Мембраны для обратного осмоса структура

Знание структуры полупроницаемых мембран имеет большое значение при решении задач разработки количественной теории мембранных процессов и их успешной реализации. Поскольку пористые мембраны наиболее перспективны для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации, то целесообразно подробнее рассмотреть основные методы определения пористости, размера и распределения пор для этого типа мембран. [c.91]

Пористые мембраны нашли широкое применение прежде всего в процессах обратного осмоса, микро- и ультрафильтрации, реже-для разделения газов. Они имеют как анизотропную, так и изотропную структуру. Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный тонкопористый слой толщиной 0,25-0,5 мкм (называемый активным, или селективным), представляющий собой селективный барьер. Компоненты смеси разделяются именно этим слоем, располагаемым со стороны разделяемой смеси. Крупнопористый слой толщиной примерно 100-200 мкм, находящийся под активным слоем, является подложкой, повышающей механическую прочность мембраны. Мембраны с анизотропной структурой характеризуются высокой удельной производительностью, более медленной закупоркой пор в процессе их эксплуатации. Срок службы этих мембран определяется главным образом химической стойкостью материала мембран в перерабатываемых средах. Для мембран с изотропной структурой характерно быстрое снижение проницаемости вследствие закупорки пор коллоидными или взвешенными частицами, часто содержащимися в разделяемых растворах. [c.315]

В других случаях влияние особой структуры гидратных слоев на образование нерастворяющего объема и зависящие от него явления четко проявляются. Так, от него зависит понижение концентрации солей при прохождении их водного раствора через мембрану, служащую для опреснения воды [16]. Необходимо, однако, показать, что эффект нельзя свести к диффузности ионных атмосфер. Для его оценки рассмотрим протекание раствора электролита через плоскопараллельную щель любой толщины, для общности учтя эффект покрытия ионных атмосфер (это тем более необходимо, что для эффективного обратноосмотического понижения концентрации необходимо применять мембраны с весьма узкими порами). Эта задача была решена в работе [16], где установлена роль структурного эффекта в обратном осмосе. [c.18]

Мембраны подразделяются на пористые и диффузионные. Пористые мембраны нашли широкое применение в процессах обратного осмоса, микро- и ультрафильтрации. Они имеют как анизотропную, так и изотропную структуру. [c.375]

Связь селективности и проницаемости мембраны со структурой электролита. Как было показано выше, между характеристиками разделения и гидратацией выявлена следующая взаимосвязь селективность и проницаемость коррелируются с теплотами гидратации или с кристаллографическим радиусом и зарядом ионов. Установленные зависимости позволяют решать обратную задачу находить отдельные параметры, характеризующие структуру растворов, путем экспериментов по обратному осмосу. [c.119]

При расчете концентрации ионов Н+ по обе стороны границы использовали способы расчета профилей концентрации ионов в граничных слоях и представления об ионном переносе в активном слое мембраны для обратного осмоса. Можно дать следующее объяснение наблюдаемой корреляции е и АрН. Ионы Н+ и ОН оказывают различное структурирующее воздействие на воду причем избыток ионов Н+ упрочняет структуру воды больще, чем избыток ионов ОН-, поскольку обладает большей свободной энергией гидратации. Поэтому при ДрЯ <0 (ионов Н+ больше в порах активного слоя) градиент структурированности воды на границе исходного раствора и мембраны больше, чем при АрН >0 (в порах активного слоя больше ионов ОН-, чем в разделяемом растворе на границе с мембраной). Это, в свою очередь отражается на значении е, связанном с энергией перестройки вторичной гидратной оболочки иона. Более конкретное объяснение, наверное, можно получить из целенаправленных экспериментов по изучению свойств граничных слоев воды на гидрофильных поверхностях в растворах электролитов. [c.128]

Поскольку данное выше определение является грубым и несколько условным, не все известные мембраны и мембранные структуры будут охвачены. Этот подход использован ради простоты, поскольку в нем могут быть более полно поняты основные принципы. От одного типа мембран к другому нет резкого перехода. Мембраны для обратного осмоса, например, могут считаться переходными между пористыми и непористыми мембранами. [c.90]

Для концентрирования или очистки разбавленных (водных) растворов широко используются мембранные процессы, осуществляемые под действием перепада давления, или баромембранные процессы. Размер частицы или молекулы, а также химические свойства растворенного вещества определяют структуру мембраны, т. е. размер пор, их распределение по размеру, которые необходимы для разделения данной смеси. Различные мембранные процессы можно классифицировать по размером разделяемых частиц растворенного вещества и, следовательно, по структуре используемых мембран. К таким процессам относятся микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос. Схема этих трех процессов приведена на рис. У1-2. [c.283]

Можно охарактеризовать различные процессы по структуре мембран. При микрофильтрации вся толщина мембраны дает вклад в сопротивление транспорту, особенно при использовании симметричных пористых мембран. Толщина мембраны может варьировать от 10 мкм до 150 мкм и более. При ультрафильтрации и обратном осмосе используются асимметричные мембраны, в которых тонкий, относительно плотный верхний слой (толщиной 0,1-1,0 мкм) нанесен на подложку с пористой структурой (толщиной 50-150 мкм). Гидравлическое сопротивление практически полностью локализуется в верхнем слое, тогда как нижний слой выполняет лишь функцию подложки. Поток через эти (и другие) мембраны обратно пропорционален эффективной толщине, а поскольку мембраны обладают асимметричной структурой с толщиной верхнего слоя менее 1 мкм, такие мембраны могут представить интерес с экономической точки зрения. Сравнение различных процессов дано в табл. У1-4. [c.284]

Композиционные мембраны составляют второй тип структур, часто используемых для обратного осмоса. В таких мембранах верхний рабочий слой и расположенная под ним подложка состоят из разных полимерных материалов, что позволяет оптимизировать каждый слой по отдельности. Первой стадией получения композиционной мембраны является приготовление пористой подложки. Важными характеристиками подложки являются ее поверхностная пористость и распределение пор по размерам. В качестве подложки часто используют ультрафильтрационные мембраны. Существуют различные методы нанесения тонкого плотного слоя поверх подложки [c.302]

Размер пор в мембранах играет очень важную роль и, наряду с другими особенностями структуры, а также характером взаимодействия ионов, воды и материала мембраны, определяет область применения мембран. Так, характерный размер пор мембран для обратного осмоса составляет 0,2-2 нм, для диализа - 2-5 нм, для ультрафильтрации 5-50 нм и для микрофильтрации 100-5000 нм [118-121]. [c.38]

Скорость диффузии растворенного вещества с большой молекулярной массой (>500) в раствор низка и значительно меньше скорости диффузии электролита. Поэтому влияние концентрационной поляризации на процесс ультрафильтрации намного сильнее, чем на процесс обратного осмоса. Концентрация у поверхности мембраны при ультрафильтрации может достигнуть такого значения, что на мембране может образоваться слой геля, который резко снижает скорость процесса. Для того чтобы повысить скорость ультрафнльтрации, приходится интенсивно перемешивать раствор или прокачивать его с большой скоростью (до 3—5 м/с) над мембраной. Однако в ряде случаев такой путь оказывается непригодным, так как приводит к резкому повышению расхода энергии на циркуляцию раствора, недопустимому повышению температуры раствора, разрушению структуры некоторых биополимеров и т. п. В этих случаях более рациональным может оказаться применение турбулизирующих вставок. [c.174]

ГИПЕР- И УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННЫЕ МЕМБРАНЫ, применяют для разделения р-ров методом обратного осмоса или ультрафильтрации. Наиб, распространены полимерные мембраны в виде пленок, полых нитей и тонких покрытий, нанесенных на подложки, имеющие форму листов или полых цилиндров. Гиперфильтрац. пленочные мембраны имеют асимметричную структуру, причем плотный (активный) слой, занимающий 0,1—0,3% ее толщины, обращен к разделяемой системе и обеспечивает задерживание растворенных в-в (напр., Nad) проницаемость 0,05—0,1 м / (м -сут-МПа) при селективности до 99%. Плотность упаковки в разделит, аппарате до 1000 м /м . Полые нити имеют внеш. диаметр 40—200 мкм, толщину стенки ок. 25% от него проницаемость 0,02—0,06 м /(м <суТ МПа) [c.135]

Концентрация растворенных в-в в р-ре-важный фактор, определяющий не только характеристики мембран, но и возможность применения всех баромембранных процессов, в т. ч. обратного осмоса. Последний эффективно используют обычно при концентрациях электролитов в р-рах от 5 до 20% по массе. Для р-ров орг. соединений интервал концентраций шире и определяется размерами молекул в-ва, их строением н степенью взаимод. с материалом мембраны. От концентрации растворенных в-в зависит также способность мн. из них, напр. 2пС12 и перхлоратов, к сольватации (в случае водных р-ров-к гидратации), к-рая нарушает структуру мембран вследствие их обезвоживания и приводит к снижению осн. характеристик. [c.24]

Опреснение воды с применением обратного осмоса (гиперфильтрации) происходит без фазовых превращений, энергия при этом в основном расходуется на создание давления исходной воды — среды практически несжимае -мой. Осмотическое давление растворов, близких по составу к природным водам, даже при их небольшой минерализации достаточно велико, например для морской воды, содержащей до 3,5% солей, оно составляет примерно 2,5 МПа. В установках по опреснению рекомендуется поддерживать рабочее -давление 5,0—10,0 МПа и выше, так как производительность их определяется разностью между рабочим и осмотическим давлением. Особенностью устано вок обратного осмоса является простота их конструкции и эксплуатации. Основные узлы этих установок — устройства для создания давления (насосы) и разделительные ячейки с полупроницаемыми мембранами. Мембраны, приготовляемые по специальной прописи из смеси ацетатцеллюлозы, ацетона, воды, перхлората магиия и соляной кислоты (соответственно 22,2 66,7 10,0 1,1 0,1% по массе), позволяют снижать концентрацию хлорида натрия в воде с 5,25 до 0,05% и имеют проницаемость 8,5—18,7 л/(м ч) при рабочем давлении 10,0—14,0 МПа срок их службы не менее 6 мес. Активная часть мембран — плотный поверхностный слой толщиной 0,25 мкм с очень мелкими порами, не видимыми в электронный микроскоп. Этот слой соединен с губчатой крупнопористой структурой (поры 0,1 мкм) толщиной 250 мкм, обеспечивающей механическую прочность мембраны и являющейся подложкой селективного поверхностного слоя. Поиск способов приготовления мембран продолжается, так как по предварительным расчетам обратный осмос при повышении проницаемости мембран до 5 м /м в сутки сможет конкурировать с другими способами опреснения воды. [c.674]

Впервые проницаемость пленок на основе ПС и АБС-мате-риала, содержащих микротрещипы, была обнаружена в [238]. В этой работе пленки полимеров нагружали в воде, после чего измеряли их проницаемость. Было показано, что проницаемость получаемых материалов сравнима с проницаемостью лучших мембран для обратного осмоса. Пористая структура полученной таким образом мембраны устойчива лишь в температурной области ниже температуры стеклования. По достижении полимером температуры стеклования микротрещины полностью залечиваются и его проницаемость падает до нуля. На этом явлении основан одпн нз методов определения температуры стеклования полимеров [239]. [c.170]

Среди мембранных процессов важное место занимают баромембранные— обратный осмос, ультрафильтращм и микрофильтрация [48]. Практическую значимость эти процессы приобрели после создания анизотропных мембран, состоящих из тонкого активного микропористого слоя, благодаря которому происходит разделение и толстого пористого слоя, обеспечивающего механическую прочность мембраны. При такой структуре проницаемость на один-два порядка выше, чем в случае изотропных мембран. [c.37]

При получении мембран для обратного осмоса в безэлект-родном тлеющем разряде из паров мономера большое значение имеют следующие факторы устойчивость материала подложки в плазме, размер пор и сорбционные характеристики пористой подложки, давление в системе. Значение первого фактора особенно важно, когда используются подложки из полимерного материала. В тлеющем разряде все полимеры в той или иной степени разлагаются. Получаемые при этом газовые продукты могут участвовать в процессе плазменной полимеризации мономера, что часто недопустимо из-за ухудшения характеристик мембраны. Наиболее чувствительны к плазме полимеры, которые содержат структуры и группы гидрофобных мономеров. [c.27]

Мембраны для обратного осмоса, полученные плазменной полимеризацией, имеют следующие особенности стабильное-увеличение селективности и проницаемости в течение длительного времени (рис. 1-7 [32]), отличные характеристики при сравнительно высокой концентрации исходного раствора. Исследования с помощью сканирующего электронного Б,лЦм --, <р,% микроскопа не обнаружили каких-либо различий в структуре поверхности плаз- 51 менных мембран, которые в течение двух недель находились на воздухе или в 3,5%-ном растворе Na l. [c.27]

На рис. 4-15 представлены результаты опытов по концентрированию водного раствора капролактама. Для данной системы селективность не зависит от концентрации во всем интервале ее изменения. С увеличением концентрации проницаемость снижается в результате уменьшения движущей силы процесса вследствие повышения осмотического давления раствора. Постоянство селективности обусловлено, по-видимому, тем, что с изменением концентрации капролактама структура раствора не изменяется, а следовательно не изменяется и примембранный слой, который оказывает определяющее влияние на селективность процесса разделения обратным осмосом. Это подтверждается рис. 4-16, на котором зависимость Х2=1(Х1) экстраполируется в начало координат. Кроме того, это свидетельствует о том, что в системе капролактам — вода оба компонента смеси обладают способностью сорбироваться на поверхности мембраны. Наклон этой прямой характеризует их относительную способность к сорбции. [c.90]

На разделение спиртовых растворов обратным осмосом с использованием ацетатцеллюлозных мембран влияют одновре-тменно полярные и неполярные (гидрофобные) свойства молекул растворителя и растворенного вещества (см. гл. 5). Неполярными свойствами молекул можно пренебречь, если молекулярная структура растворенного вещества включает цепочку, Содержащую не более трех атомов углерода, не ассоциированных с полярной функциональной группой. Так как параметр полярности Тафта а для замещенных групп в молекуле спирта меньше, чем для воды, полярный эффект будет способствовать преимущественной сорбции воды на поверхности мембраны, в то время как неполярный эффект снижает ее. Если неполярный эффект значительно больше полярного, возможно изменение знака сорбции воды на отрицательный. Это приведет к тому, что на поверхности мембраны будет сорбироваться растворенное вещество. [c.165]

Уместно отметить, что для изучения механизма обратного осмоса и ультрафильтрации перспективно использование мембран с жесткой структурой (например, из микропористого стекла) и с небольшими отклонениями по размеру пор (например, мембраны типа Нуклеопор ). [c.202]

Установлено, что полимерные пленки, выпускаемые промышленностью для ультрафильтрации, ионного обмена [158, 169, 170], а также мембраны из коллодия, желатины, целлюлозы и других материалов [171, 1721 не пригодны для обратного осмоса. Полупроницаемые мембраны, полученные Рейде и Спенсером 11731, имеют хорошую селективность, но малую проницаемость (0,4 л/м ч при давлении 40 ат). Мембраны, приготовляемые по специальной прописи из смеси ацетатцеллюлозы, ацетона, воды, перхлората магния и соляной кислоты (соответственно 22,2 66,7 10,0 1,1 и 0,1 весовых процента), позволяют опреснять воду с 5,25 до 0,05% Na l и имеют проницаемость 8,5—18,7 л м ч при рабочем давлении 100—140 ат [158, 1741, срок их службы не менее 6 месяцев [1751. Электронно-микроскопические исследования этих мембран [176—1781 показали, что их активная часть — плотный поверхностный слой толщиной 0,25 мк с очень мелкими порами, которые не представилось возможности обнаружить. Он соединен с губчатой крупнопористой структурой (поры 0,1 мк) толщиной 250 мк, обеспечивающей механическую прочность мембраны и являющейся подложкой селективного поверхностного слоя. Изыскания способов приготовления мембран продолжаются [159, 160, 179—191], так как, по предварительным расчетам 11921, обратный осмос может стать конкурентноспособным с другими способами опреснения воды при повышении проницаемости мембран до 5 м 1м в сутки. [c.415]

Несколько научно-исследовательских коллективов занимаются физи-ко-химическими и гидродинамическими аспектами обратного осмоса. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты в МХТИ им. Д.И. Менделеева (Ю.И. Дытнерский, Р.Г. Кочаров и др.), в институте физической химии АН СССР (Н.В. Чураев и др.), ИКЮСВ им. А.В. Думанского (С.С. Духин), Научно-исследовательском физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова (С.Ф. Тимашев), ЛГУ им. A.A. Жданова (Д.А. Фридрихсберг и др.). Построены математические модели процесса обратного осмоса, связывающие задерживающие способности полупроницаемых мембран с их структурой, свойствами материала мембраны, раствора и внешними параметрами процесса. Исследовано влияние гидродинамических условий в обратноосмотических аппаратах на эффективность процесса. [c.10]

Выбор направления работ по улучшению свойств полупроницаемых мембран и развитию метода обратного осмоса во многом зависит от представлений на процессы, протекающие при изготовлении мембран, на механизм разделения растворов обратным осмосом. Примером, иллюстрирующим роль теоретических представлений, является обсуждение вопроса о назначении различных компокентов формовочных растворов, из которых изготавливают мембраны, о структуре асимметричных ацетилцеллюлозных мембран, о природе их асимметрии. [c.18]

Величина потока через мембрану является столь же вгьжной характеристикой, как селективность по отношению к различным типам растворенного вещества. Если выбор материала для мембраны основывался на характеристических разделительных свойствах, поток через приготовленную из этого материала мембрану можно улучшать за счет уменьшения толщины мембраны. Поток приблизительно обратно пропорционален толщине мембраны, поэтому большинство мембран обратного осмоса выполняются как асимметричные с плотным верхним слоем (толщиной до 1 мкм) и нижележащей пористой подложкой (толщиной 50-150 мкм). Сопротивление транспорту в такой мембране определяется в основном плотным верхним слоем. Различают два типа мембран с асимметричной структурой 1) интегральные или асимметричные мембраны и 2) композиционные мембраны. [c.300]

С увеличением перепада рабочего давления через мембрану возрастает движущая сила обратного осмоса и увеличивается удельная производительность мембран. Однако при высоких давлениях полимерные мембраны подвергаются уплотнению, которое при определенном давлении, зависящем от структуры мембраны, может нейтрализовать эффект, связанный с повышением движущей силы. Кроме того, при высоких давлениях мембраны быстрее загрязняются взвешенными в растворе микрочастицами, поскольку в этих условиях загрязняющим частицам легче внедриться в поры мембраны, а на поверхности мембраны образуется более плотный осадок задержанных. 1икрочастиц. Практика применения обратного осмоса показывает, что в условиях длительной эксплуатации оптимальный перепад давления для полимерных плоских мембран составляет 5—6 МПа, а для мембран в виде полых волокон — 2—3 МПа. [c.321]

Эти явления были известны давно. Много исследований в этой области выполнено Солнером [G49, S51, 64, 75, 76, 84], который измерял аномальный осмос, сравнивая скорости движения жидкости через заряженные мембраны, разделяющие воду и раствор электролита, со скоростями потоков, получающимися при использовании растворов неэлектролитов сравниваемой концентрации. Такие динамические методы необходимы ввиду того, что измерение давления в статической системе почти невозможно, так как диффузия электролита через мембрану препятствует наступлению равновесия. Как показали Дрей и сотр. IS75J, Гримм и Солнер [G49], лучшим методом опраделения величины аномального осмоса является применение в двух сериях поточных измерений с одним и тем же раствором электролита мембраны, которой можно придать обратный знак заряда и которая не изменяет геометрическую структуру при переходе от заряженного к незаряженному состоянию. Поскольку с незаряженной мембраной наблюдается только нормальный осмос, разница между двумя скоростями составляет аномальную часть потока. [c.116]