5.4.1. Уплотняющиеся (полимерные) мембраны
К уплотняющимся относятся мембраны, которые под воздействием давления или каких-либо других факторов уплотняются. Эти мембраны отличаются эластичностью, что упрощает их герметизацию в аппаратах. Наибольшее применение получили полимерные мембраны из лиофильных материалов, обладающие высокой удельной производительностью [4].
Мембраны с анизотропной структурой. Их получают обычно из растворов полимеров с различными добавками путем удаления растворителей или предварительно введенных в них добавок в условиях, препятствующих уплотнению полимера вследствие действия капиллярных сил.
Для получения листовых (пленочных) полупроницаемых мембран применяют сухой (спонтанный), мокрый (коагуляционный) и термальный методы.
При сухом методе полимер, например эфир целлюлозы или смесь эфиров, растворяют в растворителях типа ацетона и к этому раствору добавляют соответствующие порообразующие агенты (этанол, бутанол, воду, глицерин и др.). Преимущество мембран, полученных этим методом, – возможность их хранения и транспортирования в сухом виде.
Пористость мембран можно регулировать, изменяя концентрацию и условия испарения растворов (например, температуру), а также вводя соли и другие вещества, растворимые в воде.
Мокрый (коагуляционный) метод формования мембран применительно, например, к мембранам из ацетатов целлюлозы сводится к следующему. Раствор, состоящий из ацетата целлюлозы, растворителя (ацетона и воды) и порообразователя (перхлората магния, иногда формамида), наносят тонким слоем на горизонтальную поверхность, подсушивают несколько минут и затем образующуюся пленку погружают в холодную воду (около 0 °С), в которой выдерживают в течение примерно 1 ч до отслаивания пленки. В начальной стадии формования ацетон быстро испаряется с поверхности раствора полимера и на ней образуется гелеобразный слой, препятствующий удалению растворителя с более глубоких слоев раствора полимера. В дальнейшем этот слой преобразуется в активный. Толщина этого слоя тем меньше, чем больше продолжительность испарения растворителя (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Зависимость толщины активного слоя (δА) и подслоя (δВ)
от продолжительности τ испарения растворителя
При последующей обработке нагретой водой из поверхностного слоя пленки вымывается как растворитель, так и порообразователь.
Термальный метод формования мембран заключается в термической желатинизации смеси полимера и соответствующих пластификаторов, например полигликолей. Компоненты смешивают, расплавляют и охлаждают, получая так называемые термальные гели. При этом растворяющая способность пластификаторов, а следовательно, и степень растворения полимера изменяются с изменением температуры. По мере снижения температуры расплава макромолекулы полимера взаимодействуют и образуют гелеобразную структуру. При этом в результате разделения фаз образуются поры.
Помимо трех основных методов получения пленочных мембран можно использовать также модифицирование промышленных полимерных пленок, например прививку веществ, содержащих гидрофильные группы. В результате увеличения лиофильности полимера сорбция им воды возрастает, и полимер может набухать до состояния геля [4].
Для получения мембран в виде полых волокон применяют следующие методы: сухой, сухо-мокрый, мокрый и метод формования из расплава. Сухой метод применяют для получения полого волокна из раствора пропусканием его через фильеры с последующим удалением растворителя на воздухе или в струе инертного газа. Для образования сквозного канала в волокне используют фильеры с иглой, которая закреплена в центре отверстия фильеры (рис. 5.3а). Вместо иглы иногда используют капилляр (см. рис. 5.3б), через который под давлением подают газ.
Сухо-мокрый метод получения полых волокон отличается от сухого тем, что после удаления на воздухе растворителя из раствора полимер осаждают в воде или в каком-либо другом осадителе с последующим удалением растворителя и образованием активного слоя.
При мокром методе полое волокно формуют в осадительную ванну, минуя стадию удаления растворителя на воздухе. При этом внутрь полого волокна по игле или капилляру подают осадитель (рис. 5.3в), обычно воду.
При формовании (волокон) из расплава используют расплав полимера с различными добавками. По окончании формования через фильеру полое волокно обрабатывают так же, как при сухом или сухо-мокром методах. Следует отметить, что фильеры для формования волокон из расплава наиболее просты по конструкции [4].
Мембраны с изотропной структурой. Эти мембраны получают облучением тонких полимерных пленок заряженными частицами или электромагнитным излучением с последующим травлением химическими реагентами, поэтому их называют ядерными мембранами или «нуклеопорами».
Рис. 5.3. Схемы фильер для формования полых волокон с полупроницаемыми стенками:
а – фильера 1 с иглой 2; б – фильера 1с полой иглой 2 для подачи газа;
в – фильера 1 с полой иглой 2 для подачи осаждающего раствора
Вследствие деструкции молекулярная масса полимера вдоль трека заряженной частицы становится значительно меньше, чем в радиационно неповрежденных местах. Поэтому повышается чувствительность некоторой области полимера к химическому воздействию. Чтобы в результате химического травления щелочью или кислотой образовались сквозные, практически одинакового диаметра поры, следует применять излучение с высокой плотностью ионизации, в частности α-частицами и протонами.
Для большинства полимеров вероятным механизмом образования треков является разрыв химических связей. Заряженные частицы ионизируют и возбуждают макромолекулы полимера разрывом цепей, концы которых обладают высокой химической активностью. Поэтому в дальнейшем при погружении облученной пленки в кислоту или щелочь на месте треков образуются поры.
В настоящее время можно получать ядерные мембраны с порами диаметром от нескольких нанометров до нескольких десятков микрометров. Толщина этих мембран изменяется от одного до нескольких микрометров (обычно около 10 мкм).
Преимущества ядерных мембран: отклонение диаметров пор от номинального значения не превышает 10 %; правильная, практически круглая форма поперечного сечения пор; возможность получения мембран с заранее заданным числом и диаметром пор; возможность использования для изготовления мембран материалов, стойких к агрессивным средам; пассивность в биологическом отношении; устойчивость к воздействию бактерий (они не обладают бактерицидными свойствами); стойкость в условиях термической и химической обработки и др. Поэтому ядерные мембраны очень перспективны для микроаналитических исследований (например, в цитологии и элементном анализе), для фракционирования растворов высокомолекулярных соединений и их очистки. Ядерные мембраны с успехом используют для получения очищенной от бактерий воды в полевых условиях, для изучения размеров и строения клеток крови различных типов (в частности, для выделения раковых клеток из крови) и для других целей.
- Гидравлика и теплотехника
- Оглавление
- 1. Общие положения изучаемой дисциплины 10
- 2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы 22
- 3. Тепловые процессы и аппараты 118
- 4. Массообменные процессы и аппараты 162
- 5. Мембранные процессы 283
- Условные обозначения
- Введение
- 1. Общие положения изучаемой дисциплины
- 1.1. Классификация основных процессов и аппаратов
- 1.2. Кинетические закономерности основных процессов
- 1.3. Общие принципы расчёта химических машин и аппаратов
- 1.4. Применение метода моделирования для исследования и расчета процессов и аппаратов
- 2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы
- 2.1. Физические свойства жидкостей и газов
- 2.2. Основные уравнения покоя и движения жидкостей
- 2.2.1. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера для покоящейся жидкости
- 2.2.2. Практическое приложение уравнений гидростатики
- 2.2.3. Основные характеристики движения жидкостей
- 2.2.4. Уравнение неразрывности (сплошности) потока
- 2.2.5. Режимы движения жидкостей
- 2.2.6. Турбулентный режим
- 2.2.7. Дифференциальные уравнения движения жидкости
- 2.2.8. Дифференциальные уравнения движения Навье-Стокса
- 2.2.9. Уравнение Бернулли
- 2.2.10. Гидродинамическое подобие
- 2.2.11. Гидравлические сопротивления в трубопроводах и каналах
- 2.2.12. Движение тел в жидкостях
- 2.2.13. Движение жидкостей через неподвижные пористые слои
- 2.2.14. Гидродинамика псевдоожиженных слоев
- 2.3. Перемещение жидкостей (насосы)
- 2.3.1. Классификация и области применения насосов
- 2.3.2. Параметры насосов
- 2.3.3. Насосная установка
- 2.3.4. Основное уравнение лопастных машин (уравнение Эйлера)
- 2.3.5. Характеристики центробежных насосов
- 2.4. Сжатие и перемещение газов (компрессоры)
- 2.4.1. Классификация компрессоров
- 2.4.2. Поршневые компрессоры
- 2.4.3. Теоретический и рабочий процесс в поршневом компрессоре
- 2.4.4. Производительность действительного поршневого компрессора
- 2.4.5. Роторные компрессоры
- 2.4.6. Принцип действия, классификация и устройство турбокомпрессоров
- 2.5. Процессы разделения неоднородных смесей
- 2.5.1. Классификация неоднородных систем и способов их разделения
- 2.5.2. Материальные балансы процессов разделения
- 2.6. Осаждение
- 2.7. Фильтрование
- 2.8. Перемешивание в жидких средах
- 3. Тепловые процессы и аппараты
- 3.1. Способы передачи теплоты
- 3.2. Тепловые балансы
- 3.3. Температурное поле и температурный градиент
- 3.4. Передача тепла теплопроводностью
- 3.5. Тепловое излучение
- 3.6. Конвективный теплообмен
- 3.6.1. Теплоотдача
- 3.6.2. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена
- 3.6.3. Подобие процессов теплообмена
- 3.6.4. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении жидкости
- 3.6.5. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния
- 3.7. Сложный теплообмен
- 3.8. Процессы нагревания, охлаждения и конденсации
- 3.9. Теплообменные аппараты
- 3.9.1. Классификация и типы теплообменных аппаратов
- 3.9.2. Расчет теплообменных аппаратов
- 3.9.3. Выбор и проектирование поверхностных теплообменников
- 4. Массообменные процессы и аппараты
- 4.1. Основы массопередачи
- 4.1.1. Общие сведения о массообменных процессах
- 4.1.2. Основные расчетные зависимости массообменных процессов
- 4.1.3. Материальный баланс массообменных процессов
- 4.1.4. Движущая сила массообменных процессов
- 4.1.5. Модифицированные уравнения массопередачи
- 4.1.6. Основные законы массопередачи
- 4.1.7. Подобие процессов переноса массы
- 4.1.8. Связь коэффициентов массопередачи и массоотдачи
- 4.1.9. Массопередача с твердой фазой
- 4.2. Абсорбция
- 4.2.1. Равновесие при абсорбции
- 4.2.2. Материальный, тепловой балансы и кинетические закономерности абсорбции
- 4.2.3. Принципиальные схемы абсорбции
- 4.2.4. Конструкции колонных абсорбционных аппаратов
- 4.2.5. Десорбция
- 4.3. Перегонка жидкостей
- 4.3.1. Идеальные и неидеальные смеси
- 4.3.2. Простая перегонка
- 4.3.3. Ректификация
- 4.3.4. Ректификация многокомпонентных смесей
- 4.3.5. Тепловой баланс процесса ректификации
- 4.3.6. Специальные виды перегонки
- 4.3.7. Устройство ректификационных аппаратов
- 4.4. Экстракция
- 4.4.1. Жидкостная экстракция
- 4.4.2. Равновесие при экстракции
- 4.4.3. Материальный баланс экстракции
- 4.4.4. Кинетические закономерности процесса экстракции
- 4.4.5. Принципиальные схемы процесса экстракции
- 4.4.6. Конструкции экстракторов
- 4.5. Адсорбция
- 4.5.1. Равновесие в процессах адсорбции
- 4.5.2. Промышленные адсорбенты
- 4.5.3. Конструкции адсорбционных аппаратов и методы проведения адсорбционно-десорбционных процессов
- 4.6. Сушка
- 4.6.1. Равновесие в процессах сушки
- 4.6.2. Конструкции сушилок и области их применения
- 4.6.3. Материальный и тепловой балансы сушки
- Количество влаги, удаляемой в сушилке:
- 4.7. Кристаллизация и растворение
- 4.7.1. Общие сведения
- 4.7.2. Равновесие при кристаллизации
- 4.7.3. Кинетика процесса кристаллизации
- 4.7.4. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации
- 4.7.5. Материальный и тепловой балансы кристаллизации
- 4.7.6. Кристаллизаторы
- 5. Мембранные процессы
- 5.1 . Процессы мембранного разделения смесей. Сущность процесса мембранного разделения смесей
- 5.2. Кинетика процессов мембранного разделения смесей
- 5.3. Влияние различных факторов на мембранное разделение
- 5.4. Мембраны
- 5.4.1. Уплотняющиеся (полимерные) мембраны
- 5.4.2. Мембраны с жесткой структурой
- 5.4.3. Жидкие мембраны
- 5.5. Физико-химические основы мембранных процессов
- 5.6. Баромембранные процессы
- 5.7. Диффузионно-мембранные процессы
- 5.8. Электромембранные процессы
- 5.9. Термомембранные процессы
- 5.10. Расчет мембранных процессов и аппаратов
- 5.11. Мембранные аппараты
- Библиографический список
- Гидравлика и теплотехника