Мембранные технологии

с рядом постановлений  Правительства разработал и создал производства

ультрафильтрационных элементов, которые с успехом заменили импортные

аналоги. Вообще говоря, сколько либо серьёзная реализация мембранной

техники и технологий в настоящее время без поддержки  государства или

регионов в настоящее  время проблематична. Там, где органы государственной

власти уделяют  этому вопросу достаточное внимание, налицо и соответствующий

результат. Например, во Владимире при поддержке местной  администрации

практически во всех детских лечебных учреждениях, родильных  домах, ряде

клиник и школ установлены мембранные установки  для получения

высококачественной  питьевой воды.

Необходимым и обязательным условием реализации законченных научно-

исследовательских работ в области критической  технологии федерального

уровня "Мембраны" является разработка механизма привлечения  на рыночных

условиях негосударственных  инвестиций, которые совместно с  государственным

сектором финансирования и поддержки этого направления  обеспечат решение

федеральных задач  промышленной реализации наиболее эффективных  научных

разработок на рыночных условиях, повышения на этой основе её экономической

эффективности и  усиление социальной и экологической  направленности.

Суммируя концепцию  инновационной политики в области  реализации критической

технологии федерального уровня "Мембраны" необходимо подчеркнуть, что

только комплексная  реализация фундаментальных, прикладных и

производственных  проблем в сочетании с грамотной  инновационной политикой

позволят, в достаточно полном объёме, реализовать мембранные процессы,

внеся свой вклад  в обеспечение структурной перестройки  и восстановления

российской экономики. Успешная реализация мембранных проектов позволит

поднять материальное положение и престиж ученых и  производственников, что

будет гарантировать  возможность "утечки мозгов" в  этом важнейшем

направлении мировой науки, где авторитет российских учёных чрезвычайно

высок. Ориентация фундаментальных  и прикладных исследований на рыночные

принципы реализации (с частичной государственной  поддержкой) создаст

условия для селекции научных учреждений, коллективов  и отдельных учёных,

что должно привести к структурной перестройке научных  учреждений и

повышению эффективности  всей научной сферы. В конечном счете, на базе

предлагаемой концепции  должна сформироваться российская модель бизнеса,

которая на равных должна конкурировать с американской, европейской и

японской моделями. Как только главными условиями для жизненного успеха

станут интеллект, квалифицированный труд и облагороженная

предпринимательская деятельность, улучшится отношение  основных слоёв

населения к бизнесу. Реализация научных проектов критической  технологии

федерального уровня "Мембраны" является важной составной  частью решения

перечисленных в  настоящей статье проблем.

Как уже отмечалось выше, вопросы информационно-аналитического и прогнозного

обеспечения реализации критической технологии федерального уровня

"Мембраны" определяют  все последующие действия в  развитии мембранной науки

и технологии и последующей  реализации мембранных процессов с  целью

инновационных преобразований в экономике. В этой связи, объявление подписки

и выход первого  номера Информационно-аналитического бюллетеня "Мембраны" в

серии "Критические  технологии" трудно переоценить. Выражая  искреннюю

благодарность Миннауки России за поддержку становления  этого издания,

уверен, что эта первая "информационная ласточка" в области критических

технологий федерального уровня получит свое дальнейшее развитие в деле

информационного освещения  других критических технологий, а  российские

ученые и мировое  научное сообщество получат еще  один, теперь российский

печатный орган  освещения современного состояния  и тенденций развития

мембранной науки  и технологии этого, повторюсь, авангардного направления

развития науки  и техники XXI века.

 

Мембранные системы  водоподготовки, промышленное освоение которых началось примерно с 1985 года, в настоящее время применяются  практически во всех отраслях, потребляющих очищенную воду. 

 

Рис.1. Мембрана из ацетата  целлюлозы

(микроскопический  снимок) 
 

Первые искусственные  мембраны были изготовлены в XIX веке из обработанной в азотной кислоте  клетчатки (целлюлозы) – сырья, которое  является ничем иным как оболочками растительных клеток, то есть природными мембранами. Из нитрата целлюлозы  научились делать целлулоид, а позднее  целлофан, но с обнаруженной у них  микропористостью активно боролись, так как хотели получить в первую очередь защитные материалы, непроницаемые для воздуха и влаги. И только в 1960 году Лоэбом и Соурираджаном была изобретена мембрана из другого вида модифицированной целлюлозы – ацетата, которая была уже пригодна для практического применения (рис. 1). 

Широкое внедрение  мембранных процессов в практику стало возможно благодаря развитию науки о полимерах и использованию  синтетических полимерных мембран. 

Мембраны, как и  другие фильтрующие материалы, можно  рассматривать как полупроницаемые  среды: они пропускают воду, но не пропускают, точнее, 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. Для этого  мембраны должны иметь поры очень  малого размера. 

Движущей силой, заставляющей жидкость проникать через препятствие  в виде тонкой перегородки, может  быть: а) приложенное давление; б) разница  концентраций растворенных веществ; в) разница температур по обе стороны  перегородки; г) электродвижущая сила. В этой части мы ограничимся рассмотрением  баромембранных явлений – процессов разделения под действием давления. 

Основное отличие  мембран от обычных фильтрующих  сред состоит в том, что они  тонкие, и удаляемые примеси задерживаются  не в объеме, а только на поверхности  мембраны. Грязеемкость поверхности, очевидно, гораздо меньше, чем у объема. Казалось бы, мембрана должна из-за этого очень быстро засориться и перестать пропускать воду. Так бы оно и было, если бы в мембранном фильтре не происходило постоянного самоочищения мембраны. Для этого применяется так называемая «тангенциальная» схема движения воды в аппарате, при которой собирают воду с обеих сторон мембраны: одна часть потока проходит через мембрану и образует фильтрат (или пермеат), то есть очищенную воду, а другую направляют вдоль поверхности мембраны, чтобы смывать задержанные примеси и удалять их из зоны фильтрации. Эта часть потока называется концентратом или ретентатом, и обычно ее либо сбрасывают в дренаж, либо (например, при очистке гальванических стоков) отводят для дальнейшей обработки и выделения нужных компонентов. Таким образом, узел мембранной фильтрации имеет один вход и два выхода, и часть воды постоянно расходуется на очистку мембраны. (В двухступенчатых мембранных установках концентрат второй ступени может быть значительно чище, чем исходная вода, поэтому его можно использовать, подавая снова на вход установки. Таким способом добиваются снижения расхода воды.) 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕМБРАН  ПО РАЗМЕРАМ ПОР 

С точки зрения технологических  возможностей различают мембраны для  ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса. В этом ряду размер пор уменьшается, а рабочее давление растет. 

Ультрафильтрационные мембраны имеют наиболее крупные поры диаметром от 1 до 0,05 микрон (1 мкм=10-6 м) и работают обычно при давлениях 2-5 бар. Они применяются, например, для доочистки питьевой водопроводной воды от коллоидных и высокомолекулярных загрязнений, если не требуется корректировка ее солевого состава. 

Нанофильтрационные элементы (поры 5-50 нм, или 0,05-0,005 мкм) используют для умягчения воды с повышенной жесткостью, для удаления ионов тяжелых металлов и хлороорганики. Одновалентные ионы, такие как Na, K, Cl, NO3 задерживаются слабо – в среднем не более 10-30%. Рабочее давление нанофильтрации обычно не превышает 5-7 бар. 

Обратноосмотические мембраны имеют поры диаметром менее 10 нанометров (менее 0,01 мкм), работают при  давлениях до 100 бар и позволяют  осуществлять глубокое обессоливание, или деминерализацию. Обратный осмос  применяют для получения сверхчистой  воды для производственных нужд, а  также для опреснения морской  и солоноватых подземных вод, причем степень обессоливания (селективность) составляет обычно не менее 92-97%. 

 

ТИПЫ МЕМБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 

Мембраны могут  иметь различную геометрическую форму: трубчатые, половолоконные и  плоские. 

Трубчатые мембраны представляют собой трубки диаметром  от нескольких миллиметров до 1-2 см, изготовленные из пористого материала, например керамики. При этом они  могут быть симметричными или  асимметричными. Симметричная мембрана имеет одинаковую пористость по всему  объему материала. У асимметричной  же трубки на одной из поверхностей – наружной или внутренней –  при изготовлении формируют тонкий слой такого же или другого материала  с гораздо большей плотностью. Этот слой и является работающим, так  как именно он определяет задерживающую  способность мембраны. Более крупнопористый материал играет роль подложки-носителя с дренажными свойствами. Подача очищаемой  воды осуществляется со стороны рабочей  поверхности. 

Мембраны в виде полых волокон (Hollow Fibre) тоже имеют трубчатую форму, но их диаметр составляет обычно от 0,1 до 0,5 мм. Из-за такого малого размера в единицу объема фильтровального аппарата можно поместить огромное количество волокон, и их суммарная рабочая поверхность будет в десятки и даже сотни раз выше, чем у трубчатых мембран большого диаметра (см. табл.). Имея развитую рабочую поверхность, половолоконные фильтры обладают и гораздо большей, по сравнению с трубчатыми, производительностью при прочих равных условиях – давлении, размере пор и т. д. Однако это преимущество имеет и оборотную сторону: из-за того, что движение очищаемой жидкости вдоль рабочей поверхности каждого волокна трудно контролировать и регулировать, волоконная мембрана имеет склонность к загрязнению, а очистка ее поверхности крайне затруднена. Поэтому половолоконные фильтры создают больше проблем при эксплуатации, требуют тщательной предварительной очистки подаваемой на обработку воды. Кроме того, обладая самой высокой плотностью упаковки, волокна имеют и самый толстый рабочий слой мембраны (относительно всей толщины стенки), поэтому их пропускная способность в пересчете на единицу рабочей поверхности может уступать другим мембранам.  

  

Рис.2. Композитная РА-мембрана в разрезе Рис.3. Рулонный элемент, перед сборкой: 1 – мембрана; 2 – клей; 3 -дренажная прокладка; 4 – трубка для пермеата; 5 – отверстия 
 

   

Плоские мембраны производят в виде пленок (thin film), которые могут быть бесподложечными (однородное вещество), армированными (с тканевой основой и нанесенным пористым материалом) и подложечными (с подложкой из крупнопористого материала и нанесенным рабочим слоем). Современные обратноосмотические мембраны, как правило, тонкопленочные композитные, то есть многослойные, причем каждый слой изготавливается из разных химических соединений. На рис. 2 такая мембрана показана в разрезе. В качестве основы (1) используется нетканое полотно из полистирола. Сверху наносится достаточно толстый слой микропористого полисульфона (2), назначение которого в том, что он должен иметь хорошую проницаемость, но при этом сопротивляться деформации (сжатию) под действием давления. Верхний слой (3) – барьерный – изготавливают из ароматического полиамида (РА, Nylon). 

  

  

  

По способу упаковки плоских мембран различают плоскорамные, диско-модульные и рулонные (Spiral Wound) аппараты. Наиболее распространены рулонные фильтроэлементы, в которых, как следует из их названия, мембраны вместе с дренажными прокладками накручивают на дренажную трубку в виде рулона (см. рис. 3,4). При подаче исходной воды с торца фильтрат движется по спирали и собирается в дренажной трубке, а концентрат выходит с противоположного торца. По плотности упаковки рулонные элементы занимают промежуточное положение между трубчатыми и половолоконными мембранами (см. табл.), обладают удобной геометрией и характеризуются крайне малой толщиной рабочего слоя, что в совокупности обеспечивает им наилучшее сочетание высокой удельной производительности и относительно низкой склонности к загрязнению. 

Мировыми лидерами по производству мембран и мембранных элементов являются фирмы Dow Chemical, Filmtec, Hydranautics, Osmonics (США). 

 

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ 

1. Поток очищенной  воды прямо пропорционален площади  мембраны. 

2. Поток воды через  мембрану тем больше, чем выше  приложенное давление. 

3. Производительность  мембраны тем выше (при прочих  равных условиях), чем тоньше мембрана. Для многослойных мембран учитывают  толщину самого плотного рабочего  слоя.