Искусственная мембрана , или синтетическая мембрана , представляет собой синтетически созданную мембрану, которая обычно предназначена для целей разделения в лаборатории или промышленности. Синтетические мембраны успешно используются в малых и крупных промышленных процессах с середины двадцатого века. [1] Известно большое разнообразие синтетических мембран. [2] Их можно производить из органических материалов, таких как полимеры и жидкости, а также из неорганических материалов. Большинство коммерчески используемых в промышленности синтетических мембран изготовлены из полимерных структур. Их можно классифицировать на основе химии поверхности , объемной структуры, морфологии и метода производства. Химические и физические свойства синтетических мембран и отделенных частиц, а также движущая сила разделения определяют конкретный процесс мембранного разделения. Наиболее часто используемыми движущими силами мембранного процесса в промышленности являются давление и градиент концентрации . Поэтому соответствующий мембранный процесс известен как фильтрация . Синтетические мембраны, используемые в процессе разделения, могут иметь различную геометрию и конфигурацию потока. Их также можно классифицировать по способу применения и режиму разделения. [2] Наиболее известные процессы синтетического мембранного разделения включают очистку воды , обратный осмос , дегидрирование природного газа, удаление клеточных частиц микрофильтрацией и ультрафильтрацией , удаление микроорганизмов из молочных продуктов и диализ .
Синтетическая мембрана может быть изготовлена из большого количества различных материалов. Он может быть изготовлен из органических или неорганических материалов, включая твердые вещества, такие как металлы , керамика , гомогенные пленки, полимеры , гетерогенные твердые вещества (полимерные смеси, смешанные стекла [ необходимы пояснения ] ) и жидкости. [3] Керамические мембраны производятся из неорганических материалов, таких как оксиды алюминия , карбид кремния и оксид циркония . Керамические мембраны очень устойчивы к действию агрессивных сред (кислот, сильных растворителей). Они очень стабильны химически, термически, механически и биологически инертны . Несмотря на большой вес и значительные затраты на производство, керамические мембраны экологически безопасны и имеют длительный срок службы. Керамические мембраны обычно представляют собой монолитные формы трубчатых капилляров . [3]
Жидкие мембраны относятся к синтетическим мембранам, изготовленным из нежестких материалов. В промышленности можно встретить несколько типов жидких мембран: жидкие эмульсионные мембраны, иммобилизованные (несущие) жидкие мембраны, [4] мембраны из расплавленной соли на подложке , [5] и жидкие мембраны с полыми волокнами. [3] Жидкие мембраны были тщательно изучены, но пока имеют ограниченное коммерческое применение. Поддержание адекватной долгосрочной стабильности является ключевой проблемой из-за склонности мембранных жидкостей к испарению, растворению в контактирующих с ними фазах или выползанию из мембранной основы.
Полимерные мембраны лидируют на рынке мембранной сепарации, поскольку они очень конкурентоспособны по производительности и экономичности. [3] Доступно множество полимеров, но выбор мембранного полимера — нетривиальная задача. Полимер должен иметь соответствующие характеристики для предполагаемого применения. [6] Полимер иногда должен обладать низким сродством к связыванию разделенных молекул (как в случае биотехнологических применений) и должен выдерживать суровые условия очистки. Он должен быть совместим с выбранной технологией изготовления мембраны. [6] Полимер должен быть подходящим мембранообразователем с точки зрения жесткости его цепей, взаимодействия цепей, стереорегулярности и полярности его функциональных групп. [6] Полимеры могут образовывать аморфные и полукристаллические структуры (также могут иметь разные температуры стеклования ), что влияет на рабочие характеристики мембраны. Полимер должен быть доступным и иметь разумную цену, чтобы соответствовать критериям низкой стоимости процесса мембранного разделения. Многие мембранные полимеры прививаются, модифицируются по индивидуальному заказу или производятся в виде сополимеров для улучшения их свойств. [6] Наиболее распространенными полимерами в мембранном синтезе являются ацетат целлюлозы , нитроцеллюлоза и эфиры целлюлозы (CA, CN и CE), полисульфон (PS), полиэфирсульфон ( PES), полиакрилонитрил (PAN), полиамид , полиимид , полиэтилен и полипропилен (ПЭ и ПП), политетрафторэтилен (ПТФЭ), поливинилиденфторид (ПВДФ), поливинилхлорид (ПВХ).
Полимерные мембраны могут быть превращены в ионообменные мембраны путем добавления высококислотных или основных функциональных групп, например, сульфоновой кислоты и четвертичного аммония, что позволяет мембране образовывать водные каналы и избирательно транспортировать катионы или анионы соответственно. К наиболее важным функциональным материалам этой категории относятся протонообменные мембраны и щелочные анионообменные мембраны , которые лежат в основе многих технологий очистки воды, хранения энергии, выработки энергии. Применения в очистке воды включают обратный осмос , электродиализ и обратный электродиализ . Приложения для хранения энергии включают перезаряжаемые металло-воздушные электрохимические элементы и различные типы проточных батарей . Приложения в области производства энергии включают топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC), топливные элементы с щелочной анионообменной мембраной (AEMFC), а также осмотическую энергию на основе осмотического и электродиализа или выработку голубой энергии .
.jpg/1280px-Ceramic_membrane_(crossflow_filtration).jpg)
Керамические мембраны изготавливаются из неорганических материалов (таких как оксиды алюминия , титана , циркония , рекристаллизованный карбид кремния или некоторые стеклообразные материалы). В отличие от полимерных мембран их можно использовать в разделениях, где присутствуют агрессивные среды (кислоты, сильные растворители). Они также обладают превосходной термической стабильностью, что позволяет использовать их в высокотемпературных мембранных операциях .
Одной из важнейших характеристик синтетической мембраны является ее химический состав. Химия синтетических мембран обычно относится к химической природе и составу поверхности, контактирующей с потоком процесса разделения. [6] Химическая природа поверхности мембраны может сильно отличаться от ее объемного состава. Эта разница может быть результатом разделения материала на каком-то этапе изготовления мембраны или предполагаемой модификации поверхности после формирования. Химия поверхности мембран создает очень важные свойства, такие как гидрофильность или гидрофобность (связанная со свободной энергией поверхности), наличие ионного заряда , химическая или термическая стойкость мембраны, сродство связывания с частицами в растворе и биосовместимость (в случае биоразделения). [6] Гидрофильность и гидрофобность поверхности мембран можно выразить через угол смачивания воды (жидкости) θ. Гидрофильные поверхности мембран имеют угол контакта в диапазоне 0°<θ<90° (ближе к 0°), тогда как гидрофобные материалы имеют θ в диапазоне 90°<θ<180°.
Угол контакта определяется путем решения уравнения Юнга для баланса межфазных сил. В состоянии равновесия три межфазных натяжения, соответствующие границам раздела твердое тело/газ (γ SG ), твердое тело/жидкость (γ SL ) и жидкость/газ (γ LG ), уравновешиваются. [6] Последствия величины угла смачивания известны как явления смачивания , которые важны для характеристики поведения проникновения капилляров (пор). Степень смачивания поверхности мембраны определяется углом смачивания. Поверхность с меньшим углом контакта имеет лучшие смачивающие свойства (θ=0° – идеальное смачивание). В некоторых случаях для улучшения смачивания несмачивающих поверхностей мембран используются жидкости с низким поверхностным натяжением , такие как спирты или растворы поверхностно-активных веществ . [6] Свободная энергия поверхности мембраны (и связанная с ней гидрофильность/гидрофобность) влияет на адсорбцию частиц мембраны или явления загрязнения . В большинстве процессов мембранного разделения (особенно биосепарации) более высокая гидрофильность поверхности соответствует меньшему загрязнению. [6] Загрязнение синтетической мембраны ухудшает ее эксплуатационные характеристики. В результате было разработано множество методов очистки мембран. Иногда загрязнение необратимо , и мембрану необходимо заменить. Еще одной особенностью химии поверхности мембраны является поверхностный заряд. Наличие заряда меняет свойства границы раздела мембрана-жидкость. Поверхность мембраны может развивать электрокинетический потенциал и вызывать образование слоев частиц раствора, которые стремятся нейтрализовать заряд.
Синтетические мембраны также можно разделить на категории по их структуре (морфологии). В сепарационной промышленности обычно используются три таких типа синтетических мембран: плотные мембраны, пористые мембраны и асимметричные мембраны. Плотные и пористые мембраны отличаются друг от друга размером разделенных молекул. Плотная мембрана обычно представляет собой тонкий слой плотного материала, используемый в процессах разделения небольших молекул (обычно в газовой или жидкой фазе). Плотные мембраны широко используются в промышленности для разделения газов и обратного осмоса.
Плотные мембраны могут быть синтезированы в виде аморфных или гетерогенных структур. Полимерные плотные мембраны, такие как политетрафторэтилен и сложные эфиры целлюлозы , обычно изготавливаются путем прессования , литья в растворитель и распыления раствора полимера. Мембранная структура плотной мембраны может находиться в эластичном или стеклообразном состоянии при данной температуре в зависимости от температуры стеклования . [2] Пористые мембраны предназначены для отделения более крупных молекул, таких как твердые коллоидные частицы, крупные биомолекулы ( белки , ДНК , РНК ) и клетки, от фильтрующей среды. Пористые мембраны находят применение в микрофильтрации , ультрафильтрации и диализе . Существуют некоторые разногласия в определении «мембранной поры». Наиболее часто используемая теория для простоты предполагает наличие цилиндрической поры. Эта модель предполагает, что поры имеют форму параллельных непересекающихся цилиндрических капилляров. Но на самом деле типичная пора представляет собой случайную сеть структур неравномерной формы разного размера. Образование пор может быть вызвано растворением «лучшего» растворителя в «более бедном» растворителе в растворе полимера. [2] Другие типы пористой структуры можно получить путем растяжения полимеров с кристаллической структурой. Структура пористой мембраны связана с характеристиками взаимодействующего полимера и растворителя, концентрацией компонентов, молекулярной массой , температурой и временем хранения в растворе. [2] Более толстые пористые мембраны иногда обеспечивают поддержку тонким плотным слоям мембраны, образуя асимметричные мембранные структуры. Последние обычно получают путем ламинирования плотных и пористых мембран.