Фильтры. Мембраны

      Фильтрование является гидродинамическим процессом, скорость которого прямо пропорциональна разности давлений, создаваемой по обеим сторонам фильтровальной перегородки, и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при её движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка.

      Разность давлений по обеим сторонам фильтровальной перегородки создают при помощи компрессоров, вакуум-насосов и жидкостных насосов, например поршневых и центробежных, а также используя гидростатическое давление самой разделяемой суспензии.

     Независимо от того, каким образом создают разность давлений, движущая сила процесса фильтрования возрастает прямо пропорционально этой разности. Однако в большинстве случаев скорость фильтрования возрастает медленнее, чем увеличивается разность давления, так как при увеличении последней поры перегородки и осадка сжимаются, и сопротивление возрастает.

      Значение процессов фильтрования возрастает с увеличением масштабов производства химической и родственных ей отраслей промышленности. Это объясняется тем, что процесс разделения суспензий нередко вызывает затруднения, обусловленные главным образом большим сопротивлением осадка и соответственно малой скоростью фильтрования. При этом для достижения заданной производительности фильтровальной установки требуется большое число фильтров определённой конструкции. Поэтому возникла тенденция к увеличению размеров фильтровального оборудования и интенсификации процессов фильтрования.  
 

                                              2. Мембраны

       Мембраны - тонкие пленки со специальной структурой, созданные для обеспечения селективного пропускания растворенных веществ. Вообще, избирательность мембраны основана на ее способности пропускать или не пропускать частицы в соответствии с их размером и иными свойствами. Мембрана может быть гомогенной или асимметричной. Гомогенные мембраны в поперечном сечении имеют однородную структуру при увеличении по крайней мере в 100 раз. Наибольшей степенью гомогенности обладают мембраны, разработанные для микрофильтрации и гемодиализа.           Мембраны снижают величину потока не только нежелательных растворенных веществ, но и самого растворителя. Для уменьшения сопротивления потоку растворителя были разработаны образцы, имеющие асимметричное поперечное сечение. То есть они состоят из двух параллельных слоев. Сопротивление, оказываемое течению селективным слоем, который обеспечивает мембране возможность селективной фильтрации, минимизируется посредством уменьшения его толщины. Сопротивление течению более толстого и прочного поддерживающего слоя, который обеспечивает прочность конструкции, минимизируется за счет его открытой пористой структуры. Эти различные слои могут быть сделаны из одного и того же материала, как в асимметричных мембранах из ацетата целлюлозы, или из различных материалов, как в тонкопленочных составных (композитных) мембранах. Мембраны, используемые в оборудовании для очистки воды, бывают двух видов: в виде плоских листов и полых волокон.  

                             2.1. Полупроницаемые мембраны.

       Основной проблемой при реализации мембранных методов является разработка и изготовление полупроницаемых мембран, которые отвечали бы следующим требованиям:

- высокая разделяющая способность (селективность);

- высокая удельная производительность (проницаемость);

- устойчивость к действию среды разделяемой системы и её компонентов;

- неизменность к действию среды разделяемой системы и её компонентов;

- неизменность характеристик в процессе эксплуатации;

- достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа,          - транспортирования и хранения мембран;

- низкая стоимость.

      При получении полупроницаемых мембран используют различные материалы: полимерные плёнки, стекло, металлическую фольгу и др. Наибольшее распространение получили мембраны на основе различных полимеров. Эти мембраны приготавливаются по специальной технологии, так как первые исследования показали, что, как правило, плёнки, выпускаемые промышленностью для других целей, не обладают селективными свойствами.

     Все полупроницаемые мембраны целесообразно подразделить на две основные группы: пористые и непористые.

     Непористые (диффузионные) мембраны являются квазигомогенными гелями, через которые растворитель и растворённые вещества проникают под действием градиента концентраций (молекулярная диффузия). Поэтому такие мембраны часто называют диффузионными. Скорость, с корой проходят через мембрану отдельные компоненты, зависит от энергии активации при взаимодействии переносимых частиц с материалом мембраны и от размеров диффузионных частиц. Обычно скорость диффузии тем выше, чем слабее связаны между собой отдельные звенья полимерной цепи в гелевом слое, т.е. чем сильнее мембрана набухает.

Диффузионные  мембраны наиболее рационально применять  для разделения компонентов с  близкими свойствами, но различными размерами  молекул. Поскольку эти мембраны не имеют пор в общепринятом смысле и концепция диффундирующего  вещества по толщине мембраны остаётся низкой, то диффузионные мембраны не забиваются и, следовательно, не снижают проницаемости  времени.

Диффузионные  мембраны применяют для разделения газов и жидких смесей методом  испарения через мембрану.

       Пористые мембраны. Современные представления о капиллярно-фильтрационной модели механизма полупроницаемости позволяют сделать вывод о возможности получения пористых селективных мембран для обратного осмоса и ультрафильтрации на основе практически любого лиофильного материала. Наибольшее практическое распространение получили синтетические полимерные мембраны, приготовленные по специальной технологии.

Пористые полимерные плёнки получают обычно введением в  полимер добавок с последующим  их вымыванием или путём удаления растворителей из растворов полимеров  в условиях, препятствующих существенной усадке каркасной структуры полимера вследствие действия капиллярных сил.

      Известно три основных метода формирования полупроницаемых мембран: сухой (спонтанный), коагуляционный и термальный.

      Сухой метод, заключается в растворении полимера, например эфира целлюлозы, или смеси эфиров, в растворителях типа ацетона и добавлении к этому раствору соответствующих порообразующих агентов (этанол, бутанол, вода, глицерин и др.). К достоинству плёнок, полученных по данному методу, прежде всего следует отнести возможность их хранения и транспортирования в сухом виде.

       Значительно чаще применяют формирование мембран коагуляционным методом. Этот метод заключается в следующем. Раствор, приготовленный из ацетата целлюлозы, летучего растворителя и пороообразователя, поливается тонким слоем на стеклянную пластину, подсушивается в течение нескольких минут и затем погружается в холодную воду, где выдерживается до отделения плёнки от подложки. За это время происходит почти полное образование мембраны. В ряде случаев, после описанного приёма, полученная плёнка является лишь заготовкой, а не полупроницаемой мембраной. Для закрепления получено структуры, её обрабатывают водой при температуре, близкой к температуре стеклования данного полимера. При этом происходит некоторая усадка пористой структуры, что часто приводит к повышению селективности мембран.

      Термальный метод формирования пористых мембран заключается в термической желатинизации смеси полимера и соответствующих пластификаторов, например, полигликолей. Компоненты смешиваются с целью получения геля. По мере снижения температуры нагретого раствора пластификатор-полимер полимерные цепочки взаимодействуют и образуют квазисшитую гелеобразную структуру. В конечном счёте происходит разделение фаз и образование пор.

Термальный гель можно снова расплавить и снова  получить при охлаждении.

Термальные гели очень хороши в качестве подложек в комбинированных мембранах, так  как могут иметь изотропную структуру, в собственно термическая желатинизация позволяет получить структуру полимерной плёнки практически любой пористости. Отпрессованную плёнку при температуре 200 градусов Цельсия промывают водой для удаления добавок. Полученные таким образом мембраны имеют улучшенные механические свойства и повышенную водопроницаемость по сравнению с мембранами из регенерированной целлюлозы.

         Нуклеопоры. Так называются мембраны, образованные при облучении тонких плёнок заряженными частицами с последующим травлением химическими реагентами. Для того, чтобы при травлении смогли образоваться сквозные поры практически одинаковых размеров, излучение должно обладать высокой плотностью ионизации. 

Для изготовления мембран «нуклеопор» представляется целесообразным использовать анизотропные плёнки с очень тонким верхним  слоем (1 мм).

Учитывая тот  факт, что с помощью радиоактивного излучения и последующей химической обработки можно получать мембраны с порами заданно диаметра, а распределение  пор по диаметрам чрезвычайно  узкое, нуклеопорные мембраны очень  перспективны для фракционирования растворов высокомолекулярных соединений и их очистки.

        Изопористые мембраны. Примером изопористых мембран, содержащих многочисленные цилиндрические капиллярные поры, является класс ионотропных гелевых мембран, приготовляемых из полиэтилена. Мембраны из изотропного геля характеризуются очень узким распределением размера пор, однако число и радиус капилляров различны на обеих сторонах мембраны вследствие эквивалентного увеличения диаметра и уменьшения числа пор при повышении концентрации растворителя в золе.

       Вместе с тем наряду с очевидными достоинствами эти мембраны имеют ряд существенных недостатков, которые ограничивают область их применения в химической технологии: нестойкость в щелочных и кислотных средах, необратимое ухудшение основных характеристик со временем, малая механическая прочность, необходимость хранения и транспортирования во влажном состоянии, поскольку высушивание мембран приводит к необратимой потере проницаемости.

      Наряду с полимерными известны многие типы мембран с жесткой структурой. В их числе металлические мембраны, мембраны из пористого стекла.

      Металлические мембраны могут быть приготовлены выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава. При этом получаются высокопористые мембраны с очень узким распределением по размеру пор. Другим вариантом получения металлических мембран может быть спекание при высокой температуре металлического порошка.

Основным преимуществом  металлических мембран является однородность структуры и, как следствие, размеров пор. Эти мембраны не разрушаются  бактериями, химически стойки в различных  средах и могут подвергаться термической  обработке. Они легко очищаются  обратным током воды или какой-либо другой жидкости либо прокаливанием.

     Мембраны из микропористого стекла. Стеклянные мембраны обладают такими ценными свойствами, как высокая термическая и химическая стойкость, неподверженность действию микроорганизмов и жесткость структуры. Эти свойства позволяют использовать их при разделении растворов в широком интервале рН и осуществлять стерилизацию. Мембраны из микропористого стекла могут быть изготовлены в виде пластин, плёнок, трубок или капилляров.  
 

                   2.2. Технология изготовления эластичных мембран.

       Технология прорезинивания тканей.

Наиболее распространённым материалом для эластичных мембран  в настоящее время являются прорезиненные  ткани. Для производства таких тканей применяются разнообразные текстильные  материалы из различных видов  волокон, представляющих собой высокомолекулярные органические вещества: натуральные, искусственные и синтетические волокна. Назначение текстильных материалов состоит в повышении прочности изделий и в уменьшении их деформируемости при растяжении.

Технология прорезинивания тканей представляет собой довольно сложный процесс, осуществляемый на специализированных заводах резино-технических  изделий. Из всей последовательности технологического процесса прорезинивания тканей можно  выделить следующие наиболее характерные  операции:

- сушка тканей;

- промазка ткани;

- пропитка;

- вулканизация;

       Технология изготовления гофрированных мембран.

Основное преимущество гофрированных мембран в сравнении  с плоскими состоит в том, что  они допускают большие перемещения  жёсткого центра и обладают более  пологой характеристикой.

Весь технологический процесс изготовления гофрированных мембран из прорезиненных тканей состоит из следующих основных операций:

- вырезки заготовок;

- нагревания деталей пресс-формы на плите пресса до температуры 140+/-5 градусов Цельсия;