Мембраны: понятие и виды

     Так как разбавленные растворы по своему поведению схожи с газом, то их состояние с небольшой погрешностью можно описать характеристическим уравнением состояния идеального газа 

     pV = RT 

     На  практике осмотический потенциал любого раствора может быть приблизительно оценен формулой Освальда  

     р = CRT 

     С – молярная концентрация данного  раствора, моль/л

     R -  универсальная газовая постоянная (8,31)

     Т – абсолютная температура

     Но  не следует думать, что какой-либо раствор обладает давлением, рассчитанным по этой формуле.

     По  этой формуле рассчитывают только потенциал  давлений, который будет реализован только при наличии мембран.

     Движущей  силой мембранного фильтрования является градиент (перепад, разность) давлений до и после мембраны. 

     Весь  технологический  процесс фильтрования делят на следующие виды:

     - обычное фильтрование (классическое) (р= до 0,06 МПа, d_пор > 10 мкм)

     - микрофильтрация  (р= до 0,1 МПа, d_пор = 0,1-10 мкм)

     - ультрафильтрация (р= 0,1-2 МПа, d_пор = 3-100 нм)

     - обратный осмос     (р= 1-25 МПа,  d_пор = < 3 нм) 

     Микрометр - мкм (mм) 10^-6

     Приставка «нано-» означает одну миллиардную. Один нанометр (1 нм) равен 1/1000 000 000 метра. Чтобы вы «прочувствовали» этот масштаб, укажем, что толщина человеческого волоса составляет примерно 50 000 нанометров, клетка бактерии измеряется несколькими сотнями нанометров, а наименьшие элементы, вытравленные на коммерческом микрочипе, на февраль 2002 года имели размеры порядка 130 нм. Наименьшие элементы, которые способен разглядеть невооруженный глаз человека, имеют размер 10 000 нанометров. Один нанометр – это ряд всего из десяти атомов водорода. Это действительно очень мало. 

     Обычное фильтрование

     (фильтровальная бумага, асбест, ткани и т.д.). Диаметр пор равен от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. Оно  позволяет эффективно задерживать только механические частицы (видны невооруженным глазом) и какую-то часть коллоидных частичек. Причем по толщине фильтра структура пор неупорядочена и неоднородна.

     Обычные фильтры отличаются наличием тупиковых  ответвлений пор. Вследствие этого  для обычных фильтров присуще  глубинное забивание пор задерживаемыми частицами (рис.) 

     

     При обычном фильтровании давление равно десятым долям атмосфер.

     Причем, при повышении давления задерживаемые  частицы уплотняются, закупоривают поры и тем самым снижают производительность фильтра.

     Для того, чтобы снизить этот отрицательный  эффект и тем самым повысить производительность фильтрования на поверхность обычных фильтров намывают мелкодисперсный материал необладающий уплотнением при повышенном давлении (кизельгур, перлит, которые изготавливают из специальных обработанных вулканических пород либо геологических глин).

     Обычные фильтры характеризуются линейной зависимостью производительности (л/(м²×ч)) от давления (МПа). 

       

     В микрофильтрации, ультрафильтрации и обратном осмосе в качестве фильтров используются мембраны, отличающиеся не только толщиной, но и размером пор и пористой структурой.

     Мембраны  способны задерживать молекулы или  частицы невидимые невооруженным  глазом и клетки микроорганизмов.

     Причем, при обратном осмосе размер пор таков, что через мембрану проходят только молекулы растворителя.

     Промышленное  внедрение мембранных фильтров стало возможным только благодаря производству ассиметрических мембран (неодинаковых по толщине).

     Структура таких мембран по толщине отличалась наличием очень тонкого разделительного  слоя (рис). Поры в мембранах были приближенно похожи на усеченный конус. В таких мембранах отсутствовали тупиковые зоны пор  и они не обладали глубинным забиванием структуры в отличие от обычных фильтров. 

     

 

Рисунок 29. Электронная  микрофотография    поперечного  сечения гиперфильтра. 

     

 

Рисунок   32.   Электронная   микрофотография   асимметричного   диффузионного гиперфильтра. 

     

 
 

Рисунок 30. Схематическое  изображение пор гинерфильтров:

а — различной толщины; б — набор сит, эквивалентный гиперфильтру;

1 — поры  переменного диаметра;  2 — поры  постоянного диаметра;  3 — молекулы растворенных веществ. 

     

 
 

Рисунок 31. Пористый гиперфильтр с коническими порами 

     Толщина мембранных пленок – несколько десятых  долей мм. Толщина разделительного  слоя на порядок меньше – несколько  сотых мм.

     Такая структура в мембранах создается вследствие испарения растворителя полимера мембраны в определенных условиях (давление, температура). 

     Мембраны  II поколения имеют такую же ассиметричную структуру, но дополнительно укреплены крупнопористой подложкой. (рис.32) 

     Фильтруемая жидкость при обычном фильтровании подвергается очистке от нежелательных механических примесей, причем, поток жидкости перпендикулярен плоскости фильтра 
 

       

Рисунок 33. Основная разница между обычной и мембранной фильтрацией

     Обычное фильтрование называют тупиковым. При обычном фильтровании два потока жидкости (исходная и фильтрат), которые идентичны по химическому составу в отношении водорастворимых веществ.

     При мембранной фильтрации поток фильтруемой  жидкости направлен по касательной  к плоскости фильтра (рис. 33). Мембраны самоочищающиеся, смываются потоком исходной жидкости.

     В упрощенном виде можно сказать, что  мембраная обработка жидкости сходна с молекулярным ситом.

     При мембранном фильтровании три потока жидкости (исходная, фильтрат, концентрат), отличающиеся химическим составом.

     Например, в концентрате больше, чем в  исходной жидкости веществ, задерживаемых  мембраной (высокомолекулярные вещества), в фильтрате – низкомолекулярные  вещества и растворитель  (рис).

     Если  проанализировать химический состав этих трех потоков, то в случае мембранной фильтрации будет строго соблюдаться материальный баланс по отдельным веществам и сумме: 

 

     В отличие от традиционного фильтрования при мембранном фильтровании зависимость производительности мембран от давления нелинейная

     При мембранной фильтрации значительное влияние  на производительность оказывает скорость потока фильтруемой жидкости. Чем  больше скорость потока, тем выше производительность.

 
 

Основные  закономерности мембранного  фильтрования 

     

     Для идеальной мембраны при уменьшении объема фильтруемой жидкости концентрация высокомолекулярных соединений возрастает пропорционально уменьшению этого объема.

     Концентрация низкомолекулярных соединений в этой жидкости будет оставаться неизменной. За мембраной (в фильтрате) высокомолекулярные соединения отсутствуют, а концентрация низкомолекулярных соединений будет равна их концентрации в исходной жидкости и в концентрате. 

     С_ВМС^исх < С_ВМС^конц. 

     С_НМС^исх = С_НМС^конц. = С_НМС^фильт. 

     Материальный  баланс: 

     М_{ВМС+НМС}^исх. = М_{ВМС+НМС}^конц. + М_НМС^фильт. 

     Пример 1:

     Дано:

     Объем сточной воды – 10 л (V1)

     Концентрация  низкомолекулярных соединений в  исходной жидкости – 2 %. Концентрация высокомолекулярных соединений в исходной жидкости – 2 %. Объем концентрата – 2 л (V2).

     Определить  концентрацияю: С_ВМС^конц, С_ВМС^фильт., С_НМС^конц., С_НМС^фильт. 
 

     Решение:

     V_ф = 10-2=8 л

     Так как при уменьшении объема фильтруемой жидкости концентрация высокомолекулярных соединений возрастает пропорционально уменьшению этого объема, то

     С_ВМС^конц = 10 % (в 5 раз снизился объем фильтруемой жидкости было 10 л, а осталось 2 л,  а содержание С_ВМС^исх = 2% - по условию задачи, то 5 × 2 = 10 %).

     С_ВМС^фильт.=0

     С_НМС^конц= С_НМС^фильт. = С_НМС^исх. = 2 % 

     Пример 2:

     Дано:

     Производительность  мембраны по фильтрату = 1 л/(м²×мин)

     Площадь мембран = 1 м²

     Исходный  объем жидкости = 10 л

     Прошло 4 мин.

     Определить  каков объем концентрата и  фильтрата через 4 мин. 

     Решение:

     Объем фильтрата через 4 мин будет равен

     Vф = Q × t = 1× 4 = 4 л. 

     V_исх = V_конц +  V_фильт  

     V_конц = V_исх - V_фильт = 10 – 4 = 6 л. 

     Для реальных мембран (в промышленности), которые не обладают 100%-ным задерживанием  высокомолекулярных соединений (с размерами  молекул больше, чем диаметр пор мембраны) вводится понятие селективность (избирательная способность).

     

j = 0 – 100 %.

     Селективность может быть привязана к определенному  веществу (белку и т.д.)

     Чем больше j данной мембраны по данному веществу, тем лучше мембрана задерживает данное вещество.

     Селективность для каждого соединения и каждой мембраны устанавливается экспериментальным  путем.

     Если  при мембранном фильтровании желают максимально выделить или удалить  из раствора высокомолекулярное соединение, то мембрану выбирают с высокой селективностью этих веществ. По низкомолекулярным соединениям (которые необходимы или нет в зависимости от задачи) селективность будет нулевой.

     Большое значение j играет при обратном осмосе, когда обрабатывают воду, придавая ей питьевые кондиции.

     Производительность  мембран зависит от следующих  факторов: