Промышленное использование процессов мембранного разделения требует надежного, стандартного и технологического оборудования. Для этой цели в настоящее время применяют мембранные модули, которые компактны, надежны и экономичны. Выбор конструкции модуля зависит от вида процесса разделения и условий эксплуатации в промышленных установках.
Таблица 9. Характеристика синтетических мембран
| Тип | Материал | Структура | Метод | Применение |
| Керамические и металлические | Глина, силикагель, алюмосиликат, графит, серебро, вольфрам | Микропоры с диаметром от 0,05 до 20 мкм | Плавление и спекание керамических или металлических порошков | Фильтрование при повышенных температурах, разделение газов |
| Стеклянные | Стекло | Микропоры с диаметром от 10 до 100 мкм | Вывод растворимой в кислоте фазы из двухкомпонентной стеклянной смеси | Фильтрование суспензий и воздуха |
| Спеченные полимерные | Политетрафторэтилен, полиэтилен, полипропилен | Микропоры с диаметром от 0,1 до 20 мкм | Плавление и спекание полимерного порошка | Фильтрование суспензий и воздуха |
| Протравленные | Поликарбонат, полиэфир | Микропоры с диаметром от 0,02 до 20 мкм | Облучение полимерной пленки и травление кислотой | Фильтрование суспензий и биологических растворов |
| Симметричные микропористые с обратной фазой | Целлюлозные эфиры | Микропоры с диаметром от 0,1 до 10 мкм | Литье полимерного раствора и осаждение полимера осадителем | Стерильное фильтрование, очистка воды, диализ |
| Асимметричные | Целлюлозный эфир, полиамид, полисульфон | Гомогенная или микропористая, «покрытие» микропористой подложки | Литье полимерного раствора и осаждение полимера осадителем | Ультрафильтрация и разделение обратным осмосом молекулярных растворов |
| Составные | Целлюлозный эфир, полиамид, полисульфон | Гомогенная полимерная пленка на микропористой подложке | Осаждение тонкой пленки на микропористой подложке | Обратный осмос, разделение молекулярных растворов |
| Гомогенные | Силиконовый каучук | Гомогенная полимерная пленка | Экструзия гомогенной полимерной пленки | Разделение газов |
| Ионообменные | Поливинилхлорид, полисульфон, полиэтилен | Гомогенная или микропористая полимерная пленка с положительно или отрицательно заряженными фиксированными ионами | Погружение ионообменного порошка в полимер или сульфонирование и аминирование гомогенной полимерной пленки | Электродиализ, обессоливание |
Таблица 10. Промышленные процессы разделения с использованием мембран
| Процесс | Мембрана | Движущая сила | Метод разделения | Применение |
| Микрофильтрация | Симметричная микропористая мембрана с радиусом пор от 0,1 до 10 мкм | Гидростатическое давление от 0,01 до 0,1 Мпа | Сетчатый механизм, обусловленный радиусом пор и адсорбцией | Стерильное фильтрационное осветление |
| Ультрафильтрация | Асимметричная микропористая мембрана с радиусом пор от 1 до 10 мкм | Гидростатическое давление от 0,05 до 0,5 Мпа | Сетчатый механизм | Разделение макромолекулярных растворов |
| Обратный осмос | Асимметричная мембрана типа «оболочки» | Гидростатическое давление от 20 до 10 Мпа | Механизм диффузии раствора | Отделение солей и микрорастворенных веществ от растворов |
| Диализ | Симметричная микропористая мембрана с радиусом пор от 0,1 до 10 мкм | Градиент концентрации | Диффузия в конвективном свободном слое | Отделение солей и микрорастворенных веществ от макромолекулярных растворов |
| Электродиализ | Катионо-анионообменные мембраны | Градиент электрического потенциала | Электрический заряд и размер | Обессоливание ионных растворов |
| Разделение газов | Гомогенный или пористый полимер | Гидростатическое давление, градиент концентрации | Растворимость, диффузия | Разделение газовых смесей |
Микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления. Размер разделяемых частиц от 0,1 до 10 мкм. Микрофильтрация - переходный процесс от обычного фильтрования к мембранным методам.
Для микрофильтрации используют мембраны с симметричной микропористой структурой. Размеры пор от 0,1 до 10 мкм. Мелкие частицы растворенного вещества и растворитель проходят через мембрану, а концентрация задерживаемых частиц возрастает. Поток раствора вдоль разделительной мембраны позволяет удалять концентрированный слой, примеси твердых частиц и других образований, от которых была необходимость освободить раствор и растворитель. Прошедший через мембрану растворитель выносит микровключения, которые направляют на технологические линии для разделения в следующих циклах.
Широко мембранный метод микрофильтрации используют при разделении суспензий, эмульсий и очистке загрязненных механическими примесями промышленных сточных вод, а также при получении стерильных растворов.
Применяемые для микрофильтрации мембраны имеют пористую структуру и действуют как глубокие фильтры. Удерживаемые частицы осаждаются внутри мембранной структуры. Концентрационная поляризация при микрофильтрации относится к учитываемому явлению. Для удаления осаждающихся частиц с поверхности микрофильтрационной мембраны используют приемы специального воздействия: поперечный поток, обратная промывка, ультразвуковая вибрация.
Долговечность мембран зависит от химической стойкости материала, из которого они сделаны.
Микрофильтрацию осуществляют в аппаратах плоскорамного типа. При промышленном использовании микрофильтрации обычно применяют горизонтальные пластинчатые системы или патронные фильтры; наиболее распространены рамные фильтр-прессы. В качестве патронных фильтров применяют гофрированный мембранный патрон, расположенный в корпусе, рассчитанном на работу под давлением. Исходный раствор поступает в фильтр со стороны корпуса, продукт собирается в центральной трубе, которая уплотнена с корпусом прокладкой. При постоянном гидростатическом давлении производительность фильтра постепенно уменьшается до значения, при котором дальнейшая эксплуатация становится неэкономичной и фильтр заменяют.
Таблица 11. Сравнительная характеристика аппаратов различных типов
| Тип | Преимущества | Недостатки |
| Фильтр-пресс | Небольшой объем воды в аппарате на единицу поверхности мембраны, надежность и простота конструкции, небольшая занимаемая площадь пола | Возможность образования застойных зон, труднодоступен для чистки, небольшая плотность укладки мембран в аппарате до 150 м2/м3, ручная сборка |
| Фильтр-пресс с узкими переточными каналами | То же, удобство работы с вязкими растворами за счет повышения линейной скорости потока, смазывающего мембрану | То же, возможность образования пробок, плотность укладки мембран до 200-250 м2/м3 |
| Трубчатые с прямыми трубами | Простота очистки, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность эффективного снижения концентрационной поляризации, возможность замены отдельных трубчатых элементов | Большой объем воды в аппарате, сравнительно высокая стоимость, большие габариты и занимаемая площадь пола, плотность укладки мембран 160-200 м2/м3 |
| С трубами, свернутыми по спирали | Тоже, кроме простоты очистки | Тоже, кроме больших габаритов |
| Рулонные | Низкие капитальные затраты, плотность укладки мембран до 650 м2/м3 , небольшая занимаемая площадь пола, небольшой объем воды в аппарате | Возможность образования пробок, трудность очистки, повышенное гидравлическое сопротивление |
| С полыми волокнами | Минимальная стоимость, максимальная плотность укладки мембран (до 16500 м2/м3), небольшой объем воды в аппарате | Трудность работы на загрязненных жидкостях, трудность очистки, возможность образования пробок, высокие требования к предварительной водоподготовке, повышенное гидравлическое сопротивление, значительно более низкая удельная производительность мембран |
При ультрафильтрации происходят разделение, фракционирование и концентрирование растворов. Один из растворов обогащается растворенным веществом, а другой обедняется. Мембраны пропускают растворитель и определенные фракции молекулярных соединений. Движущая сила ультрафильтрации - разность давления по обе стороны мембраны. Эта сила затрачивается на преодоление сил трения и взаимодействия между молекулами жидкой фазы и полимерными молекулами мембраны. Обычно процесс ультрафильтрации проводят при сравнительно низких рабочих давлениях 0,3 - 1 МПа. Увеличение давления выше указанного приводит к уплотнению мембраны, уменьшению диаметра пор, изменению селективности разделения и, как правило, к снижению производительности.
Ультрафильтрации обычно подвергаются вещества, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.
Недостаток процесса - сильная концентрационная поляризация, т.е. на поверхности мембраны может образовываться плотный осадок - слой геля. Гидравлическое сопротивление этого слоя в ряде случаев может быть выше, чем сопротивление самой мембраны. Способы снижения концентрационной поляризации различны: увеличение скорости омывания поверхности мембраны потоком разделяемой жидкости, работа в пульсирующем режиме подачи раствора, турбулизация потока. Точка гелеобразования зависит от его химических и физических свойств.