4.6.3.Физико-механические характеристики мембран
1. Толщина мембраны
Толщина мембраны контролируется в процессе ее изготовления и определяется природой самого материала и условиями изготовления мембраны. Толщину готовой мембраны измеряют специальным прецизионным микрометром.
Толщина пленки, если она работает как мембрана, не влияет существенно на ее технологические свойства в баромембранных процессах при наличии анизотропии. Но она очень важна в диффузионных процессах, где анизотропии не создают. Толщина большинства пористых мембран находится в интервале 50-150 мкм. Трековые мембраны более тонкие - 50-100 мкм. Для сравнения, толщина фильтровальной бумаги Ватман № 1-180 мкм.
Как правило, после эксплуатации толщина полимерной мембраны уменьшается (усадка). Это происходит из-за необратимой через некоторое время деформации структуры. При этом меняются технологические свойства мембраны, в основном падает удельная производительность. Это нужно учитывать в расчетах и научных экспериментах. Желательно заранее проводить усадку мембран выдерживанием под давлением.
2.Механическая прочность
Количественной оценкой этого свойства является модуль или напряжение разрыва. Исследование образцов ведут на специальных разрывных машинах. При этом определяется и относительная упругая деформация. Кардинальным способом улучшения этой характеристики мембран является их армирование.
Иногда изучают стойкость мембран к двухосной деформации. Изучение проводят на приборах, принцип действия которых основан на растягивании газом или жидкостью резиновой перемычки, закрепленной по периметру вместе с исследуемым образцом. Прочность характеризуется либо давлением разрушения, либо прогибом до разрушения.
Часто определяют сопротивление раздиру - т.е. усилие, необходимое для разрыва предварительно надрезанного образца.
Очень важна стойкость материала к многократным деформациям. Метод оценки основан на определении числа циклов двойного изгиба с постоянной частотой и амплитудой до разрушения образца.
К сожалению, в проспектах механические свойства мембран не указывают, и, прежде всего, из-за отсутствия унификации методов и приборов.
3.Анизотропия мембран
Это свойство мембран оценивается степенью анизотропности (СА), т.е. отношением среднего размера пор на подложке и на разделительном слое. Грубо это можно оценить по размеру пятен красителя при прикосновении капилляра с красителем к обеим сторонам мембраны. У сильно анизотропных мембран СА >> 5.
4.6.4.Технологические свойства мембран
1. Удельная производительность (проницаемость)g.
Эта характеристика измеряется в следующих единицах: кг/м2с, моль/м2с, м3/м2с, л/м2ч и т.д. Иногда пользуются коэффициентом проницаемости -КG: кг/м2с Па, л/м2ч МПа.Удельную производительность мембран определяют по стандартным растворам или по чистой воде на установке, схема которой представлена нарис.4.71.Нарис.4.72показаны испытательные ячейки этой установки.
Удельная производительность очень чувствительна к условиям проведения испытания, зависит от конструкции ячейки, от скорости раствора над мембраной, от материала и характеристик дренажной подложки. Для точного определения G часто целесообразно проводить испытания на реальных смесях, а не заниматься теоретическими разработками пересчета с одной системы на другую.
Удельная производительность зависит и от предварительной обработки мембран -промывки и особенно гидрофилизации (спиртами или растворами ПАВ).
Паспортная характеристика мембран - это всегда начальная производительность, т.е. без учета усадки, что обязательно надо иметь ввиду.
Рис.4.71. Схема установки для испытания мембран: 1-емкость с исходным раствором; 2-манометры; 3-регулирующий вентиль;
4-ячейка для испытания; 5-приемник
пермеата; 6-насос высокого давления;
7-ресивер; 8-запорные вентили
Рис.4.72. Схема ячеек для испытания пленок (а) и полых волокон (б): 1-штуцер для подачи исходного раствора; 2-штуцер для отвода концентрата; 3-верхняя крышка ячейки; 4-корпус ячейки; 5-штуцер для отвода пермеата; 6-мембрана (полое волокно); 7-пористая подложка; 8-дренажная сетка; 9-прокладка.
Усадка мембран определяется исключительно ее структурой и свойствами материала.
Надо учесть, что усадка мембраны зависит от приложенного давления из-за сопротивления материала давлению. Иногда этим пользуются для введения количественной оценки усадки - коэффициента стабильности мембраны Кст:
G(P1)
KСТ= ——— (4.32)
G(P2)
Для жестких мембран
G(P1)∆Р1 - ∆π
KСТ= ——— = ———— =const(4.33)
G(P2) ∆Р2 - ∆π
Для полимерных мембран
∆Р1 - ∆π
KСТ= ———— ≠const(4.34)
∆Р2 - ∆π
Общий срок службы мембран называется ресурс работы. Он зависит от загрязненности раствора, от химической стойкости мембран, но и от их усадки. Если усадка определяет ресурс работы, мембрану надо заменить на другой тип.