Мембрана из неорганического материала и способ ее применения

Изобретение относится к области изготовления и применения мембранных фильтров из неорганических материалов и может быть использовано в различных отраслях производства для очистки и концентрирования растворов, обработки сточных вод, очистки питьевой и технологической воды и т.д. Мембрана содержит керамическую подложку и электропроводящий мембранный слой. В качестве электропроводящего мембранного слоя используют углеродный селективный слой, полученный нанесением на керамическую подложку полимерно-графитовой смеси с ее последующей сушкой и обжигом без доступа кислорода в диапазоне температур 600-1400°С. Раствор под давлением пропускают через полученную мембрану между электродами. В качестве одного из электродов используют проводящий мембранный слой. Предложенное изобретение позволяет увеличить селективность разделения при одновременном снижении энергозатрат на проведение процесса разделения. 2 н.з. и 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области изготовления и применения мембранных фильтров из неорганических материалов и может быть использовано в различных отраслях производства для очистки и концентрирования растворов, обработки сточных вод, очистки питьевой и технологической воды и т.д.

Известна мембрана из неорганического материала, содержащая керамическую подложку и электропроводящий мембранный слой [1].

При использовании известной мембраны для осуществления процессов ультра- и микрофильтрации с наложением на нее электрического потенциала увеличивается селективность разделения, однако возрастает вредное воздействие концентрационной поляризации - увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественного переноса через мембрану растворителя. Для уменьшения вредного влияния концентрационной поляризации действуют на прилегающий к поверхности мембраны слой жидкости: увеличивают скорость потока вдоль мембраны, используют турбулизаторы и различные физико-химические воздействия. Для этого требуется повышенный расход энергии.

Техническим результатом, достигаемым при реализации настоящего изобретения, является увеличение селективности разделения при одновременном снижении энергозатрат на проведение процесса разделения.

Достигается это тем, что в мембране из неорганического материала, содержащей керамическую подложку и электропроводящий мембранный слой, в качестве электропроводящего мембранного слоя используют углеродный селективный слой, полученный нанесением на керамическую подложку полимерно-графитовой смеси, с ее последующей сушкой и обжигом без доступа кислорода в диапазоне температур 600-1400°С, после чего пропускают раствор через мембрану под давлением с одновременным прохождением раствора между двумя электродами, причем в качестве одного из электродов используют проводящий мембранный слой.

Кроме того, при осуществлении способа применения мембраны пространство между электродами могут заполнять твердыми частицами из диэлектрического материала, в качестве которых могут использовать частицы адсорбента, в частности ионообменную смолу.

Пример 1.

Мембрана выполнена из пористой керамической подложки, на которую вначале под вакуумом наносили коллоидный графит из его водной суспензии.

В других случаях вместо водной суспензии коллоидного графита применяли водную суспензию кокса и водную суспензию сажи.

Затем готовили полимерный раствор. В качестве полимера использовали фенолформальдегидную смолу как новолачного, так и резольного типа. В других случаях применяли дифенилолпропанформальдегидные и каменноугольные смолы. Растворителем служил водный раствор едкого натра с содержанием NaOH не более 20%.

В полимерном растворе содержание смолы было не более 10%, а растворителя - не менее 90%.

Полученный полимерный раствор наносили на керамическую подложку с углеродным материалом, например, методом окунания.

Высушенный образец помещали в контейнер с засыпкой из прокаленного кокса и закрывали крышкой. Контейнер помещали в муфельную печь и проводили обжиг без доступа кислорода в диапазоне температур 600-1400°С.

Пример 2.

Полученную мембрану помещают в ячейку, выполненную из электропроводящего материала, но отделенную от поверхности мембраны диэлектрическими прокладками. Через ячейку под давлением пропускается раствор электролита. Ток подводится к электродам, одним из которых является ячейка, а другим электропроводящий мембранный слой. В результате мембраной задерживаются ионы, имеющие такой же знак заряда, как и мембрана, а ионы противоположного знака беспрепятственно попадают в фильтрат (пермеат).

Пример 3.

Используются две ячейки, описанные выше, установленные последовательно. В первой ячейке мембранный электрод заряжен положительно, а сама ячейка служит отрицательно заряженным электродом. Во второй ячейке мембранный электрод заряжен отрицательно, а ячейка служит положительно заряженным электродом.

Пример 4.

Водный раствор, содержащий CaCl₂, разделяется на двух установленных последовательно ячейках под давлением 4 ати. Сила тока 80 мА, напряжение 60 В. Содержание ионов в исходном растворе следующее, мг/л:

Ионы кальция	31,2
Ионы хлора	55,4

В процессе разделения концентрация ионов, прошедших через незаряженную мембрану, не изменяется и составляет, мг/л:

Ионы кальция	31,2
Ионы хлора	55,4

В процессе разделения концентрация ионов, прошедших через отрицательно заряженную мембрану, изменяется и содержание ионов следующее, мг/л:

Ионы кальция	10
Ионы хлора	28,2

Концентрация ионов, прошедших через положительно заряженную мембрану, изменяется до значений, мг/л:

Ионы кальция	0
Ионы хлора	94,5

Таким образом, при проведении эксперимента без подведения к мембранам заряда концентрация ионов в фильтрате не отличалась от концентрации ионов в исходном растворе, т.е. без заряда на мембране разделения ионов не происходит.

Применение твердых частиц, заполняющих пространство между электродами, позволяет механически воздействовать на поверхность мембраны, очищая ее.

Используя в качестве твердых частиц адсорбенты, в частности ионообменную смолу, можно увеличить эффект неэквивалентного переноса ионов через мембрану.

Пример 5.

В случае проведения эксперимента без ионообменной смолы производительность мембраны при силе тока 80 мА и напряжении 60 В составляет 103,2 л/м²ч.

В случае проведения эксперимента с использованием ионообменной смолы производительность мембраны при силе тока 80 мА и напряжении 60 В составляет 220,1 л/м²ч.

Пример 6

Раствор, содержащий NaCl (1 мас.%), воду (7 мас.%) и глицерин (92 мас.%) с величиной рН=4,5 ед. и значением окислительно-восстановительного потенциала (ОВП)+365 мВ пропускалась под давлением Р=5 ати и температуре t=50°С через положительно заряженную мембрану при силе тока 100 мА и напряжении 50 В.

Показатели фильтрата (пермеата):

рН=0,3 ед.

ОВП=+480 мВ

Показатели концентрата (дренажа):

рН=5,72 ед.

ОВП=+283 мВ

Следовательно, через мембрану проходят ионы Cl^- и задерживаются ионы Na⁺. Одновременно происходит изменение ОВП фильтрата и концентрата до +480 мВ и +283 мВ соответственно.

Пример 7

Дистиллированная вода с показателями рН=6,98 ед. и ОВП=+200 мВ под давлением Р=2,6 ати и температуре t=20°С пропускалась через отрицательно заряженную мембрану при силе тока 1500 мА и напряжении 50 В.

Показатели фильтрата (пермеата):

рН=8,5 ед.

ОВП=-204 мВ

Показатели концентрата (дренажа):

рН=6,88 ед.

ОВП=-190 мВ

Этот пример показывает, что через мембрану проходят ионы ОН^- и задерживаются ионы Н⁺. Одновременно происходит снижение ОВП фильтрата и концентрата (дренажа) до -204 мВ и -190 мВ, следовательно, происходит изменение энергии жидкости, т.к. ОВП отражает ее величину.

Предлагаемая мембрана и способ ее применения позволяет задерживать ионы, имеющие такой же знак заряда, как и мембрана. Применение предлагаемой мембраны поэтому возможно при значительно меньших скоростях потоков и, соответственно, затратах на перекачивание, так как концентрационная поляризация становится положительным, а не отрицательным фактором, при снижении рабочего давления в несколько раз.

Источники информации

1. Патент US №5269935 от 14.12.1992 г.

1. Мембрана из неорганического материала, содержащая керамическую подложку и электропроводящий мембранный слой, отличающаяся тем, что в качестве электропроводящего мембранного слоя используют углеродный селективный слой, полученный нанесением на керамическую подложку полимерно-графитовой смеси с ее последующей сушкой и обжигом без доступа кислорода в диапазоне температур 600-1400°С.

2. Способ применения мембраны по п.1, включающий прохождение раствора через мембрану под давлением с одновременным пропусканием раствора между двумя электродами, причем в качестве одного из электродов используют проводящий мембранный слой.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что пространство между электродами заполняют твердыми частицами из диэлектрического материала.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве твердых частиц используют частицы адсорбента.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве адсорбента используют ионообменную смолу.