7.3. Характеристика мембран.

Мембрани — (від грец. "перегородка") пристосування у вигляді тонкої розділювальної перегородки, якій властива напівпроникність, тобто здатність пропускати одні компоненти розчинів (чи сумішей) і затримувати інші.

Мембрани класифікують за п'ятьма класифікаційними ознаками.

За природою матеріалу, з якого виготовлена мембрана: полімерні, непо-лімерні (неорганічні). В свою чергу, полімерні мембрани залежно від хімічного складу полімеру можуть бути: целюлозні, ацетилцелюлозні, поліамідні, полі-сульфонові, полісульфонамідні, полівінілхлоридні тощо. Неорганічні мембрани:металічні, керамічні, графітові, скляні, поліфосфазенові та ін.

За пористою структурою: непористі (дифузійні) і пористі. Останні поділя­ють на ізотропні та анізотропні, в тім числі асиметричні анізотропні. Ізотропні мембрани характеризуються однаковим діаметром пор в усьому об'ємі мембрани. Анізотропним мембранам властива поступова зміна діаметра пор в їх поперечному перерізі, тобто діаметр пор поступово зростає від робочої до підстилаючої поверхні мембрани. Асиметричні анізотропні мембрани також характеризуються збільшенням діаметра пор від робочої до підстилаючої поверхні, але в цьому разі чітко розрізняються шари мембрани, в межах яких пори приблизно одинакові і помітно відрізняються за розміром від пор у шарах, розміщених вище і нижче від них.

Зокрема, до асиметричних анізотропних мембран належать так звані композиційні мембрани, в яких робочий (селективний) і підстилаючий шари, як правило, отримують з різних за хімічним складом пористих матеріалів. До композиційних мембран також належать гетерогенні йонообмінні мембрани і наповнені, в тім числі полімер-полімерні мембрани.

За геометричною формою: мембрани у вигляді плівок, пластин, трубок, порожнинних волокон. Плівки і пластинки виготовляють у вигляді дисків, квад­ратів, прямокутників, еліпсів та ін. Товщина плівкових мембран становить 100— 150 мкм, пластин — 2—3 мм, трубки з внутрішнім діаметром 5—25 мм, а порожнинні волокна з внутрішнім діаметром 20—100 мкм і товщиною стінки 10—50 мкм.

За функціональними ознаками: діалізні, електродіалізні (йонообмінні), мікрофільтрувальні, нанофільтрувальні, ультрафільтрувальні, зворотноосмо-тичні, первапораційні, газороздільні, мембрани з додатковими функціями.

За способом одержання і станом: сухі, мокрі (набряклі в розчиннику) полімерні, трекові, рідкі (без підкладки і на підкладці), динамічні, мембрани з жорсткою структурою, які отримують методом нанесення, напилення, осаджен­ня, просочування, спікання.

Методи одержання мембран. Серед матеріалів, які використовують для виготовлення мембран, чільне місце посідають полімери. Меншою мірою вико­ристовують кераміку, графіт, скло, глинисті мінерали і метали.

Найрізноманітнішими є методи одержання полімерних мембран, найпо­ширенішим і традиційним є метод коагуляційний, або фазово-інверсний (розчинний), метод, який застосовують для одержання практично всіх типів мембран, за винятком йонообмінних. Зміст цього методу, який у технологічній практиці має три варіанти (сухо-мокрий, сухий і мокрий), полягає в тому, що концентрований розчин полімеру у вигляді нанесеної гелевої плівки чи волокна під дією зовнішніх чинників (осаджувача, випаровування) піддають фазово-дисперсним перетворенням з формуванням досить жорсткої пористої плівки чи волокна. Власне у назві методу "коагуляційний" або "фазово-інверсний" знай­шов відображення фізичний зміст методу. Технологічно коагуляційний метод є досить складним і багатостадійним.

Основними стадіями сухо-мокрого варіанта цього процесу є:

1. Розчинення полімеру в органічному розчиннику, який необмежене змішується з водою;

2. Очищення розчину від механічних домішок;

3. Його дегазація і коригування складу;

4. Передформування мембрани (часткове випаровування розчинника з поверхні тонкої плівки розчину, налитого на підкладку);

5. Осадження (коагуляція) мембрани водою (осаджувачем);

6. Промивання мембрани водою;

7. Гідротермічна обробка при 80—95°С; дефектоскопія; змотування в рулони.

Сухий варіант формування мембран полягає в повному випаровуванні розчину полімеру, тобто процес формування мембрани закінчується на стадії випаровування розчинника, але не часткового, як у разі сухо-мокрого варіанта, а повного. Сухий варіант застосовують для одержання первапораційних та газороздільних мембран, які є непористими (дифузійними).

Мокрий варіант включає всі стадії, за винятком передформування. Його використовують для одержання мікрофільтрувальних мембран.

Вимоги до полімеру. Полімер повинен: утворювати плівку з його концент­рованих розчинів; добре розчинятись у розчинниках, які необмежене змішу­ються з водою, що є осаджувачем під час формування мембран; бути не крихким і не дуже жорстким, але й не бути еластомером; бути помірно гідро­фільним при формуванні зворотноосмотичних, нано- й ультрафільтрувальних мембран; перебувати у порошкоподібному стані, що полегшує його розчинення.

Серед інших, менш поширених методів одержання полімерних мембран можна назвати такі:

- формування з розплавів полімерів;

- температурне гелеут-ворення (інверсія);

- формування з поліелектролітних комплексів у момент їх утворення;

- опромінення плівок важкими частинками з високою енергією з по­дальшим протравлюванням радіаційних треків (трекові, або ядерні, мембрани).

Є також динамічні мембрани, які одержують нанесенням мінеральних дисперсій на поверхню пористої підкладки. Рідкі мембрани на основі ліпідів існують у вільному стані у вигляді кульок, заповнених одним чи декількома компонентами системи, що розділяється, або рідкі мембрани на пористій підкладці.

Узагальнення:

 Мембранні методи основані на тому, що забруднювач мігрує (дифундує) крізь мембрану. Рушійною силою може бути різниця тисків, парціальних тисків, температур, концентрацій.

 До мембранних методів належать зворотній осмос, первапорація, ультра - , мікро – та нанофільтрування, діаліз.

 Основним елементом апаратів є пориста мембрана, що характеризується напівпроникністю.

Література для самоосвіти: 4, 5, 7,10.