|
Современные обратноосмотические и нанофильтрационные мембраны представляют собой либо анизотропные мембраны на основе ацетатов целлюлозы или полиамида, либо композитные с разделительным слоем из ароматического полиамида, нанесенным на подложку из полисульфона.
Первые обратноосмотические мембраны появились в 1963 г . и были выполнены из ацетата (и триацетата) целлюлозы. Огромная заслуга в их разработке принадлежит С. Лоебу и С. Сурираджану. К достоинствам ацетатцеллюлозных мембран относятся их высокая прочность, простота технологии изготовления, высокая стойкость к воздействию сильных окислителей (например, до 5 мг/л свободного хлора). К недостаткам можно причислить склонность к гидролизу, ограниченный диапазон рабочих значений рН (на практике они способны стабильно работать только в диапазоне рН от 4 до 7).
Обратноосмотические мембраны для домашних систем очистки воды (Filmtec 1812-50)
Обратноосмотические мембраны для промышленных систем
Из целого ряда исследованных и разработанных материалов наиболее успешной альтернативой ацетатцеллюлозным являются полиамидные мембраны. Они превосходят ацетатцеллюлозные мембраны по всем показателям, уступая им только в стойкости к воздействию сильных окислителей, например, хлора, т.к. при контакте с водой, содержащей окислители, полиамидные мембраны подвержены необратимому разрушению.
НПК "Медиана-фильтр" представляет современные системы очистки воды и водоподготовки:
Как отмечалось выше (глава 3), добиться резкого улучшения показателей удалось, перейдя к композитным мембранам с тонким разделительным слоем. Наилучшие характеристики обеспечиваются тонкопленочными композитными мембранами (ТПК) на основе полиамида. Так, для тонкопленочных композитных мембран из полиамида по сравнению с анизотропными полиамидными мембранами характерно снижение значение рабочего давления (примерно в 1,7–1,9 раза), повышение селективности (примерно на 2 %) и производительности (примерно на 20 %).
Первую тонкопленочныю композитную мембрану на основе полиамида разработал Джон Кадотт ( John Cadotte ) из исследовательского института в Миннесоте в середине 60-х годов. Впоследствии Д. Кадотт стал одним из основателей компании « Filmtec Corporation» – современного мирового лидера по объемам выпуска мембран для обратного осмоса.
Кадотт использовал технологию межфазной полимеризации для нанесения тонкой пленки полиамида на пористую подложку. В качестве примера способа получения тонкопленочных композитных мембран приведем краткое описание патента США № 4520044, в соответствии с которым пористую полисульфоновую мембрану подвергают резкому охлаждению в водном растворе m -фенелиденамина, а затем обрабатывают раствором 1,3,5-бензолтрикарбонил хлорида (или циклогексан-1,3,5-трикарбонил хлорида), несмешиваемым с первой средой. В результате на полисульфоне формируется полиамидная пленка.
Тонкопленочные композитные мембраны на основе полиамида доминируют на рынке водоподготовки с 70-х годов прошлого века, что во многом объяснялось обеспечиваемым ими по сравнению с ацетатцелюлозными мембранами, снижением энергозатрат на обессоливание. Например, их использование для солоноватых вод позволило снизить энергозатраты на получение 1 м3 обессоленной воды на установках обратного осмоса с 3–4 до менее 1 кВт/час.
Внешне современные тонкопленочные композитные мембраны напоминают лист обычной бумаги, толщиной около 160 мкм (примерно 1/6 мм или удвоенная толщина волоса человека). При этом мембраны представляют собой трехслойные структуры. Структура полиамидной ТПК мембраны на примере Filmtec F Т30 фирмы « Dow chemical », долгое время являющейся эталоном в области обратного осмоса, показана на рис. 5.4. Барьерный слой из полиамида с толщиной до 0,2 мкм наносится на подложку из полисульфона толщиной до 40 мкм. Полисульфоновый слой необходим, с одной стороны, в качестве основы, на которую может наноситься поверхностный слой, а с другой – в качестве дренажа, служащего для отвода пермеата из барьерного слоя. Для придания всей конструкции необходимых прочностных свойств полисульфоновая подложка фиксируется на несущей основе из нетканого полиэфира, толщина слоя которого составляет обычно около 120 мкм. Композиционная структура мембраны за счет малой толщины барьерного слоя позволяет существенно снизить энергетические потери при разделении.
Рис. 5.4. Структура полиамидной тонкопленочной композитной обратноосмотической мембраны на примере
Filmtec F Т30 (фотография поперечного разреза)
Современные мембраны Filmtec F Т30 работоспособны в диапазоне значений рН 2–12 (при проведении химических промывок 1–13), выдерживают температуру до 45 °С в непрерывном режиме эксплуатации, способны обеспечить селективность 99,8 %, выдерживают рабочее давление до 120 атм и позволяют достигать удельного съема пермеата свыше 50 л/(м 2 ·ч). Срок службы мембран при грамотной эксплуатации составляет не менее 5–6 лет (имеется опыт эксплуатации мембран в отечественных установках около 10 лет практически без снижения рабочих характеристик).
Недостатком всех полиамидных обратноосмотических мембран является чувствительность к воздействию активного хлора: они способны выдерживать не более 1000 мг*ч контакта. Поэтому содержание активного хлора в питательной воде промышленных установок ОО и НФ не должно превышать 0,1 мг/л.
Современные нанофильтрационные мембраны по структуре и материалу подложки аналогичны обратноосмотическим. Их разделительный слой имеет более рыхлую структуру, что достигается либо изменением технологических параметров, либо выбором другого материала. Так листовая нанофильтрационная мембрана производства Filmtec также представляет собой тонкопленочную композитную структуру с барьерным слоем на основе, главным образом, полиамида или пиперазина (при использовании полиамида диапазон допустимых значений рН аналогичен соответствующим показателям для мембран обратного осмоса, а для пиперазина – ограничен пределами значений рН от 3 до 10).
Обратноосмотические и нанофильтрационные мембраны других ведущих производителей имеют аналогичную структуру и близкие характеристики. |
Лабораторные установки
Засыпные фильтры 
Промышленные системы
Мобильные системы 