Аспирант Лавренченко А.А.

ФГБОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет", Россия

Выбор мембран в зависимости от метода мембранного разделения водных растворов

Мембраны, как и другие фильтрующие материалы, можно рассматривать как полупроницаемые среды: они пропускают воду, но хуже пропускают некоторые примеси. Однако если обычное фильтрование применяют для удаления из воды относительно крупных образований – дисперсных и крупных коллоидных примесей, то мембранные технологии – для извлечения мелких коллоидных частиц, а также растворенных соединений. Наука выработала, а практика апробировала различные методы мембранной очистки промышленных стоков, для которых важным в их применении является правильный выбор мембран.

При выборе мембран для обратного осмоса необходимо учитывать проницаемость воды и задержка соли. Мембрана должна обладать необходимой прочностью для работы при высоких давлениях, химической стойкостью и устойчивостью к микробиологической атаке. Вначале большинство мембран для обратного осмоса изготавливались из ацетилцеллюлозы, причем ацетилцеллюлоза для этих мембран несколько отличается от используемой в микрофильтрационных мембранах; она содержат меньше ацетильных групп на остаток глюкозы. Теоретически на один остаток глюкозы могут приходиться три ацетильные группы, но при такой высокой степени замещения скорость прохождения воды через мембрану оказывается небольшой. С другой стороны, если содержание ацетильных групп низко, то скорость прохождения воды велика, однако селективность таких мембран (задержка ими соли) мала.

К другим важным характеристикам мембран относятся их стойкость по отношению к высоким и низким рН, устойчивость к хлору, к гидролизу и высушиванию, к действию бактерий и способность выдерживать динамические нагрузки под давлением [1].

Для обратного осмоса был также испытан другой класс мембран, называемых динамическими (или мембранами in situ). Это жидкие мембраны, которые фактически образуются непосредственно на микропористой подложке, когда на ее поверхность наносится раствор, содержащий поверхностно-активные вещества. Некоторые пористые материалы, не обладающие достаточной селективностью для обратного осмоса, могут быть использованы в этих целях, если они сформированы как динамические мембраны [2].

Промежуточное положение между обратным осмосом и микрофильтрацией занимает ультрафильтрация. Размеры пор ультрафильтрационных мембран варьируют от 0,05 мкм (граница минимальных размеров пор в микрофильтрационных мембранах) до 1 нм (граница пор максимального размера в обратноосмотических мембранах) Типичное применение ультрафильтрации — отделение макромолекул ярких компонентов от раствора, причем нижний предел отделяемых растворенных веществ соответствует молекулярным массам в несколько тысяч.

Как микрофильтрационные, так и ультрафильтрационные мембраны относятся к пористым мембранам, и в них задержка частиц определяется главным образом их размером и формой в соответствии с размерами пор мембраны, а транспорт растворителя прямо пропорционален приложенному давлению. При микрофильтрации и ультрафильтрации имеют место одинаковые мембранные явления и используется один и тот же принцип разделения. Однако имеется и существенное различие между ними, заключающееся в том, что ультрафильтрационные мембраны имеют асимметричное строение, а гидродинамическое сопротивление в основном определяется малой долей общей толщины мембраны, в то время как при микрофильтрации, по-видимому, полная толщина мембраны дает вклад в гидродинамическое сопротивление. Толщина верхнего слоя ультрафильтрационной мембраны обычно не превышает 1 мкм. [3].

Следует иметь в виду одно важное обстоятельство. При осуществлении ультрафильтрации реальные показатели процесса не эквивалентны характеристикам мембраны, оцененным в модельных экспериментах. Макромолекулярный компонент, не проходящий через мембрану, накапливается на поверхности мембраны, что приводит к резкому возрастанию концентрации. В стационарном состоянии конвективный поток растворенного вещества к мембране равен диффузионному противотоку от мембраны в объем. Дальнейшее увеличение давления не приводит к увеличению потока через мембрану вследствие возрастания сопротивления пограничного слоя, что соответствует достижению предельного потока Явления, связанные с образованием пограничных слоев, в основном и определяют производительность процесса. Для развития мембранных технологий важны скорее не модельные характеристики мембраны, а ее устойчивость к разного рода химическим реагентам, необходимым для ее очистки. Сфера применений мембран растет по мере того, как увеличивается их устойчивость к высоким температурам (> 100°С), к широкому изменению рН (1 - 14) и органическим растворителям. Максимального снижения отложений на мембранах при минимальных затратах, как и при микрофильтрации, можно добиться за счет инженерных решений при разработке модулей и всей разделительной системы [4].

Нанофильтрация - это процесс мембранной фильтрации, в котором приводная сила это разница давления между двумя сторонами мембраны. В процессе нанофильтрации на мембране задерживаются преимущественно органические соединения (с молекулярной массой более 200-300) и соли двух и более валентных металлов, а пропускаются в основном одновалентные соли. Процесс фильтрации проходит под низким давлением – около 3-8 бар. С помощью нанофильтрации удается достигнуть селективности 90-98%, что ниже характерных для обратного осмоса 97-99,5%, однако в ряде случаев такие высокие селективности не являются необходимостью и поэтому выгоднее использовать менее энергоемкий процесс нанофильтрации (рабочее давление в 1,5-2 раза ниже).

Механизмом переноса молекул воды через полупроницаемую мембрану при нанофильтрации является активированная диффузия — процесс, при котором два смежных вещества под воздействием давления соединяются на молекулярном уровне, в результате при нанофильтрации молекулы воды проходят сквозь мембрану и отделяются от нее с обратной стороны.

Селективность полупроницаемых мембран, используемых для нанофильтрации воды, обуславливается особенностями их строения и составом, таким образом полупроницаемые мембраны для нанофильтрации воды пропускают только молекулы воды, некоторые органические молекулы, сходные по своим свойствам с молекулой воды, и некоторые одновалентные ионы [4]. Таким образом, прошедшая нанофильтрацию вода может содержать некоторое количество растворенных веществ вроде натрия или хлора, чье в воде допустимо.

Литература

1. Дытнерский Ю.И.Мембранные процессы разделения жидких смесей./ Ю.И.Дытнерский // М.:Химия, 1975.

2. Духин С.С.. Обратный осмос и диэлектрические свойства мембран. / Духин С.С. , Чураев Н.В., Ярощук А.Э. /Химия и технология воды.- 1984.

3. Мулдер М. Введение в мембранную технологию: Пер. с англ. / М.Мулдер // М.:Мир, 1999.

4. Свитцов А.А.Введение в мембранную технологию.- М.: ДеЛипринт, 2007.