5.1. Общие сведения о мембранной фильтрации

Фильтрация, определяемая как процесс разделения системы “твердые частицы — жидкость” пропусканием ее через перегородку из пористого, волокнистого или гранулированного материала, представляет собой один из ключевых процессов в лабораторной практике и промышленности. Этот процесс с использованием тканевых, бумажных, волокнистых фильтров хорошо знаком каждому студенту-химику. Одной из разновидностей процесса фильтрации является мембранная фильтрация, в которой в качестве фильтра используются мембраны — тонкие (менее 0,1 мм толщиной) перегородки, имеющие высокую степень пористости. Изготавливают мембраны главным образом из полимеров.

Хотя процесс фильтрации известен с древнейших времен, мембранная фильтрация получила развитие сравнительно недавно. Мембранные фильтры используются в лабораторной практике почти 100 лет, однако в промышленном масштабе они стали выпускаться лишь с конца 1940-х гг. Они могут использоваться как для фильтрации, т. е. отделения всех частиц от фильтруемой жидкости, так и для ситования, т. е. отделения частиц большего размера от частиц меньшего размера.

Исторически одним из основных факторов, определивших появление в лабораторной и промышленной практике мембранной фильтрации, было изучение физикохимии процессов диализа и осмоса. При этом в качестве проницаемых перегородок использовались сначала биологические объекты — плавательный пузырь рыб, оболочки кишок животных. Впоследствии в качестве перегородок стали использоваться целлофановые (нитроцеллюлозные) пленки. Применение проницаемых пленок биологического происхождения положило начало изучению функций и роли мембран и мембранных процессов в живых организмах. Было обнаружено, что человеческий организм состоит примерно из 10¹³ клеток, наружная оболочка и внутренние перегородки которых представляют собой биологические мембраны. Общая поверхность клеточных и внутриклеточных мембран человеческого организма составляет десятки и сотни миллионов квадратных метров.

Биологические мембраны представляют собой очень сложно организованные образования, выполняющие структурную функцию разделения клетки на отдельные элементы и отделения клетки как от соседних клеток, так и от межклеточного пространства. Молекулярной основой биологических мембран являются фосфолипиды, содержащие гидрофильную заряженную фосфатную “головку” и гидрофобный алифатический “хвост”. Молекулы фосфолипидов образуют двойной слой, внешнюю часть которого составляют фосфатные группы, а внутреннюю — алифатические “хвосты”, находящиеся в жидкокристаллическом упорядочении. Кроме структурной, важнейшей функцией биологических мембран является транспортная. Через них осуществляется весь метаболический обмен клетки с окружающей средой, причем в некоторых случаях транспорт ионов осуществляется против градиента их концентрации. Биологические мембраны представляют собой сложнейшие молекулярные машины, механизмы и принципы действия которых еще далеко не изучены.

Обычная фильтрация, в которой используются тканевые, бумажные, волоконные и другие фильтры, характеризуется минимальным размером отделяемых частиц порядка 1 мкм. Определяющими факторами в такой фильтрации являются механический и гидродинамический — размер и форма отделяемых частиц, соотношение их размеров с размерами пор фильтра, скорость потока фильтруемой жидкости.

Мембранная фильтрация используется в процессах отделения от жидкости частиц, размер которых меньше 1 мкм. Это огромный круг объектов от атмосферной пыли (10^-2 — 10 мкм), частиц табачного дыма (10^-2 — 1 мкм), продуктов сгорания (10^-2 — 10^-1 мкм), бактерий (10^-1 — 10 мкм), вирусов (10^-2 — 10^-1 мкм) до мелких молекул и ионов, размер которых меньше 10^-3 мкм. В соответствии с размерами фильтруемых частиц процессы мембранной фильтрации разделяются на микрофильтрацию, предназначенную для выделения частиц, ультрафильтрацию, предназначенную для отделения от жидкости молекул и, в первую очередь, макромолекул. Еще один процесс мембранной фильтрации — диализ —предназначен для выделения мелких молекул и ионов. В некоторых случаях диализ проводится в обратном направлении, когда к фильтруемому раствору прикладывается давление, превышающее осмотическое. Такой процесс называется обратным осмосом.

По сравнению с обычной, мембранная фильтрация представляет собой гораздо более сложный физико-химический процесс, протекание которого связано не только с механическими и гидродинамическими факторами. Дело в том, что с уменьшением размеров частиц сильно возрастает отношение их поверхности к объему, и свойства поверхности (наличие заряда, соотношение полярных и неполярных групп) начинают оказывать существенное влияние на поведение частиц и их взаимодействие с поверхностью пор мембранного фильтра.

Мембранные фильтры имеют ряд достоинств, которые делают их совершенно незаменимыми в современных технологических процессах. Мембранная фильтрация широко используется в микробиологии, биохимии, химии, медицине, пищевой промышленности, для очистки и обессоливания воды, для низкотемпературной стерилизации термолабильных биологических сред, для очистки от загрязнений жидкостей и газов, используемых в тонких современных технологиях, например, микроэлектронике, и др.

В настоящей главе в самом общем виде рассматриваются методы изготовления полимерных мембран различного назначения, типы их структуры, устройство некоторых аппаратов для мембранной фильтрации, а также примеры практического использования мембран.