Классификация мембран

«Мембрана – различный образом упорядоченная фаза, разделяющая две другие фазы и действующая как селективный барьер в процессе переноса вещества между этими фазами.

Из этого определения можно сформулировать признаки, по которым характеризуют мембрану.

1. Процесс разделения, для которого мембрана предназначена, т.е. какие фазы она разделяет. По этому признаку можно все мембранные процессы расположить в три группы:

- жидкофазные (баромембранные, диализ, электромембранные);

- газофазные (диффузионно - мембранные);

- фазоинверсионные (первапорация, мембранная дистилляция, мембранная экстракция);

2. Материал мембраны, т.е. чем образована фаза самой мембраны. Этот признак – основная причина огромного разнообразия мембран. Выделяются следующие группы:

- материалы биологического происхождения (стенки внутренних органов, клеточные оболочки);

- полимеры растительного происхождения (целлюлоза, продукты ее модификации);

- полимеры синтетические;

- силикатные стекла;

- металлы (чистые и сплавы);

- углеродные материалы (графит, сажа);

- керамические материалы (оксиды, карбиды, нитриды и другие соединения металлов);

- водонерастворимые жидкости (углеводороды, липиды, ПАВ и др.);

- комбинированные или композиционные материалы (полимер - полимер, керамика - графит, керамика - металл, жидкость - полимер);

3. Внутренняя структура мембраны, т.е. как упорядочена мембранная фаза и что обеспечивает ее селективные свойства. По этому признаку выделяются три типа мембран: пористые, сплошные (непористые) и сплошные с паромным эффектом (рис. 1.1).

Рис. 1.1 - Схематичное изображение трех типов мембранных структур

С точки зрения внутренней структуры мембраны дополнительно разделяются на изотропные и анизотропные. У первых все свойства сохраняются по толщине пленки, у вторых они существенно различаются в тонком слое на поверхности и в остальном объеме – плотность, размер пор.

4. Способ изготовления мембраны, т.е. технологические приёмы упорядочения мембранного материала. Для каждой группы материалов используют свои способы.

1) Полимерные мембраны:

- полив на гладкую поверхность и разравнивание в виде пленки раствора или расплава полимера;

- формование выдавливанием через фильеру раствора или расплава полимера;

- формование пленки распылением раствора на подложку, окунанием подложки в раствор;

- выщелачивание из пленки материала для формирования пор;

- химическая, механическая или физико-химическая модификация предварительных заготовок.

2) Металлические мембраны:

- литье из расплава, прокатка, вытяжка;

- использование технологии порошковой металлургии;

- прессование металлических волокон (войлок).

3) Керамические и углеродные мембраны:

- приготовление формовочных смесей из порошкообразных материалов и их экструзия;

- золь – гель технология из водных растворов солей.

4) Стеклянные мембраны:

- экструзия из расплава шихты.

5) Композиционные мембраны:

- полимеризация мономера на поверхности из другого материала;

- склеивание двух слоев;

- формование любым из перечисленных способов одного слоя на поверхности другого;

- осаждение из раствора частиц одного материала на поверхность другого;

5. Внешняя форма мембраны, которая определяет аппаратурное оформление процесса массопереноса. Можно выделить:

- плоская мембрана (полотна, листы, ленты);

- трубчатая мембрана (цилиндры диаметром 5 - 15 мм и длиной до 2 м);

- капиллярная мембрана (тонкие трубочки диаметром до 2 мм бесконечной длины);

- волоконная мембрана (полое волокно диаметром 20 - 300 мкм и бесконечной длины).

Все эти пять признаков являются основными. В каталогах фирм – производителей

мембран обычно не указывают абсолютно все признаки, сохраняя некоторые технологические секреты» [11]. Но к обозначению мембран всегда добавляют цифровые индексы, которые обозначают:

- номер разработки;

- для обратноосмотических мембран – задерживающую способность по 0,5%-му раствору NaCl;

- для ультрафильтрационных мембран – иногда средний размер пор, но чаще – величину молекулярной массы соединений, ещё задерживаемых мембраной.