Синтетическая мембрана - Synthetic membrane

Эта статья про синтетические мембраны для разделения. Для природных структур см. Биологическая мембрана. О других значениях термина мембрана см. Мембрана (значения).

An искусственная мембрана, или же синтетическая мембрана, представляет собой синтетически созданную мембрану, которая обычно предназначена для разделения в лаборатории или в 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 органический материалы, такие как полимеры и жидкости, а также неорганический материалы. Большинство синтетических мембран, используемых в промышленности для разделения, изготовлены из полимерный конструкции. Их можно классифицировать по их химия поверхности, объемная структура, морфология, и способ производства. Химические и физические свойства синтетических мембран и разделенных частиц, а также выбор движущей силы определяют конкретный процесс мембранного разделения. Наиболее часто используемые движущие силы мембранного процесса в промышленности: давление и градиенты концентрации. Поэтому соответствующий мембранный процесс известен как фильтрация. Синтетические мембраны, используемые в процессе разделения, могут иметь различную геометрию и соответствующую конфигурацию потока. Их также можно разделить на категории в зависимости от их применения и режима разделения.[2] Наиболее известные процессы синтетического мембранного разделения включают: очистка воды, обратный осмос, дегидрирование природного газа, удаление клеточных частиц микрофильтрация и ультрафильтрация, удаление микроорганизмов из молочных продуктов, и Диализ.

Типы и структура мембран

Синтетическая мембрана может быть изготовлена ​​из большого количества различных материалов. Он может быть изготовлен из органических или неорганических материалов, включая твердые вещества, такие как металл или же керамика, однородный пленки (полимеры), неоднородный твердые вещества (полимерные смеси, смешанные стекла) и жидкости.[3] Керамические мембраны производятся из неорганических материалов, таких как алюминий оксиды, Карбид кремния, и цирконий окись. Керамические мембраны очень устойчивы к воздействию агрессивных сред (кислоты, сильные растворители). Они очень стабильны химически, термически, механически и биологически. инертный. Несмотря на то, что керамические мембраны имеют большой вес и значительную стоимость производства, они экологически безопасны и имеют долгий срок службы. Керамические мембраны обычно изготавливают в виде монолитных трубчатых профилей. капилляры.[3]

Жидкие мембраны

Жидкие мембраны - это синтетические мембраны, изготовленные из нежестких материалов. В промышленности можно встретить несколько типов жидких мембран: эмульсионные жидкие мембраны, иммобилизованные (поддерживаемые) жидкие мембраны, расплавленный соли, а полые волокна содержали жидкие мембраны.[3] Жидкие мембраны были тщательно изучены, но до сих пор имеют ограниченное коммерческое применение. Поддержание адекватной долгосрочной стабильности представляет собой проблему из-за тенденции мембранных жидкостей к испарению или растворению в контактирующих с ними фазах.

Полимерные мембраны

Полимерные мембраны лидируют на рынке индустрии мембранного разделения, потому что они очень конкурентоспособны по характеристикам и экономике.[3] Доступно множество полимеров, но выбор мембранного полимера - нетривиальная задача. Полимер должен иметь соответствующие характеристики для предполагаемого применения.[4] Иногда полимер должен иметь низкое связывание. близость для разделенных молекул (как в случае применения в биотехнологии) и должен выдерживать суровые условия очистки. Он должен быть совместим с выбранной технологией изготовления мембран.[4] Полимер должен быть подходящим образующим мембрану с точки зрения жесткости цепей, цепных взаимодействий, стереорегулярность, и полярность его функциональных групп.[4] Полимеры могут варьироваться от аморфный и полукристаллический структуры (также могут иметь разные стеклование температуры), влияющие на рабочие характеристики мембраны. Полимер должен быть доступным и по разумной цене, чтобы соответствовать критериям низкой стоимости процесса мембранного разделения. Многие мембранные полимеры привиты, модифицированы под заказ или производятся как сополимеры для улучшения их свойств.[4] Наиболее распространенными полимерами в мембранном синтезе являются: ацетат целлюлозы, Нитроцеллюлоза, и целлюлоза сложные эфиры (CA, CN и CE), полисульфон (PS), полиэфир сульфон (PES), полиакрилонитрил (СКОВОРОДА), полиамид, полиимид, полиэтилен и полипропилен (ПЭ и ПП), политетрафторэтилен (ПТФЭ), поливинилиденфторид (ПВДФ), поливинил хлорид (ПВХ).

  • Полисульфон (PS)

  • Полиэтилен (PE)

  • Политетрафторэтилен (PTFE)

  • Полипропилен (ПП)

Полимерные электролитные мембраны

Полимерные мембраны могут быть функционализированы в ионообменные мембраны добавлением сильнокислотных или основных функциональных групп, например сульфоновая кислота и четвертичный аммоний, позволяющие мембране образовывать водные каналы и избирательно переносить катионы или анионы соответственно. К наиболее важным функциональным материалам в этой категории относятся: протонообменные мембраны и щелочные анионообменные мембраны, лежащих в основе многих технологий очистки воды, хранения энергии и производства энергии. Применения в области очистки воды включают обратный осмос, электродиализ, и обратный электродиализ. Приложения в области хранения энергии включают перезаряжаемые электрохимические ячейки металл-воздух и различные виды проточная батарея. Приложения в сфере производства энергии включают топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFCs), щелочные анионообменные мембранные топливные элементы (AEMFC), а также на основе осмотического и электродиализа осмотическая сила или же голубая энергия поколение.

Керамические многоканальные элементы

Керамические мембраны

Керамические мембраны сделаны из неорганический материалы (такие как глинозем, титания, цирконий оксиды перекристаллизованные Карбид кремния или стеклообразные материалы). В отличие от полимерных мембран, они могут использоваться в разделениях, где присутствуют агрессивные среды (кислоты, сильные растворители). Они также обладают превосходной термостойкостью, что позволяет использовать их при высоких температурах. мембранные операции.

Химия поверхности

Краевой угол смачивания капли жидкости на твердой твердой поверхности. Уравнение Юнга: γLG ∙ cosθ + γSL= γSG.

Одна из важнейших характеристик синтетической мембраны - ее химический состав. Химия синтетической мембраны обычно относится к химической природе и составу поверхности, контактирующей с технологическим потоком разделения.[4] Химическая природа поверхности мембраны может сильно отличаться от ее объемного состава. Это различие может быть результатом разделения материала на каком-то этапе изготовления мембраны или предполагаемой модификации поверхности после преобразования. Химический состав поверхности мембраны создает очень важные свойства, такие как гидрофильность или же гидрофобность (связанных со свободной энергией поверхности), наличие ионный заряд, химическая или термическая стойкость мембраны, связывание близость для частиц в растворе, и биосовместимость (в случае биоразделений).[4] Гидрофильность и гидрофобность мембранных поверхностей могут быть выражены через воду (жидкость). угол контакта θ. Гидрофильный Поверхности мембраны имеют угол смачивания в диапазоне 0 ° <θ <90 ° (ближе к 0 °), где гидрофобный материалы имеют θ в диапазоне 90 ° <θ <180 °.

Смачивание листа.

Краевой угол определяется путем решения уравнения Юнга для баланса межфазных сил. При равновесии три межфазных натяжения, соответствующие твердое тело / газ (γSG), твердое / жидкое (γSL) и жидкость / газ (γLG) интерфейсы уравновешены.[4] Следствие величины краевого угла известно как смачивание явления, что важно для характеристики капилляр (поровое) поведение вторжения. Степень смачивания поверхности мембраны определяется краевым углом смачивания. Поверхность с меньшим краевым углом смачивания обладает лучшими смачивающими свойствами (θ = 0 ° - идеальное смачивание). В некоторых случаях низкий поверхностное натяжение жидкости, такие как спирты или поверхностно-активное вещество Растворы используются для улучшения смачивания несмачиваемых поверхностей мембран.[4] Поверхность мембраны свободная энергия (и связанная с ними гидрофильность / гидрофобность) влияет на частицу мембраны адсорбция или же обрастание явления. В большинстве процессов мембранного разделения (особенно биоразделения) более высокая гидрофильность поверхности соответствует более низкому загрязнению.[4] Загрязнение синтетической мембраны ухудшает ее характеристики. Как следствие, было разработано множество методов очистки мембран. Иногда обрастание необратимый, и мембрану необходимо заменить. Еще одна особенность химии поверхности мембран - поверхностный заряд. Наличие заряда изменяет свойства границы раздела мембрана-жидкость. Поверхность мембраны может образовывать электрокинетический потенциал и вызывают образование слоев частиц раствора, которые стремятся нейтрализовать заряд.

Морфология мембраны

Синтетические мембраны также можно разделить на категории в зависимости от их структуры (морфологии). В разделительной 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, который используется 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 можно синтезировать как аморфный или же неоднородный конструкции. Полимерные плотные мембраны, такие как политетрафторэтилен и целлюлоза сложные эфиры обычно производятся прессование, литье из растворителя, и распыление раствора полимера. Мембранная структура плотной мембраны может находиться в каучуковом или стекловидном состоянии при данной температуре в зависимости от ее температура стеклования .[2] Пористые мембраны предназначены для разделения более крупных молекул, таких как твердые коллоидные частицы, большие биомолекулы (белки, ДНК, РНК ) и клетки из фильтрующей среды. Пористые мембраны находят применение в микрофильтрация, ультрафильтрация, и диализ Приложения. Есть некоторые разногласия по поводу определения «поры мембраны». 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 неоднородных структур разного размера. Образование пор может быть вызвано растворением «лучшего» растворитель в «более бедный» растворитель в растворе полимера.[2] Другие типы пористой структуры могут быть получены растяжением кристаллический структурные полимеры. Структура пористой мембраны зависит от характеристик взаимодействующего полимера и растворителя, концентрации компонентов, молекулярный вес, температура и время хранения в растворе.[2] Более толстые пористые мембраны иногда служат опорой для тонких плотных мембранных слоев, образуя асимметричные мембранные структуры. Последние обычно производятся ламинирование плотных и пористых мембран.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Пиннау И., Фриман Б.Д., Образование и модификация мембран, ACS, 1999.
  2. ^ а б c d е Осада, Ю., Накагава, Т., Мембранная наука и технология, Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк., 1992.
  3. ^ а б c d Перри, Р.Х., Грин Д.Х., Справочник инженеров-химиков Перри, 7-е издание, McGraw-Hill, 1997.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я Zeaman, Leos J., Zydney, Andrew L., Микрофильтрация и ультрафитрация, Принципы и приложения., Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк., 1996.

Рекомендации

  • Пиннау И., Фриман Б.Д., Образование и модификация мембран, ACS, 1999.
  • Осада, Ю., Накагава, Т., Мембранная наука и технология, Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк., 1992.
  • Перри, Р.Х., Грин Д.Х., Справочник инженеров-химиков Перри, 7-е издание, McGraw-Hill, 1997.
  • Земан, Леос Дж., Зидней, Эндрю Л., Микрофильтрация и ультрафитрация, Принципы и приложения., Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк, 1996.
  • Малдер М., Основные принципы мембранной технологии, Kluwer Academic Publishers, Нидерланды, 1996.
  • Йорниц, Майк В., Стерильная фильтрация, Шпрингер, Германия, 2006 г.
  • Джейкоб Дж., Праданос П., Кальво Дж. И., Эрнандес А., Йонссон Г. Кинетика обрастания и соответствующая динамика структурных модификаций. Дж. Колл и Серф. 138(1997): 173-183.
  • Ван Рейс Р., Зидней А. Биопроцессная мембранная технология. J Mem Sci. 297(2007): 16-50.
  • Мадаэни С.С.Влияние крупных частиц на микрофильтрацию мелких частиц Дж. Por Mat. 8(2001): 143-148.
  • Мартинес Ф., Мартин А., Праданос П., Кальво Дж. И., Паласио Л., Эрнандес А. Адсорбция и осаждение белка на микрофильтрационных мембранах: роль взаимодействий растворенного вещества и твердого вещества. Дж. Coll Interf Sci. 221(2000): 254-261.
  • Паласио Л., Хо С., Праданос П., Кальво Дж. И., Хериф Г., Ларбот А., Эрнандес А. Загрязнение, структура и заряд композитной неорганической микрофильтрационной мембраны. Дж. Колл и серфинг. 138(1998): 291-299.
  • Templin T., Johnston D., Singh V., Tumbleson M.E., Belyea R.L., Rausch K.D. Мембранное отделение твердых частиц от потоков переработки кукурузы. Biores Tech. 97(2006): 1536-1545.
  • Zydney A. L., Ho C. Влияние морфологии мембраны на пропускную способность системы во время микрофильтрации с нормальным потоком. Biotechnol, Bioeng. 83(2003): 537-543.
  • Риппергер С., Шульц Г. Микропористые мембраны в биотехнических приложениях. Биопроцесс Рус. 1(1986): 43-49.
  • Хо К., Зидней А. Загрязнение белками асимметричных и композитных мембран микрофильтрации. Ind Eng Chem Res. 40(2001): 1412-1421.