2.2.2. Ультрафильтрация

В тех случаях, когда мы имеем дело с растворами высокомолекулярных соединений и полиэлектролитов, возникает два обстоятельства, заметно изменяющих условия проведения баромембранного процесса:

1 – осмотическое давление таких растворов очень мало (см. пример 1.3);

2 – размер молекул таких веществ в растворе значительно больше величин d_г.и.для неорганических ионов.

Ясно, что для таких систем можно использовать мембраны с большими порами и в этих случаях толщина слоя связанной воды не будет играть сколько-нибудь важной роли в эффективности процесса разделения. Гораздо более важным становится взаимодействие материала мембраны с растворенным веществом, что проявляется, прежде всего, в адгезии (адсорбции) вещества на мембране.

Во-вторых, для достижения величин проницаемости того же порядка, что и в обратном осмосе, не требуется высоких давлений.

Итак, удельная производительность мембраны удовлетворительно описывается уравнением Пуазейля:

ε ∙ r²

G = -------------- ∙ ∆ P = K_G ∙ ∆ P (2.9)

8 ∙η∙τ∙l

При этом принимаются допущения, что адсорбция и блокирование поверхности мембраны растворенным веществом не происходит.

Задерживающая способность мембраны определяется соотношением R/r, гдеR– размер частицы,r– размер поры, т.е. механизм разделения – обычное просеивание (сито). Если происходит адсорбция растворенного вещества на поверхности и в порах мембраны, это приводит к сужению больших неселективных пор и переводу их в селективные (т.е. к увеличению задерживающей способности), а также к блокированию (мостичному перекрыванию) селективных пор (т.е. к снижению проницаемости мембраны) (рис.2.6).

Рис.2.6. Схематичное представление влияния адсорбции растворенного вещества на параметры ультрафильтрации

2.2.3. Микрофильтрация

Если еще больше загрубить задачу разделения, т.е. перейти от водных растворов к водным коллоидным системам (устойчивые золи, эмульсии, микробные суспензии), то для этого используют микрофильтрацию. Обычно фильтрацией такие системы не разделяются, поэтому микрофильтрация относится к мембранным процессам.

Задерживаемые мембраной субстанции находятся в гетерогенном относительно воды состоянии, т.е. они обладают поверхностью раздела. Охарактеризовать эти частицы можно только их геометрическим размером, понятие осмотического давления к ним не применяется. Взаимодействие с материалом мембраны не описывается в терминах адсорбции, хотя эффекты прилипания за счет гидрофильно-гидрофобного взаимодействия наблюдаются.

Удельная производительность и задерживающая способность мембран описываются теми же уравнениями, что и в случае ультрафильтрации. При неправильном подборе мембран и рабочего давления возможно забивание пор и падение проницаемости вплоть до нуля.

2.2.4. Нанофильтрация

Сравнивая обратный осмос и ультрафильтрацию, мы отмечаем, что высокая задерживающая способность мембран для обратного осмоса сопряжена с необходимостью применять высокие рабочие давления для достижения приемлемой производительности мембран. И наоборот, высокая удельная производительность мембран для ультрафильтрации сопровождается полным отсутствием задерживающей способности по неорганическим ионам.

Попытка совместить полезные свойства мембран обоих типов привела к тому, что на стыке диапазонов существования двух процессов выделился промежуточный диапазон, характеризующийся следующими свойствами:

1 – высокая задерживающая способность по многозарядным ионам;

2 – низкое рабочее давление за счет большого размера пор.

Этот промежуточный процесс назвали нанофильтрацией. Эффект разделения достигается за счет того, что на мембране создается постоянный электрический заряд, отталкивающий от поверхности частицы и ионы, несущие заряд того же знака.

Понятно, что чем больше величина заряда у частицы, тем с большей силой она отталкивается мембраной. Это обстоятельство широко используется для фракционирования смесей. Например, можно задержать над мембраной двухзарядные ионы Са²⁺иMg²⁺, но пропустить ионыNa⁺и К⁺(эффект умягчения воды).