Текст лекций «Мировой и российский мембранный рынок». Содержание Раздел Введение. Рынок мембран в РФ. 3 Краткое описание рынка. 3 (стр. 14 из 21)
3.4.3. УФ мембраны трубчатые полимерные.
Мембраны такого типа формируются непосредственно в модулях, заранее изготовленных в виде блока из 7-ми трубок с двумя торцевыми пробками (рис.12)
Рис.12. Трубчатые полимерные мембраны.
Эти модули отличаются наименьшей компактностью, однако с рынка не уходят по причине возможности разделения в них вязких и содержащих гетерогенные частицы жидкостей. При диаметре трубки 8-15 мм и длине 2 м модули обладают самым низким гидравлическим сопротивлением, чем и вызван интерес к ним. Они формируют 5 товарную группу на мембранном рынке.
3.4.4. УФ-мембраны керамические.
Основным характеристическим свойством керамических изделий, в том числе и мембран, является хрупкость, т.е. неспособность к деформации под действием внешних сил. Поэтому керамические мембраны изготавливают исключительно трубчатой формы, которая наиболее приспособлена для воздействия давления. Для увеличения компактности (рабочей площади в единице объема) мембранные керамические модули изготавливают в виде многоканальных трубчатых блоков, пример которых представлен на рис.13.
Рис.13. Мембранные керамические модули.
Стандартная длина блоков – 800-1000 мм, форма и диаметр каналов могут быть различными у разных производителей. Они составят 6 товарную группу рынка.
3.5. Мембраны для микрофильтрации.
Микрофильтрация – промежуточный процесс между мембранным разделением и обычной фильтрацией. Очень тонкая очистка жидкостей от взвешенных и коллоидных частиц чаще является подготовительной стадией перед собственно мембранным разделением, но у МФ имеются и свои ниши применения. Спрос на МФ мембраны достаточно высок.
3.5.1. МФ-мембраны листовые полимерные.
Листовые полимерные МФ-мембраны – это единственный мембранный продукт, имеющий спрос на рынке не в виде модулей, а в чистом виде. Объясняется это использованием мембран в химическом и микро-биологическом анализе, диагностической медицине и при изготовлении электронных микросхем. В последнем случае мембраны используются для финишной доочистки воды непосредственно перед ее употреблением в производстве микросхем. Для диагностики производители мембран обычно нарезают их дисками различного диаметра и упаковывают в специальные пластиковые контейнеры. В силу специфики использования эти мембраны выделены в 7 товарную группу.
Мембранные модули на основе плоских МФ-мембран изготавливают двух типов. Первый – это стандартные рулонные модули, аналогичные модулям из УФ-мембран. Второй – это модули патронного типа, которые работают в так называемом тупиковом режиме, т.е. без отбора концентрата. Периодически эти модули подвергаются регенерации обратным током пермеата, а в некоторых случаях используются без регенерации, т.е. после накопления осадка полностью заменяются. Конструкция патронных модулей представлена на рис.14.
Рис.14. Патронный модуль
Эти изделия составят 8 товарную группу.
3.5.2. МФ-мембраны капиллярные полимерные.
Все вышесказанное о капиллярных УФ-мембранах относится и к классу микрофильтрации. Естественно, несколько различаются области применения, но незначительно, поскольку в процессе эксплуатации МФ-мембрана постепенно необратимо забивается адсорбирующимся на ее поверхности и в порах коллоидными и высокомолекулярными веществами и фактически превращается в ультрафильтрационную мембрану.
Мембранные капиллярные МФ-модули имеют те же конструктивные решения и входят в 8 товарную группу.
3.5.3. МФ-мембраны керамические.
Микрофильтрационная мембрана отличается от УФ-мембраны только размером пор и является промежуточным продуктом при изготовлении последних. Во всем остальном керамические модули МФ-мембран являются полными аналогами УФ-мембран и образуют вместе с УФ-мембранами из керамики 6 товарную группу.
3.6.1. Мембраны графитовые для ультра- и микрофильтрации.
Появление на рынке УФ и МФ-мембран из графита в виде таких же многоканальных трубчатых модулей, как и из керамики, состоялось около 15 лет назад, но они оказались быстро вытесненными, поскольку при схожих технологических параметрах были заметно дороже. Далее возникла идея композиционных мембран, т.е. сочетания слоев керамики и графита. Такие мембраны продержались на рынке некоторое время, затем графит как композиционный материал для мембран окончательно исчез.
3.6.2. Мембраны керамические листовые.
Этот уникальный продукт с торговой маркой TrumemTM был разработан и освоен в России. Имеется линия по его выпуску, однако из-за высокой цены и сложности изготовления модулей из этих мембран спрос на них отсутствует. Технологические параметры мембран Trumem аналогичны параметрам обычных керамических мембран. Ведутся разработки по использованию их в топливных элементах, но для реального рынка дело дойдет не скоро.
3.6.3. Мембраны для первапорации полимерные.
Мембранный процесс первапорации изучен достаточно хорошо и известен давно, но заметного применения в промышленности пока не нашел. Для первапорации необходимы диффузионные (непористые) мембраны только из полимеров. Учитывать их при исследовании рынка пока рано.
4. Раздел 4. Краткое описание технологии полупроницаемых мембран и мембранных модулей.
4.1. Полимерные листовые мембраны и мембранные модули на их основе.
Полимерная полупроницаемая мембрана представляет собой анизотропную, т.е. разноплотную по толщине, пористую пленку, выполненную в виде пластины или трубки. Анизотропия является важнейшим свойством мембраны, обеспечивающим ее высокую удельную производительность. При анизотропии в мембране существует тонкий плотный поверхностный слой (h = 20 – 100 нм), собственно и придающий ей полупроницаемые свойства, т.е. способность пропускать одни вещества и задерживать другие. Этот слой называется разделительным или активным, а весь находящийся под активным слоем объем мембраны называется суппорт и служит основой для обеспечения целостности мембраны и дренажем для отвода проникшего через активный слой пермеата.
Активный слой может быть сформирован одновременно с суппортом с использованием специальных технологических приемов («мокрый» и «сухой» методы изготовления мембран), но может изготавливаться отдельно от суппорта, а затем совмещаться с ним (композиционные мембраны).
Класс мембраны, т.е. ее назначение для конкретного баромембранного процесса, определяется размером пор в активном слое. Этот параметр задается и регулируется в процессе изготовления мембраны. Основными потребительскими свойствами мембраны являются удельная производительность (л/м2час) и задерживающая способность (доля задержанного растворенного вещества). Первое свойство определяется размером пор и их количеством на единице площади мембраны (пористостью). Второе свойство обусловлено размером пор и характером их распределения (чем уже кривая распределения пор по размеру, тем выше качество мембраны). Важным свойством является также механическая прочность мембраны, которая обеспечивается введением в слой суппорта армирующего материала (мембрана на подложке). Наконец, к потребительским свойствам относится химическая стойкость, обуславливающая общий ресурс работы мембраны. Химическая стойкость определяется природой полимера, из которого изготавливают мембрану.
Принципиальная схема «мокрого» способа изготовления мембраны представлена на рис.15.
Рис.15. Технология получения полимерной полупроницаемой мембраны по «мокрому» способу.
Основные стадии процесса следующие:
- приготовление поливочных растворов в смесителе. Сюда вводят в определенных пропорциях порошок полимера, растворитель, специальные добавки – нерастворитель, порообразователь, пластификатор. Затем смесь разогревают и длительным перемешиванием получают формовочный раствор. Иногда на этой стадии проводят также корректировку кислотности и дегазацию раствора. Переменными параметрами здесь являются полимер, его концентрация, выбор добавок, температура;
- фильтрация поливочного раствора. Фильтрующий материал выбирают в зависимости от вязкости раствора, природы загрязнений и растворителя. Здесь раствор кондиционируют, удаляя из него нерастворившийся полимер и механические включения;
- формование первичного геля. Одновременно на формовочный барабан подают армирующую подложку и через фильеру дозируют поливочный раствор. Фильера обеспечивает заданную толщину слоя, т.е. толщину будущей мембраны. Переменными параметрами являются скорость вращения барабана, производительность подачи поливочного раствора;
- формование мембраны. Первичный гель поступает в камеру испарения, где происходит частичное удаление растворителя в виде паров, начинает формоваться активный слой будущей мембраны. Затем лента погружается в осадительную ванну, заполненную охлажденной водой со специальными добавками. Вода вымывает растворитель из первичного геля, который высаждается в виде твердой пористой пленки. Переменными параметрами являются температура воды, выбор добавки, продолжительность пребывания мембраны в осадительной ванне;