Типы мембран

Стеклами называются аморфные тела, получаемые переохлаждением расплавов смесей неорганических веществ. Среди этих веществ обязательно присутствует кремнезем (SiO2), а также различные добавки Na2O, Al2O3, CaO,MgO, BaO, ZnO, PbO, B2O3, K2O, Fe2O3 и др.

Полупроницаемые мембраны обычно изготавливают из натрийборосиликатного стекла марки «Викор» (SiO2 – 70%,B2O3 – 23%, Na2O – 7%), которое состоит из двух фаз – одна обогащена нерастворимым в минеральных кислотахSiO2, а другая почти полностью состоит из оксидов натрия и бора, и после погружения в кислоту эта часть выщелачивается с образованием сложной системы пор размером от 5 до 50 нм.

Стеклянные мембраны выпускаются в основном в виде капилляров, трубок и плоских пластин и используются в основном в мембранном разделении газов.

Все металлические мембраны следует разделить на две группы:

· непористые, которые используются в диффузионных мембранных процессах;

· пористые, используемые для ультра- и микрофильтрации.

Кроме того, необходимо упомянуть композиционные мембраны с селективным слоем из металла (часто палладия), полученного плазменным напылением.

Непористые металлические мембраны обычно изготавливаю в виде плоских пластин и капилляров литьем, прокаткой и вытяжкой и используют в основном в мембранном разделении газов. Такие мембраны производят из палладия и палладиевых сплавов (Pd–Ag–Ni–Nb).

Пористые металлические мембраны получают спеканием металлических порошков (сталь, титан и титановые сплавы), а также выщелачиванием какой-либо части сплава (например, нержавеющей стали). На такие пористые подложки часто производят напыления Ni, Zn, Cu, Co и других металлов для формирования селективных слоев.

К керамике относятся изделия из неорганических неметаллических материалов, как природных (глина, каолин, тальк, шпинель, карбонаты, карбиды), так и техногенных (оксиды Al2O3, TiO2, MgO, CeO2, ZrO2 и их комбинации, а также карбиды, Ba2Ti и др.)

Часто для производства керамических мембран используется глинозем (Al2O3), особенно прочной и химически стойкой модификацией которого является a-Al2O3 (корунд), в который b- и g-формы переходят при 1480 оС.

В процессе производства керамических мембран следует выделить три стадии:

1. формование мембраны;

2. сушка;

3. обжиг.

Формование осуществляют сухим прессованием (воздействие давлением 200–700 ат на порошок, смоченный небольшим количеством масла или воды), шликерным литьем (шликер – суспензия керамики, содержащая до 35 % твердой фазы) и экструзией (керамическая масса продавливается через фильеру с образованием трубок). Керамические мембраны вообще чаще всего формируются в виде трубок.

Сушка обычно осуществляется либо на стеллажах в воздушной атмосфере при комнатной температуре, либо в инфракрасных или СВЧ-сушилках.

Обжиг (спекание), в ходе которого образуются физико-химические связи между частицами керамических порошков, осуществляется в различных печах при температуре 1100–1500оС.

Керамические мембраны обычно состоят из нескольких слоев различной пористости (см. Рис. 13), которые последовательно наносятся на пористую подложку шликерным литьем или с помощью золь–гель технологии, после чего каждый слой подвергается сушке и обжигу.

Рисунок 13 – Многослойная керамическая мембрана

Формуются как одноканальные, так и многоканальные трубчатые керамические мембраны (см. Рис. 14).

Рисунок 14 – Керамические мембраны в обжиговой печи

Существуют два метода получения графитовых мембран:

карбонизация (обугливание) полимерных мембран;

спекание порошка кокса.

В первом случае готовую мембрану из неплавкого полимера нагревают до 800–1000оС, полимер обугливается и получается пористая высокоселективная графитовая мембрана низкой механической стойкости (хрупкая).

При втором методе получения графитовых мембран используется смесь порошка кокса и термореактивной смолы, наносящейся на пористую подложку и подвергающейся осаждению в воде и обжигу, в результате чего образуется трехслойная мембрана, состоящая из крупнопористого слоя подложки, среднепористого коксового слоя и мелкопористого селективного слоя из коксосмолы.

Пористая подложка может быть как графитовой, так и керамической и в этом случае мембрана композиционная.

Металлокерамические мембраны представляют собой плоские или трубчатые мембраны состоящие из пористой металлической подложки (нержавеющая сталь, титан, различные сплавы) и селективного керамического слоя (SiO2;TiO2; Al2O3; ZrO2).