Текст лекций «Мировой и российский мембранный рынок». Содержание Раздел Введение. Рынок мембран в РФ. 3 Краткое описание рынка. 3 (стр. 16 из 21)

Промывка, консервация и упаковка.

Каждый модуль, выдержавший контрольные испытания в соответствии с ТУ, подвергается промывке и последующей консервации.

После консервации каждый модуль помещается в полиэтиленовый рукав, подвергается вакуумированию, после чего рукав герметично заваривается. Рулонный модуль в полиэтиленовом пакете помещается в картонную коробку.

Хранение модулей осуществляется на стеллажах в горизонтальном положении при плюсовой температуре.

4.2. Полимерные капиллярные мембраны и мембранные модули на их основе.

Для получения капиллярных полимерных мембран пользуются теми же «сухим» и «мокрым» методами. Принципиальные технологические схемы производства представлены на рис.17 и 18.

Рис.17. Схема получения полого волокна методом сухого формования:

1- формовочный раствор; 2 -шестеренчатый насос;

3 - жидкость для формирования канала; 4 - формующая головка

Рис. 18. Схемы получения полого волокна методом мокрого формования:

1 – растворопровод; 2 – трубопровод для подачи газа (жидкости); 3 – фильера;

4 – осадительная ванна; 5 – нить; 6 – устройство для отжига;

7 – устройство для импрегнирования; 8 – сушилка; 8 - бобина

Тщательно профильтрованный обезвоздушенный формовочный раствор подогревают и продавливают через фильеру. Для формования полых волокон применяют фильеры с фигурными отверстиями, со стержнями в отверстиях (рис.19) Фигурные отверстия имеют различную форму.

Рис.19. Схемы фильер с отверстиями в виде сегментных дуг и с капилляром для формования полых волокон

Фильеры с капиллярами наиболее универсальны. Раствор подают в зазор между корпусом и стенками капилляра, а в канал капилляра подают газ или жидкость. Давлением газа или жидкости можно изменять геометрические характеристики полого волокна.

Далее происходит удаление растворителя либо испарением его в шахте, либо вымыванием в осадительной ванне. В последующем капилляры (полые волокна) проходят те же стадии постобработки, что и плоские полимерные мембраны.

Капилляры и полые волокна отличаются друг от друга только величиной диаметра, оба вида мембран являются самонесущими, поэтому конструкции аппаратов для них одинаковы.

Принципиальным обстоятельством при изготовлении модулей является малый размер внутреннего канала: гидравлическое сопротивление его всегда высоко, поэтому в модуле нельзя использовать длинные элементы. Обычно длина не превышает 1 м, и для создания больших площадей отдельные волоконца собирают в пучки диаметром до 200 мм. Далее по особой технологии пучки скрепляют торцевыми гильзами из эпоксидного компаунда.

Конец пучка волокон опускают в чашку с фиксированными размерами (диаметр и высота) и заливают жидким герметиком. Герметик должен заполнить абсолютно все зазоры между волокнами и стенками чашки, поэтому иногда такую заготовку устанавливают на центрифугу и при вращении добиваются абсолютного заполнения зазоров.

После отверждения герметика чашку снимают и образовавшуюся гильзу обрезают по торцу для открытия залитых герметиком внутренних каналов.

Аналогичную операцию проводят с другим концом пучка капилляров, после чего готовый мембранный модуль помещают в трубчатый корпус и закрывают торцевыми крышками.

4.3. Полимерные трубчатые мембраны и модули на их основе.

В отличие от капиллярных и половолоконных мембран они не являются самоподдерживающимися, т.е. для сохранения их целостности при действии рабочего давления мембраны должны опираться на трубчатый каркас. Такие каркасы изготавливают из нетканого полиэфирного материала с пропиткой или пористых углеродных трубок.

Мембрану формуют непосредственно внутри каркаса и вместе с ним используют. На рис.20 представлена схема получения трубчатых мембран мокрым способом.

Рис.20. Принципиальная схема получения трубчатой мембраны:

а – полив; б – испарение; в - коагуляция

К резервуару, заполненному поливочным раствором, прикладывают давление сжатого воздуха для выдавливания раствора через центральную трубку в поливочный поплавок. В нем имеются распределительные отверстия, через которые раствор поступает в кольцевой зазор между пористым каркасом и поплавком. Поплавок равномерно поднимают, при этом раствор полимера размазывается равнотолщинной пленкой по внутренней поверхности каркаса. После короткой стадии испарения растворителя каркас с полимерной пленкой погружают в осадительную ванну, где и происходит формирование пористой трубчатой мембраны.

Формование мембраны происходит в заранее собранном модуле из 7 трубок.

4.4. Керамические трубчатые мембраны и мембранные модули на их основе.

Для современной керамики в качестве сырья используют большой ассортимент природных и техногенных материалов. Перечень групп:

1. Природные минералы (глины, каолины, бентонит, тальк);
2. Оксидные материалы (кварцевый песок, оксиды металлов);
3. Карбонаты (мел, мрамор);
4. Безкислородные соединения (карбиды, бориды, нитриды, силициды и др.);
5. Металлические порошки (тугоплавкие металлы).

Материалы для формования изделий характеризуются, прежде всего, размером частиц, который сильно влияет на свойства как материала, так и изделия. Мелкодисперсный материал из-за малых пор медленно обезвоживается и дает большую усадку при сушке. Грубодисперсный имеет низкую пластичность и прочность.

Формование изделий из керамики осуществляют экструзией формовочной массы, которую готовят смешением порошка с пластификатором (масла, глицерин, растворы метилцеллюлозы, поливинилового спирта, воск). Для радикального повышения пористости в массу вводят так называемые выгорающие добавки – опилки, древесный уголь, торф, сажа (до 30% по массе). Чем больше добавок, тем выше удельная производительность мембран и ниже механическая прочность.

После экструзии изделие высушивается в специальных климатических камерах.

Большая часть дефектов возникает в изделиях в процессе сушки и обжига (коробление, трещины, деформация). В начальный момент сушки вода окружает частицы, затем она испаряется, частицы сближаются, происходит усадка. В этот момент и появляются дефекты.

Для управления скоростью сушки необходимо контролировать влажность и скорость движения воздуха. Используются периодические сушилки со стеллажами, а также непрерывные - ленточные. Возможна инфракрасная сушка, СВЧ и т.д.

Далее следует стадия обжига. При обжиге протекают следующие процессы: термическое разложение исходных компонентов, химические реакции между компонентами, окислительно-восстановительные процессы с воздухом, растворение в расплавах и кристаллизация, усадка.

В процессе спекания керамический материал превращается из конгломерата слабосвязанных частиц, объединяемых силами трения и адгезии, в плотное твердое тело, частицы которого объединены химическими связями.

Любая керамическая мембрана состоит из 2-х и более слоев, которые формируют последовательно. При общей толщине мембраны в несколько миллиметров разделительный слой имеет толщину в несколько микрометров (рис.21).

Рис. 21. Схема и микрофотография многослойной неорганической мембраны.

Самый толстый опорный слой, который называют по-разному - подложка, каркас, суппорт, основа, субстрат - определяет механическую прочность мембраны и ее конфигурацию. Он должен также иметь большую пористость (~ 50%) и минимальное гидравлическое сопротивление. Изготавливают подложки любым из известных способов и обеспечивают средний размер пор 5-15 мкм. Второй слой наносят из суспензии гораздо более мелких частиц, обеспечивая размер пор 0,2-1,0 мкм, что соответствует уровню микрофильтрации. Толщина промежуточного слоя 10-50 мкм.

Промежуточный слой обычно наносят на опору либо фильтрованием в виде пленки, и тогда капиллярные силы опоры надо подавить, либо окунанием опоры в суспензию, и тогда именно капиллярный механизм действует. Толщину промежуточного слоя регулируют или зазором, или временем выдерживания в суспензии. Промежуточных слоев может быть и несколько, с постоянно уменьшающимся размером частиц. Технология нанесения каждого слоя – одна и та же. После формирования опоры и нанесения каждого слоя следует обжиг.

Формирование разделительного слоя проводят по той же методике, за исключением лишь иного состава пасты и более мелкого размера частиц. Для получения пор порядка 0,05 мкм основная масса частиц должна быть размером не более 0,1 мкм. Как правило, частицы такого размера получают золь-гель методом.

Очень важной операцией является высушивание селективного слоя. Критичность его обусловлена большой усадкой, малой толщиной и прочностью слоя, наличием сил взаимодействия с основой. Необходимо очень точно выдерживать температуру (~ 40°С) и влажность (~ 60%). Для повышения прочности слоя в формирующую суспензию вводят различные добавки.

Геометрические формы мембранных керамических элементов диктовались механическими свойствами материала, прежде всего хрупкостью, а также желанием развить поверхность фильтрования в единице объема. Поэтому от трубок с наружной, затем внутренней мембраной перешли к многоканальным блокам (сначала 7-ми, затем 19-канальным и более). Были попытки увеличить удельную площадь через нанесение мембраны на наружную стенку. Но в любом случае из-за плохой гидродинамики в аппарате наружное расположение мембраны является неудачным.