Поиск


ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №37

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №36

                    ( читать ... )

Ссылки партнеров

Индустриальный текстиль


Нетканых, искусственных и композицион. материалов/Индустриальный текстиль/Половолоконные мембраны в России

Половолоконные мембраны в России

27 марта 2003
Технический текстиль №7, 2003

Айзенштейн Эмиль Михайлович


Половолоконные мембраны и модули на их основе - неотъемлемая часть наиболее распространенных мембранных изделий, составляющая, по ориентировочным оценкам, около 25-30% от общего мирового выпуска этой продукции. Применение полых волокон для тех или иных мембранных процессов обусловлено их морфологической структурой, и в первую очередь, размером и распределением пор, толщиной и химической природой селективного слоя и подложки, размещенных в стенке волокна. Диапазон размеров пор, как и для мембран в виде пленок, трубок и т.п., определяет области их использования для разделения жидких сред, преимущественно основанного на фазовом переносе. Для газодиффузионных процессов используются более плотные мембраны в виде полых волокон с тонкой гомогенной стенкой или асимметричного строения.

Основные научные, технологические и аппаратурные исследования в области половолоконных мембран в России были организованы в начале 70-х годов прошлого столетия во Всесоюзном научно-исследовательском институте искусственного волокна (ВНИИСВ, г. Мытищи) под руководством Г. Будницкого.

С 1987 по 1994 гг., в пору широкого внедрения этой продукции, отдел полых волокон ВНИИСВ возглавлял автор  статьи. В этом институте были созданы практически все виды мембран, выпускаемых в мире на основе полых волокон, в т.ч. газоразделительные (ГР), обратноосмотические (ОО), нанофильтрационные (НФ), ультрафильтрационные (УФ) и микрофильтрационные (МФ). При непосредственном участии Ю. Кострова, И. Великановой и др. в опытно-промышленном масштабе разработана технология получения полых волокон.

Их наружный диаметр составляет 60...240 мкм,  толщина стенки соответственно 10...80 мкм. Они выполнены на базе различных типов полимеров, в том числе поли-4-метилпентена -1 (гравитон и гравитон-М), фторопластов (Ф-42 Э, Ф-4МБ, Ф-3), поликарбонатсилаксана (графикс), поликапроамида, полипропилена и ацетата целлюлозы, обладающих различным коэффициентом газопроницаемости ко многим известным газам.

С помощью этих мембран из газовых смесей может быть выделена широкая гамма целевых продуктов при довольно высокой селективности, например для системы O2/N2, превышающей фактор разделения 4,0...4,5. Ю. Костров и Н. Егоров предложили вариант создания композиционного полого волокна путем нанесения на пористое полиолефиновое (например, гравитон) волокно (подложку) тонкого (около 1 мкм) селективного слоя, в частности полифениленоксида. Производительность такой мембраны, например по О2 и N2, возрастает в 8-10 раз при факторе разделения этих газов в среднем на 20% выше по сравнению с гравитоном - 2.

Внедрение и расширение сфер применения ГР волокон, и в первую очередь обогащение воздуха кислородом, создание регулируемой инертной среды, выделение углекислоты из дымовых газов и т.д., стали возможными при осуществлении удачных аппаратурных решений, осуществленных на ранней стадии В. Бакуновым, а затем А. Тиракьяном.

Последний на основе оптимизации процесса разделения с использованием газодинамических параметров разработал конструкции газоразделительных аппаратов (модулей) петлевого и катушечного типа. Отличительной особенностью этих аппаратов является плотная укладка волокна (до 20000 м23), высокая поверхность разделения (45...90 м2 в 1 кг нити гравитон) при рабочем давлении 10...30 МПа и производительности 4...100 м3/ч.

При этих параметрах возможно получение обогащенного азотом (90-98%) воздуха для создания инертной среды, в частности, во фрукто- и овощехранилищах, для предотвращения горения и повышения КПД двигателей внутреннего сгорания.

Основополагающая роль в разработке теоретических и практических основ отечественных мембран половолоконного строения по праву принадлежит недавно ушедшему от нас профессору Л. Перепечкину. Под его руководством сотрудниками ВНИИСВ В. Бакуновым, А. Борщевым, Л. Нечаевой, Л. Майбороды и др. на экспериментальном заводе созданы обратноосмотические, нано- и ультрафильтрационные мембраны из полых волокон на основе диацетата целлюлозы, ароматического полиамида, полисульфона и др. полимеров для разделения, концентрирования и очистки жидких средств.

Обратноосмотические разделительные аппараты типа АРО-205 на основе полых ацетатных нитей (наружный и внутренний диаметр соответственно 170...260 мкм и 70...75 мкм) имеют селективность по 0,15%-ному водному раствору NaCl не менее 80...85%, производительность (при давлении 3 МПа, температуре 25°С, конверсии 75%) от 10 до 14,5 м3/сутки. Указанные характеристики во многом обуславливают эффективность применения этих аппаратов для опреснения воды и решения актуальных экологических задач.

Проведенные в середине 80-х годов Л. Перепечкиным, Э. Айзенштейном, Л.  Нечаевой и др. опыты показали, что для нанофильтрации необходимы полые ацетатные волокна с более рыхлой структурой, чем для ОО.

Одним из методов регулирования плотности является температурный режим гидротермической обработки свежесформованных волокон, полученных, в свою очередь, по ранее освоенной технологии для ОО ацетатных волокон. НФ половолоконные мембраны характеризуются малой степенью селективности по солям с одновалентными анионами и органическим соединениям с молекулярной массой менее 150 у.е. и более высокой степенью селективности по солям с ди- и поливалентными анионами и органическим соединениям с молекулярной массой более 300 у.е.

Такие мембраны могут применяться там, где не требуется высокая селективность по NaCl, но при этом значительно выигрывают в производительности, либо в возможности ее достижения при более низком давлении. Так, при давлении 1,0...3,0 МПа производительность по 0,15%-ному раствору NaCl соответственно увеличивается от 5 до 25 м3/сутки, а по солям жесткости - на 30% выше.

На протяжении многих лет Л. Перепечкин совместно с А. Борщевым, Г. Козел, А. Ряховским, Н. Ждановой и другими сотрудниками успешно совершенствовал технологическую и аппаратурную схему производства УФ мембран на основе полых волокон из ароматического полиамида (полифенилентереизофталамида), синтезированного Л.Б.Соколовым и Ю.А. Федотовым  в НПО Полимерсинтез.


На основе этого полимера сформованы полые волокна с наружным диаметром 500...1100 мкм и пределом задержания по молекулярной массе 5...100.000 дальтон, отвечающие трем основным маркам ВПУ-5, ВПУ-15 и ВПУ-100. Производительность стандартного (диаметром 75 мм) модуля, заполненного такими волокнами, составляет 1,0...1,5 м3/(ч.атм.), что соизмеримо со всеми известными мировыми образцами, в частности - с образцами фирм Нитто (Япония), Райхельт (Германия), Ромикон (США) и др.

УФ аппараты типа УВА-200 и УВА-800 успешно прошли испытания в электронной промышленности по получению особо чистой воды и показали высокую степень селективности по микрочастицам. Не менее удачны результаты по концентрированию молока, полученные на предприятиях, перерабатывающих эту продукцию.

Однако очевидно и значительное снижение производительности отечественных и импортных УФ мембран в условиях контакта с белковыми веществами, при которых происходит неизбежное засорение поверхности синтетической гидрофобной мембраны белком и, как следствие, существенная потеря в производительности, необходимость частого и трудоемкого промывания мембран. Причина тому - прилипание макромолекулярных растворимых веществ к стенкам пор и уменьшение их среднего размера.

Кроме того, макромолекулы белка в результате взаимодействия сил на границе раздела фаз могут осаждаться на поверхности мембраны и во многих случаях образуют слой (подобно композиционному), препятствующий течению раствора сквозь пористую мембрану. Это вызывает до 90% невосполнимых потерь УФ потока в течение нескольких дней или недель, в зависимости от вида мембран и конкретных условий эксплуатации.

Чтобы воспрепятствовать отмеченному недостатку, Э. Айзенштейн, А. Малых, А. Борщев и др. предприняли попытку химического модифицирования непосредственно в корпусе аппарата половолоконной УФ мембраны из полифенилентереизофталамида. В качестве модификатора использовали гидрофильный полимер природного происхождения - декстран. Закрепление его на полимерной матрице осуществляли с помощью соединения, обеспечивающего химическое взаимодействие декстрана с субстратом.

Полученные результаты превзошли ожидания. Во-первых, производительность модифицированной мембраны при ультрафильтрации творожной сыворотки увеличивается в 1,3...1,5 раза по сравнению с обычной.

Во-вторых, потеря производительности мембраны при обработке тем меньше, чем рыхлее структура УФ-волокна, например типа ВПУ-100.

В-третьих, регенерация модифицированной мембраны проходит значительно полнее и быстрее, достигая высокой исходной водопроницаемости.

Эти результаты оказались практически полезными не только в молочной отрасли, но и на ряде биотехнологических и медицинских предприятий, специализирующихся в области концентрирования и выделения белковых соединений.

В настоящее время В. Бакунов и Л. Майборода продолжают исследования в области получения и практического использования регенерации модифицированной мембраны для процессов водоподготовки и медицинских целей. Завершены работы по созданию полого волокна для гемофильтрации.

Большим спросом пользуются модули, наполненные полисульфиновыми полыми волокнами, способными полностью убрать мутность воды, уменьшить цветность в 7...10 раз, снизить окисляемость в 2...3 раза, сократить содержание железа в 4...8 раз, аммиака - в 15 раз, нитратов - в 2 раза, магния - в 1,5 раза и жесткость воды - более чем на 20%.

Полученные В.Андреевым и Г. Будницким методом растрескивания полые пористые волокна из ПП можно условно отнести к классу МФ мембран, с помощью которых удалось найти ряд интересных областей применения: гомооксигенации, первопорации, композиционной подложки и др. Изготовленный образец малопоточного оксигенатора соответствует медико-техническим требованиям и проверен в клинических условиях. Пригодность половолоконных МФ для первопорации зависит от гидрофильности полимерного материала, оцениваемого по углу смачивания, и от скорости прохождения паров.

К сожалению, в России, и, в частности, во ВНИИПВ (Мытищи), исследование и получение перечисленных выше половолоконных мембран, за исключением ничтожно малого выпуска УФ половолоконных аппаратов на основе полисульфона, практически прекращены.

Лабораторная база и большая часть опытного оборудования института ликвидированы, кадровый состав сведен до минимума. В результате потребителям приходится приобретать данную продукцию за границей, где разработкам в области половолоконных мембран по-прежнему уделяется повышенное внимание.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ

НАШИ  ЖУРНАЛЫ И СПРАВОЧНИКИ

Смотреть архив

АНОНСЫ:
ЖУРНАЛ "РЫНОК ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ" №118

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "РЫНОК ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ" №117

                    ( читать ... )