Искусственная мембрана , или синтетическая мембрана , представляет собой синтетически созданную мембрану, которая обычно предназначена для целей разделения в лаборатории или в промышленности. Синтетические мембраны успешно используются для малых и крупных промышленных процессов с середины двадцатого века. [1] Известно большое разнообразие синтетических мембран. [2] Они могут быть изготовлены из органических материалов, таких как полимеры и жидкости, а также из неорганических материалов. Большинство коммерчески используемых синтетических мембран в промышленности изготовлены из полимерных структур. Их можно классифицировать на основе их поверхностной химии , объемной структуры, морфологии и метода производства. Химические и физические свойства синтетических мембран и разделенных частиц, а также движущая сила разделения определяют конкретный процесс мембранного разделения. Наиболее часто используемыми движущими силами мембранного процесса в промышленности являются градиент давления и концентрации . Соответствующий мембранный процесс поэтому известен как фильтрация . Синтетические мембраны, используемые в процессе разделения, могут иметь различную геометрию и конфигурации потока. Их также можно классифицировать на основе их применения и режима разделения. [2] Наиболее известные синтетические мембранные процессы разделения включают очистку воды , обратный осмос , дегидрирование природного газа, удаление клеточных частиц с помощью микрофильтрации и ультрафильтрации , удаление микроорганизмов из молочных продуктов и диализ .
Синтетическая мембрана может быть изготовлена из большого количества различных материалов. Она может быть изготовлена из органических или неорганических материалов, включая твердые вещества, такие как металлы , керамика , гомогенные пленки, полимеры , гетерогенные твердые вещества (полимерные смеси, смешанные стекла [ необходимо разъяснение ] ) и жидкости. [3] Керамические мембраны производятся из неорганических материалов, таких как оксиды алюминия , карбид кремния и оксид циркония . Керамические мембраны очень устойчивы к воздействию агрессивных сред (кислот, сильных растворителей). Они очень стабильны химически, термически и механически, и биологически инертны . Несмотря на то, что керамические мембраны имеют большой вес и существенные производственные затраты, они экологически чисты и имеют длительный срок службы. Керамические мембраны обычно изготавливаются в виде монолитных форм трубчатых капилляров . [3]
Жидкие мембраны относятся к синтетическим мембранам, изготовленным из нежестких материалов. В промышленности можно встретить несколько типов жидких мембран: эмульсионные жидкие мембраны, иммобилизованные (поддерживаемые) жидкие мембраны, [4] поддерживаемые расплавленные солевые мембраны, [5] и жидкие мембраны, содержащие полые волокна. [3] Жидкие мембраны были тщательно изучены, но до сих пор имели ограниченное коммерческое применение. Поддержание адекватной долговременной стабильности является ключевой проблемой из-за тенденции мембранных жидкостей испаряться, растворяться в фазах, контактирующих с ними, или выползать из мембранной подложки.
Полимерные мембраны лидируют на рынке мембранного разделения, 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 обеспечивать низкое сродство связывания для разделенных молекул (как в случае биотехнологических приложений) и должен выдерживать жесткие условия очистки. Он должен быть совместим с выбранной технологией изготовления мембран. [6] Полимер должен быть подходящим формирователем мембран 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 различные температуры стеклования ), влияя на эксплуатационные характеристики мембраны. Полимер должен быть доступным и иметь разумную цену, чтобы соответствовать критериям низкой стоимости процесса мембранного разделения. Многие мембранные полимеры привиты, модифицированы по индивидуальному заказу или производятся в виде сополимеров для улучшения их свойств. [6] Наиболее распространенными полимерами в синтезе мембран являются ацетат целлюлозы , нитроцеллюлоза и эфиры целлюлозы (CA, CN и CE), полисульфон (PS), полиэфирсульфон (PES), полиакрилонитрил (PAN), полиамид , полиимид , полиэтилен и полипропилен (PE и PP), политетрафторэтилен (PTFE), поливинилиденфторид ( PVDF ), поливинилхлорид (PVC).
Полимерные мембраны могут быть функционализированы в ионообменные мембраны путем добавления высококислотных или основных функциональных групп, например, сульфоновой кислоты и четвертичного аммония, что позволяет мембране образовывать водные каналы и селективно транспортировать катионы или анионы соответственно. Наиболее важными функциональными материалами в этой категории являются протонообменные мембраны и щелочные анионообменные мембраны , которые лежат в основе многих технологий очистки воды, хранения энергии, генерации энергии. Применения в очистке воды включают обратный осмос , электродиализ и обратный электродиализ . Применения в хранении энергии включают перезаряжаемые металл-воздушные электрохимические элементы и различные типы проточных батарей . Применения в производстве энергии включают топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC), топливные элементы с щелочной анионообменной мембраной (AEMFC), а также осмотическую и основанную на электродиализе осмотическую энергию или генерацию синей энергии .
.jpg/1280px-Ceramic_membrane_(crossflow_filtration).jpg)
Керамические мембраны изготавливаются из неорганических материалов (таких как оксид алюминия , титана , оксиды циркония , рекристаллизованный карбид кремния или некоторые стекловидные материалы). В отличие от полимерных мембран, их можно использовать в процессах разделения, где присутствуют агрессивные среды (кислоты, сильные растворители). Они также обладают превосходной термической стабильностью, что делает их пригодными для использования в высокотемпературных мембранных операциях .
Одной из важнейших характеристик синтетической мембраны является ее химия. Химия синтетической мембраны обычно относится к химической природе и составу поверхности, контактирующей с потоком процесса разделения. [6] Химическая природа поверхности мембраны может существенно отличаться от ее основного состава. Это различие может быть результатом разделения материала на каком-то этапе изготовления мембраны или преднамеренной модификации поверхности после формирования. Химия поверхности мембраны создает очень важные свойства, такие как гидрофильность или гидрофобность (связанные со свободной энергией поверхности), наличие ионного заряда , химическое или термическое сопротивление мембраны, сродство связывания с частицами в растворе и биосовместимость (в случае биоразделения). [6] Гидрофильность и гидрофобность поверхностей мембран можно выразить через угол контакта воды (жидкости) θ. Гидрофильные мембранные поверхности имеют контактный угол 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. При равновесии три межфазных натяжения, соответствующие интерфейсам твердое тело/газ (γ SG ), твердое тело/жидкость (γ SL ) и жидкость/газ (γ LG ), уравновешиваются. [6] Последствие величин угла контакта известно как явление смачивания , которое важно для характеристики поведения капиллярного (порового) проникновения. Степень смачивания поверхности мембраны определяется углом контакта. Поверхность с меньшим углом контакта имеет лучшие смачивающие свойства (θ=0°-идеальное смачивание). В некоторых случаях жидкости с низким поверхностным натяжением, такие как спирты или растворы поверхностно-активных веществ, используются для улучшения смачивания несмачивающих поверхностей мембран. [6] Свободная энергия поверхности мембраны (и связанная с ней гидрофильность/гидрофобность) влияет на явления адсорбции частиц мембраны или загрязнения . В большинстве процессов разделения мембран (особенно биоразделения) более высокая гидрофильность поверхности соответствует меньшему загрязнению. [6] Синтетическое загрязнение мембран ухудшает производительность мембраны. В результате было разработано большое количество разнообразных методов очистки мембран. Иногда загрязнение необратимо , и мембрану необходимо заменить. Еще одной особенностью химии поверхности мембраны является поверхностный заряд. Наличие заряда изменяет свойства интерфейса мембрана-жидкость. Поверхность мембраны может развивать электрокинетический потенциал и вызывать образование слоев частиц раствора, которые стремятся нейтрализовать заряд.
Синтетические мембраны также можно классифицировать на основе их структуры (морфологии). Три таких типа синтетических мембран обычно используются в разделительной промышленности: 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 малых молекул (обычно в газовой или жидкой фазе). Плотные мембраны широко используются в промышленности для разделения газов и обратного осмоса.
Плотные мембраны могут быть синтезированы как аморфные или гетерогенные структуры. Полимерные плотные мембраны, такие как политетрафторэтилен и эфиры целлюлозы , обычно изготавливаются путем компрессионного формования , литья растворителя и распыления полимерного раствора. Мембранная структура плотной мембраны может находиться в резиноподобном или стеклообразном состоянии при заданной температуре в зависимости от ее температуры стеклования . [2] Пористые мембраны предназначены для разделения 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 диализных приложениях. Существуют некоторые разногласия в определении «мембранной поры». Наиболее часто используемая теория предполагает цилиндрическую пору для простоты. Эта модель предполагает, что поры имеют форму параллельных, непересекающихся цилиндрических капилляров. Но в действительности типичная пора представляет собой случайную сеть неравномерно сформированных структур разных размеров. Образование пор может быть вызвано растворением «лучшего» растворителя в «плохом» растворителе в растворе полимера. [2] Другие типы поровой структуры могут быть получены 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 для тонких плотных мембранных слоев, образуя асимметричные мембранные структуры. Последние обычно производятся путем ламинирования плотных и пористой мембран.