.3. Пример структуры многослойной композитной мембраны (относительные масштабы искажены): а – схема, б – разрез

Диффузионное и гидравлическое сопротивление каждого из этих слоев относительно мало. Благодаря этому удалось резко снизить рабочее давление, необходимое для процесса разделения. За счет малой толщины разделительного слоя эти мембраны имеют высокую удельную производительность. Их селективность также существенно выше, чем у анизотропных мембран, поскольку новые технологии позволяют выполнить такие пленки практически однородными. Возможен подбор материалов как подложки, так и разделительного слоя, стабильных в различных химических средах.

Создание композитных мембран сделало возможным их эффективное использование для технологий обессоливания, а также в ряде случаев существенно повысило характеристики мембран, применяемых для осветления. Все дальнейшее совершенствование мембран для всех типов процессов происходит в направлении оптимизации функций отдельных слоев и их характеристик, в частности, уменьшения толщины разделительного слоя и повышения его однородности.

Rambler's Top100 Rambler's Top100