4.5.4. Композитные мембраны на неорганических носителях
Как правило, УТС на таких мембранах выполнен тоже из неорганического материала, поскольку иначе химические и физические свойства разделительного слоя и основы сильно различаются.
В качестве материала для носителей обычно выбирают металл или керамику, полученные, как правило, спеканием порошков. Эти основы наиболее прочные. УТС выполняют из керамики, графита или металлических сплавов. Сочетания здесь возможны любые, рассмотрим некоторые из них.
1. Пористую основу композитной газоразделительной мембраны получают анодным окислением алюминиевой фольги с образованием перпендикулярных поверхности фольги пор после вытравливания их щавелевой кислотой. После промывки и высушивания на основу методом катодного напыления наносят сплав палладия с 6%масс. рутения. Образованный УТС куполообразно покрывает пористую структуру основы (рис.4.56). Размер пор основы - 0,06 мкм, толщина УТС - 0,2 мкм. При более высокой проницаемости таких мембран по сравнению со сплошными металлическими расход дорогостоящего металла уменьшен во много раз.
2. Пористую основу выполняют из оксидной керамики (А12О3) по обычной технологии, а УТС - из графита или окиси графита. Разделительный слой более гидрофилен, чем чисто керамический, в то же время мембрана имеет механическую прочность керамики.
3. Пористая основа также выполнена из корунда, а разделительный слой - из волокнистого карбида кремния. Такая структура УТС (хаотически расположенные иголки карбида кремния) имеет заметно большую пористость и, соответственно, проницаемость, механическая же прочность сохраняется.
Рис. 4.56. Электронно-микроскопический снимок композитной мембраны из анодного оксида алюминия (основы) и из палладий-рутениевого сплава (УТС)
4. В последние годы возникли новые мембранные продукты, которые фактически являются композитными и выполнены из металла и керамики. Задача разработчиков была в использовании полезных свойств этих материалов и в максимально возможном исключении недостатков. Структура мембран следующая: на пористых металлических основах (нержавеющая сталь, другие металлы) размещен тонкий керамический слой (оксидная керамика, даже нитридная, что практически невозможно для обычных керамических мембран). Особенностью новых мембран является пластичность (деформируемость) керамического слоя. В основе этого явления лежит известное свойство пластичности нанокерамических материалов. Это связано с иным механизмом деформации материалов, имеющих нанокристаллическую сверхмелкодисперсную структуру.
Причиной деформируемости зернистых материалов является наличие дефектов кристаллической структуры и в первую очередь наличие носителей пластических дислокаций. Если рассмотреть две крайних точки - атом железа и кристалл железа, то где-то между ними находится структура, являющаяся граничной между пластичностью и хрупкостью. Точно так же меняются и магнитные свойства железа: сверхмелкие частицы железа парамагнитны и никогда не приобретут ферромагнитных свойств в силу уже того, что они меньше наименьшего магнитного домена.
Соответственно, если размер дислокационной петли больше размера частицы, частица не участвует в создании хрупкости, как общего свойства материала. Деформация, как волна на ткани, может распространяться по длине материала, при этом внутренней деформации между частицами не происходит.
Мембраны, выполненные из нанокерамики, обладают всеми свойствами материала - химической, коррозионной и радиационной стойкостью. Нержавеющая сталь - привычный в любой отрасли материал. Кроме того, появляются новые для мембран методы обработки - сварка, пайка.
Технология мембран следующая. Обычные порошки нержавеющей стали проходят термообработку для придания им пластичности, затем следует холодная прокатка в пластины и спекание. Далее на пористую металлическую подложку наносят слой керамической суспензии. Сушат его и вновь спекают. На этой стадии имеются возможности варьировать размер пор и общую пористость.
На двухслойную мембрану можно нанести третий нанопористый слой. Обычно это делают стандартным золь-гель методом, который имеет ряд присущих ему недостатков. Используя свойства мембран "Трумем", можно модифицировать метод. Речь идет о проведении золь-гель процесса в электрическом поле, когда один из электродов расположен под мембраной. И тогда появляется возможность ускорить или остановить процесс, изменить рН в приповерхностном слое.
Толщина УТС в мембранах "Трумем" - 10-20 мкм, поэтому удельная производительность их очень высока - 3000-4000 л/м2час по чистой воде. Мембраны могут быть выполнены микро и ультрафильтрационного класса.