Математическое моделирование процесса микрофильтрации

Введение

     С тех пор, как древние  Египтяне изобрели бумагу, люди  стали фильтровать разнообразные  жидкости, чтобы очистить их, и/или  вернуть ценные материалы в  виде осадка.  Мембранная фильтрация (микрофильтрация) в той или иной мере используется человечеством уже более 120 лет. Но ее широкое развитие началось с момента появления мембран для стерилизации лекарственных препаратов и начала крупномасштабного производства растворов парентерального введения. Мембраны, первоначально разработанные для фармацевтики,  в настоящее время нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Ведь получение ультрачистой воды для микроэлектроники, медицины и фармацевтики не может обойтись без применения мембранных фильтров. В настоящее время процесс микрофильтрации широко используется для того, чтобы улучшить качество производимой продукции, защитить дорогостоящее оборудование и очистить сточные воды. Даже в бытовых фильтрах устанавливаются мембранные фильтры. 
    Отдельным объектом для внедрения мембранной фильтрации является очистка воздуха, различных газов и газовых смесей. 
    

1.Определение микрофильтрации и области ее применения.

Микрофильтрация – это процесс отделения из фильтруемой среды крупных коллоидных частиц или взвешенных микрочастиц размером 0,02–25 мкм. Мембраны для микрофильтрации обычно имеют изотропную структуру. Они обладают высокой производительностью, особенно в начальный период эксплуатации. Микрофильтрацию, как правило, осуществляют при небольших перепадах давлениях (до 0,2 МПа) на мембране (или мембранном элементе) во избежание значительных деформаций, которым подвержены мембраны (или мембранный элемент) при приложении на них нагрузки извне.

Мембраны для микрофильтрации могут быть изготовлены из разнообразных органических (полимеры) или неорганических (керамика, металлы, стекла) материалов. Для получения микрофильтрационных мембран из полимерных материалов используются различные методы:

• спекание и другие термические методы;
• вытяжка;
• травление треков, получаемых под действием высокоэнергетических частиц;
• инверсия фаз.

Вместо полимерных мембран могут быть использованы неорганические мембраны, чрезвычайно устойчивые к химическим и термическим воздействиям. В таких мембранах для микрофильтрации, - размеры пор легче контролируются в процессе производства, т.о. достигается очень узкое распределение пор по размерам. Для производства керамических мембран применяют различные технологии:

• спекание и другие термические процессы;
• золь-гель процессы;
• анодное окисление.

Синтетические полимерные мембраны для микрофильтрации делятся на два типа, - гидрофильные и гидрофобные. Полимерные материалы для производства гидрофобные или гидрофильные микрофильтрационных мембран представлены далее. Керамические мембраны производят, как правило, спеканием оксидод алюминия (Al2O3), циркония (ZrO2) и титана (TiO2). Основные органические материалы, используемые для промышленного производства микрофильтрационных (ультрафильтрационных) мембран:

Гидрофильные полимерные мембраны для микрофильтрации - материалы:

• поликарбонаты
• полисульфон (ПС) / полиэфирсульфон (ПЭС)
• полиимид (ПИ) / полиэфиримид (ПЭИ)
• (алифатический) полиамид

Гидрофобные полимерные мембраны для микрофильтрации - материалы:

• поливинилиденфторид (ПВДФ)
• полипропилен (ПП)
• политетрафторэтилен (тефлон)

Области применения микрофильтрационных мембран весьма разнообразны. Типичные примеры их использования в зависимости от размеров пор приведены ниже:

• при диаметре пор 5 мкм и более - предварительная фильтрация взвесей, высокоэффективная очистка газов от взвешенных частиц, очистка высоковязких жидкостей и фотохимикатов, гравиметрический анализ гидравлических масел, анализ пыли, цитофизиологические исследования;
• при диаметре пор 3 мкм - микрофильтрация масел и других вязких жидкостей, фильтрация тонких взвесей, цитофизиологические исследования;
• при диаметре пор 1,2 мкм - фильтрация суспензий, очистка растворителей, гидравлических жидкостей и воздуха для приборов управления, разделение аэрозолей, исследование планктона, цитофизиологические исследования;
• при диаметре пор 0,8 мкм - тонкая фильтрация реактивов, фильтрация газов, контроль чистоты помещений, анализ радиоактивных частиц, анализ дрожжей и плесневых грибков, исследование молочных продуктов, гравиметрический анализ и микроскопическое исследование топлива и минеральных масел;
• при диаметре пор 0,65 мкм - тонкая фильтрация химических, фармацевтических препаратов, микробиологическое исследование молочных продуктов;
• при диаметре пор 0,45 мкм - тонкая фильтрация растворителей, получение сверхчистой воды и фотохимикатов, анализ воздуха, обнаружение бактерии Е. coli в питьевой воде, выделение дрожжей и плесневых грибков из жидких дисперсий;
• инверсия фаз.
• при диаметре пор 0,3 мкм - фильтрация сыворотки, анализ радиоактивных частиц, стерилизация жидкостей и газов;
• при диаметре пор 0,22 мкм - получение оптически чистых продуктов, концентрирование некоторых бактериофагов, стерилизация жидкостей и газов, в том числе фармацевтических и медицинских препаратов, а также питательных сред, стерилизационный контроль фармацевтических препаратов.[1]

2.Стадии микрофильтрации:

1) Инерционное столкновение – результат соударения частицы с барьером в виде фильтрационной перегородки, которая ограничивает дальнейшее продвижение частицы в потоке. Захват частицы фильтрующей перегородкой в этом случае происходит тогда, когда габаритные размеры частицы превышают размер пор (отверстий в фильтрующей перегородке), или когда, частица попадает на ту поверхность перегородки, которая в данном месте не имеет поры. 
        2)  Адгезия – процесс «прилипания», «приклеивания» одной частицы к другой. Осуществление этого процесса во многом зависит от природы «склеивающихся» частиц,  их сродства и электростатического заряда. 
  3) Суффозия – процесс уноса механических примесей из слоя какого-либо материала (в нашем случае из слоя фильтрующего материала). 
        4) Процесс адсорбции, как правило, протекает в том случае, когда механические частицы приобретают отрицательный заряд при прохождении фильтруемой среды через фильтрующую перегородку. За счет наведенного отрицательного заряда частицы прикрепляются к любой нейтральной поверхности, которой может служить как фильтрующая перегородка, так и стенки оборудования, трубопроводов и т.д. немаловажную роль при задержке частиц наряду с адсорбцией играют капиллярные явления.

 5) Определенную роль в процессе микрофильтрации играет так называемый побочный поток, т.е. поток жидкости, который возникает в глубине мембраны и направлен параллельно поверхности мембраны или же перпендикулярно направлению основного потока. Данное явление обусловлено возникновением перепада давления и разностью краевых углов смачивания на соседних участках матрицы мембраны. Наиболее отчетливо побочный поток проявляется в глубинных фильтрах, остается значительным, хотя в меньшей степени, в микропористых мембранах с сетчатой структурой и фактически отсутствует в трековых мембранах. Впрочем, различия в процессах фильтрации на указанных видах фильтрующих мембранных перегородок мы разберем позже. 
    В итоге процессы, протекающие на фильтрующих перегородках, зависят от свойств задерживаемых частиц, свойств фильтруемой жидкости и свойств фильтрующей перегородки.[2]

3. Свойства частиц, влияющие на процесс фильтрации

Размер, форма, плотность и способность к деформации – это свойства частиц, которые влияют на процесс фильтрации.  
Размер частиц – очевидный показатель, который объясняет, почему фильтрующие материалы оцениваются по их способности удалять частицы именно этого размера. 
Форма частиц – показатель ответственный за способность частиц образовывать, так называемый, «дополнительный фильтрующий слой». Частицы неправильной формы за счет эффектов адгезии и суффозии могут формировать на поверхности фильтрующего материала проницаемые «мостики», в то время как частицы правильной и плоской формы способны окружить поверхность фильтра водонепроницаемым слоем.  
Плотность частиц – показатель, влияние которого практически определяет эффективность удержания микрочастиц на фильтрующей перегородке. Чем больше разница в соотношении удельных весов частиц и растворителя, тем больше эффект инерционного взаимодействия. Эта разница объясняет, почему эффективней работа одного и того же фильтра в газовом потоке, чем в потоке жидкости. Чтобы иллюстрировать такой процесс, вообразите, что Вы выпускаете шарик пинг-понга и мяч для гольфа в воздушный поток. Естественно, что шарик пинг-понга будет унесен намного дальше воздушным потоком, чем мяч для гольфа. По этим же законам частицы захватываются фильтрующей перегородкой из потока. 
Способность частиц к деформации – показатель, определяющий возможность частицы изменять свою форму, разрушаться под действием инерционных сил, образовывать агломераты и конгломераты. Наименьшей способностью к деформации обладают твердые частицы (песок, металлическая стружка и т.д.), наибольшей – коллоидные частицы (оксиды железа, желатин и пр.). Частицы с высокой способностью к деформации вызывают эффект экранирования поверхности фильтрующей перегородки. При подборе фильтров способность к деформации частиц, содержащихся в потоке, определяет порядок расположения фильтрационных перегородок в каскадных системах очистки с целью защиты фильтров тонкой (финишной) очистки от «зарастания».  
    В процессе микрофильтрации частицы, размер которых больше размера пор используемого мембранного фильтра, задерживаются на его поверхности, тогда как более мелкие частицы способны проходить через фильтр. Поэтому теоретически можно произвести разделение частиц по их величине. Такое фракционное фильтрование возможно, однако, лишь для растворов с чрезвычайно низким содержанием взвешенных частиц и только в тех случаях, когда адсорбционные и другие эффекты не играют большой роли. На практике обычно частицы, собирающиеся на фильтре, образуют на его поверхности дополнительный фильтрующий слой, который задерживает самые мелкие фракции. Чем крупнее частицы, взвешенные в фильтруемой жидкости, тем быстрее происходит образование этого слоя, наличие которого вызывает постепенное снижение скорости фильтрации до тех пор, пока слой не станет настолько плотным, что полностью затормозит фильтрование. 
    Частицы, которые дают фильтрующий слой, наиболее быстро забивающий фильтр, – это волокна, слизеподобные частицы и коллоиды (такие, как желатин, растительные экстракты, кремниевая кислота). Частицы с размером, близким к размеру пор мембранного фильтра, быстрее забивают его, чем сравнительно грубые частицы, так как образуемый ими эффективный фильтрующий слой более проницаем. При фильтровании воздуха и газов забивание фильтра пренебрежимо мало, что обусловлено очень низким содержанием «грязи» и сильным электростатическим зарядом, возникающим на поверхности мембранного фильтра. 
    После того, как мембранный фильтр полностью забьется, жидкость больше не может проходить через него. Фильтрование прекращается, и ни повышение давления, ни его пульсирующие изменения не способны продавить собранные частицы или бактерии через фильтр. Таким образом, отсутствует опасность «прорыва» фильтра, что часто случается при работе с намывными фильтрами.[3]

4. Свойства жидкости, влияющие на процесс фильтрации

    Основными факторами, влияющими как на скорость фильтрации, так и на ее эффективность являются:

• количество и вязкость очищаемой жидкости;

• химический состав очищаемой жидкости: значение рН, ионная сила и пр.

• содержание механических примесей (хотя бы ориентировочное);

• химическая совместимость очищаемой среды с конструкционными материалами, из которых изготовлен фильтр и фильтродержатель;

• рабочее давление и температура очищаемой среды.

     Если любое из этих  свойств игнорируется, результаты  процесса фильтрации могут быть  достаточно плачевны

5. Свойства фильтрующей перегородки, влияющие на процесс фильтрации.

    Обычно термин «мембрана» применяют для обозначения тонких листов, пленок и фольг, обладающих определенной жесткостью и эластичностью. Такие мембраны могут быть изготовлены из металлов, пластмасс или природных материалов. Они могут быть как проницаемыми, так и полупроницаемыми или непроницаемыми для твердых частиц, жидкостей или газов. Однако общее свойство всех мембран состоит в том, что они образуют между двумя системами пограничный слой, который либо полностью изолирует их друг от друга, либо разъединяет лишь некоторые вещества, не создавая какого-либо барьера для других компонентов.  
    Фильтрующая способность мембран и изготовленных на их основе мембранных фильтров обусловлена взаимно соединяющимися сквозными отверстиями (так называемыми порами),  допускающими прохождение жидкостей и твердых частиц, размер которых меньше диаметра пор. Фильтрующая способность мембран связана с еще одной важной характеристикой с точки зрения их применения – смачиваемостью мембраны. Мембранам из эфиров целлюлозы и некоторых полимеров присуща гидрофобность, т.е. они сами по себе не смачиваются водой. Для устранения этого такие мембраны перед их употреблением обрабатывают специальными смачивающими агентами, которые  в свою очередь могут стать источниками нежелательных примесей в фильтрате.  
    В зависимости от способа производства мембран они отличаются однородностью по толщине (т.е. от верхней стороне мембраны к нижней). По хорошей однородности мембран их относят к изотропным, при плохой – канизотропным. Степень анизотропности мембран зависит только от технологии производства мембраны.  
    Мембраны, используемые в фильтрации частиц, имеют открытую структуру, т.е. небольшая часть  объема мембраны занята связующим веществом (полимером, металлом, керамикой и т.д.). Остальная часть мембраны – открыта или взаимосвязанна и насыщена порами, размер и количество которых определен технологией изготовления мембраны.  
    Как правило, для мембраны указывают либо номинальный, либо абсолютный размеры пор. Номинальный размер означает, что мембраной задерживается некоторая доля (в отдельных случаях до 99%) общего количества частиц указанного размера, в то же время абсолютная размер пор означает, что все 100% частиц указанного размера остаются на мембране. Чаще всего выпускаемые мембранные фильтры обычно имеют номинальный размер пор от 25 мкм до 0,01 мкм, при этом изготовитель обычно указывает величину эффективности удержания микрочастиц на поверхности мембраны с размерами твердых частиц для пор приведенного размера. Для нетканых материалов (как правило, глубинных фильтров) есть еще одна величина – это условный размер пор. Об этом мы поговорим чуть позже, когда будем рассматривать процесс глубинной фильтрации.  
    Свободный объем (объем полостей пор, пористость) мембранных фильтров лежит в пределах от 85 % до 65% и падает с уменьшением размера пор, а плотность пор (число пор на 1 см2 поверхности фильтра) обычно лежит в пределах от 108 до 109 и увеличивается с уменьшением размера пор. Столь высокая пористость микрофильтрационных мембран обеспечивает высокие скорости фильтрации.  
    Все эти характеристики мембран определяют две основные, которые наиболее часто приводятся: производительность системы микрофильтрации и эффективность удержания микрочастиц на поверхности фильтрующей перегородки.  
    Точную цифру производительности системы микрофильтрации можно дать лишь для начальной скорости фильтрации через данную систему, но не для всего срока ее службы. Последняя величина зависит от количества и типа твердых частиц или бактерий, которые присутствуют в фильтруемой жидкости. 
    Эффективность удержания микрочастиц на поверхности фильтрующей перегородки (по сути дела это значениеэффективности работы установки микрофильтрации) также зависит от количества и типа твердых частиц или бактерий, которые присутствуют в фильтруемой жидкости, как правило, увеличивается в процессе фильтрования, поскольку (как мы уже указывали) частицы, собирающиеся на фильтре, образуют на его поверхности дополнительный фильтрующий слой, который задерживает самые мелкие фракции. Поэтому в технических характеристиках микрофильтрационных установок дают только начальную эффективность (т.е. эффективность удержания микрочастиц на «чистой» фильтрующей перегородке). 
    Нетрудно заметить, что и производительность системы микрофильтрации и эффективность ее работы напрямую связаны со сроком ее службы, т.е. сроком службы мембран или мембранных элементов.

 Срок службы мембранного фильтра, т.е. объем жидкости, который можно профильтровать через него до наступления момента, когда скорость фильтрации упадет ниже требуемого уровня или станет равной нулю, т.е. когда фильтр практически полностью забьется. Срок службы фильтра прямо пропорционален поверхности фильтрации. Добиться увеличения срока службы можно следующими способами:предварительным фильтрованием (предварительным осветлением, центрифугированием);

• применением вспомогательных фильтрующих материалов;

• перемещением жидкости по поверхности фильтра либо путем ее тангенциальной подачи на фильтр, либо путем ее перемешивания.

 Данные о сроке службы системы для фильтрования конкретной жидкости, если это необходимо, можно получить при помощи предварительных испытаний, например с системами меньшего диаметра, т.е. путем моделирования процесса микрофильтрации в лабораторных условиях. 
 Мембраны для микрофильтрации чаще всего выпускают в виде дисков различных диаметров: 25, 35, 47, 90, 142 и 293 мм, а также пластин различных размеров и могут использоваться в дисковых держателях и фильтр-прессах как в аналитических целях, так и для промышленного мелкосерийного производства.  
Для увеличения площади фильтрации в последнее время на основе микрофильтрационных мембран изготавливают патронные фильтры. Как правило, эти фильтры являются типичными мембранами в том отношении, что они обладают непрерывной однородной структурой, не способной к выделению (отщеплению) каких-либо компонентов в фильтруемую среду, т.е. одному из главных требований, которые  предъявляются к таким фильтрам Управлением по контролю за качеством пищевых и фармацевтических продуктов США: «После соответствующей предварительной обработки, например промывки, фильтр не должен выделять в фильтруемый компонент или фармацевтический продукт никаких волокон».  
    Поэтому структура фильтра должна быть достаточно устойчива к воздействию давления (верхний предел давления в системе для мембранного фильтрования должен соответствовать или превышать максимальное рабочее давление фильтродержателя, соединительных труб, фитингов, запорной арматуры и т.п.), чтобы исключить возможность продавливания собранных частиц или бактерий через фильтр при резких пульсациях давления.  
    Области применения фильтрующих перегородок весьма разнообразны. Типичные примеры их использования в зависимости от размеров пор приведены ниже:

• при диаметре пор 5 мкм и более - предварительная фильтрация взвесей в воде, высокоэффективная очистка газов от взвешенных частиц, очистка высоковязких жидкостей и фотохимикатов, гравиметрический анализ гидравлических масел, анализ пыли, цитофизиологические исследования;

• при диаметре пор 3 мкм - микрофильтрация масел и других вязких жидкостей, фильтрация тонких взвесей, цитофизиологические исследования;

• при диаметре пор 1,2 мкм - фильтрация суспензий, очистка растворителей, гидравлических жидкостей и воздуха для приборов управления, разделение аэрозолей, исследование планктона, цитофизиологические исследования;

• при диаметре пор 0,8 мкм - тонкая фильтрация реактивов, фильтрация газов, контроль чистоты помещений, анализ радиоактивных частиц, анализ дрожжей и плесневых грибков, исследование молочных продуктов, гравиметрический анализ и микроскопическое исследование топлива и минеральных масел;

• при диаметре пор 0,65 мкм - тонкая фильтрация химических, фармацевтических препаратов, микробиологическое исследование молочных продуктов;

• при диаметре пор 0,45 мкм - тонкая фильтрация растворителей, получение сверхчистой воды и фотохимикатов, анализ воздуха, обнаружение бактерии Е. coli в питьевой воде, выделение дрожжей и плесневых грибков из жидких дисперсий;

• при диаметре пор 0,3 мкм - фильтрация сыворотки, анализ радиоактивных частиц, стерилизация жидкостей и газов;

• при диаметре пор 0,2 мкм - получение оптически чистых продуктов, концентрирование некоторых бактериофагов, стерилизация жидкостей и газов, в том числе фармацевтических и медицинских препаратов, а также питательных сред, стерилизационный контроль фармацевтических препаратов.

 С целью наиболее полного использования специфических свойств микрофильтров разделяемые дисперсии рекомендуется подвергать предварительной фильтрации на специальных фильтрах.  
Большинство мембран в сухом виде имеет большой отрицательный электростатический заряд (разность потенциалов может достигать значений до 300 mV).  
Модификацией базовых микрофильтрационных мембран являются мембраны, обладающие положительным дзета-потенциалом (от 4 до 40 mV). Положительный заряд позволяет удерживать отрицательно заряженные микрочастицы, размеры которых ниже абсолютного размера пор мембраны. Положительный заряд мембран позволяет им удерживать не только вирусы, но и различные бактерии, токсины, микоплазму, пирогены, соответственно от 1 мкм и до молекулярного размера. Проведенными исследованиями установлено, что модифицированные таким образом мембраны способны при фильтрации зараженной воды задерживать до 100% колифагов и вирусов, в том числе вирус полиомиелита. Эти мембраны рекомендованы для обеззараживания воды, концентрирования и контроля содержания вирусов в водных объектах, депирогенизации водных растворов, получения апирогенной воды.[4]

6. Типы пористых фильтрующих перегородок

В качестве пористых фильтрующих перегородок в современных фильтрах применяют самые разнообразные материалы, которые различаются по физико-механическим свойствам и химическому составу самого материала и исходного сырья, способам и технологии изготовления, основным фильтрационным показателям и т. д. 
    Фильтрующие материалы, предназначенные для очистки различных жидкостей, должны иметь следующие свойства:

• малое гидравлическое сопротивление при достаточно высокой удельной пропускной способности;

• способность обеспечивать необходимую тонкость и полноту фильтрования, не снижающиеся в процессе эксплуатации;

• возможно больший ресурс работы, на всем протяжении которого сохраняются эксплуатационные свойства;

• высокую механическую прочность, в том числе при воздействии знакопеременных и вибрационных нагрузок, а также при нагревании и охлаждении во всем рабочем диапазоне температур;

• химическую стабильность по отношению к очищаемой жидкости, исключающую разрушающее воздействие жидкости на материал и ухудшение свойств жидкости при контактировании с ним;

• технологичность, позволяющую достаточно легко подвергаться обработке, герметизации, соединению с другими элементами;

• экономичность, включающую невысокую стоимость, простоту производства, возможность изготовления из недефицитного сырья и т. д.;

• многократную регенерируемость после выработки ресурса работы, а в случае однократного использования - полную утилизацию;

• минимальную склонность к электризации при очистке диэлектрических жидкостей.

    Подавляющее большинство гибких фильтрующих материалов изготавливают из разнообразных волокон, применяемых как в чистом виде, так и в различных сочетаниях. Для изготовления фильтрующих материалов используют волокна органического и неорганического происхождения, как встречающиеся в натуральном виде, так и изготавливаемые химическим способом. К натуральным органическим волокнам относятся хлопок, древесина, шелк, шерсть, к неорганическим - асбест. Химические органические волокна могут быть искусственными (вискозные, ацетатные, казеиновые и т.п.) или синтетическими (капроновые, нейлоновые, амидные, лавсановые, фторлоновые, полиэтиленовые и т.л.). К неорганическим волокнам, изготовляемым из химического сырья, относятся металлические, стеклянные и т. п. 
Волокна широко применяют для изготовления тканей, нетканых текстильных материалов, бумаги и картона, войлока и фетра, различных волокнистых матов, которые используют в качестве фильтрующих материалов. Кроме того, волокна используются в несвязанном виде для устройства набивных и навивных фильтров. 
Для изготовления фильтрующих материалов применяют также различные порошки органического и неорганического происхождения. Неорганические порошки могут быть изготовлены из минерального сырья (кварца, шамота, хромита, фаянса, стекла) или из металлов и их сплавов (стали, никеля, меди, титана, хрома, бронзы, монеля, пермалоя). К органическим натуральным порошкам относится кокс, а к синтетическим относятся полиэтилен, полипропилен, фторопласт и т. п. Порошки могут состоять из сферических зерен или включать частицы неправильной формы. Они используются при изготовлении фильтрующих материалов из керамики, металлокерамики, пористых пластмасс, а также применяются в несвязанном виде для устройства насыпных и намывных фильтров. Находят применение также щелевые фильтры (проволочно-навивные, ленточные и пластинчатые). [5]

7. Требования, предъявляемые к полимерным мембранам

 Из многочисленных требований, предъявляемых к микрофильтрационным мембранам, целесообразно выделить несколько общих, характерных для всех типов мембран. Важнейшими из них являются высокая разделяющая способность, высокая удельная производительность, устойчивость по отношению к компонентам разделяемой смеси и используемым вспомогательным компонентам, стабильность свойств во времени, низкая стоимость, а также специальные требования. Большую часть требований, определяющих характеристики мембран (мембранных фильтрующих перегородок), нами были уже рассмотрены выше, однако мы не указали такой показатель, какстабильность этих характеристик во времени. А ведь именно этот показатель определяет технико-экономические показатели мембранных процессов. 

Чаще всего под стабильностью характеристик мембран во времени понимают время, в течение которого мембрана сохраняет необходимый уровень механических, транспортных и селективных свойств при проведении всех циклов технологического процесса микрофильтрации. Иногда термин стабильность заменяют термином «ресурс мембраны». 
Надо отметить, что понятие «ресурс мембраны» является относительным, и не может рассматриваться без учета специфики разделяемой среды и условий проведения процесса. Т.е. фактически «время жизни мембраны» определяется происходящими в ее структуре физическими и химическими изменениями, а интенсивность протекания указанных процессов характеризуется химической и термической стойкостью мембран. 
Химическая стойкость является одним из важных показателей при эксплуатации мембран. При этом важна химическая стойкость, как к компонентам разделяемой смеси, так и к веществам, используемым в качестве вспомогательных, т.е. реагентам, применяемым для регенерации мембран (мойки (CIP-cleaning), химической и гидравлической промывки, стерилизации, дезинфекции и консервации мембран). 
Как правило, воздействие агрессивных сред (кислот, оснований, окислителей-восстановителей) на мембрану заключается  в деструкции связей между звеньями в цепи макромолекулы полимера (-ов), из которого (-ых) изготовлена (-ы) мембрана (-ы), что ведет к изменению свойств мембран (потере механической прочности, селективности и т.д.). Химическая стойкость мембран напрямую зависит от химической природы полимера. Поэтому выбор полимера для производства мембран является важнейшей составляющей процесса микрофильтрации и в случае химической стабильности полностью определяется областью применения полимерного материала. 
Термическая стойкость (термостойкость, термостабильность) мембран, как правило, определяет способность сохранять неизменными их химическое строение и физико-химические свойства при повышении температуры. Для микрофильтрационных мембран этот показатель оказывает сильное влияние при очистке вязких жидкостей – процесс, который обычно протекает при повышенных температурах. Кроме того, немаловажным является то факт, что химическая очистка мембран проводиться также чаще всего при повышенных температурах. Нагревание мембран может вызывать в них крекинг, пиролиз, окисление, деструкцию полимеров и другие процессы, нарушающие механическую прочность и селективность мембран. Термостойкость зависит от природы как самого полимера, из которого изготовлена мембрана (определяется прочностью химических связей в нем, механизмом и кинетикой термических реакций), так и структурой собственно мембраны.  
 Количественно термическую стойкость часто характеризуют максимальной температурой, при которой полимер, из которого изготовлена мембрана, химически не изменяется (или изменяется в допустимых пределах), а также не изменяются свойства мембран (механическая прочность, селективность и т.д.).  
 Поэтому необходимо учитывать то, что существуют принципиальные отличия к требованиям в химической и термической стойкости собственно полимера, как блочного конструкционного материала, и мембран, изготовленных на его основе. В первом случае воздействие окружающей среды должно, прежде всего, сказывается на механических свойствах конечного изделия. Для мембран же, вследствие тонкой структуры их барьерного слоя, весьма вероятен случай, когда при химической воздействии на них основные механические характеристики полимера (разрывная прочность и удлинение, модуль Юнга и т.д.) существенно не изменяются, в то время же сама мембрана теряет свои функциональные свойства вследствие разрушения или трансформации селективного слоя. 
 Поэтому изучение химической стабильности полимерных мембран имеет свою специфику и требует проведения длительных экспериментов, учитывающих в первую очередь изменение не механических, а транспортных и селективных свойств мембран.

8. Полимеры для изготовления мембран

 В научной и патентной литературе описано получение мембран из самых разнообразных полимеров: эфиров целлюлозы (ацетата целлюлозы, нитроцеллюлозы и их смесей), полиэфиров, алифатических  и ароматических полиамидов, полисульфонов, полиэфиримида, полиимидов, ароматических полиамидоимидов, полигидразидов, полипропилена, фторированных полимеров, поливинилхлорида  и поливинилиденхлорида (фторида), поливинилового спирта и его сополимеров, сополимеров акрилонитрила, полиэфиркарбоната, полидиметилсилоксана и его сополимеров, хитозана, полиарилатов, полиуретанов, полипиперазинамидов, сополимеров метилметакрилата и других.

В промышленных масштабах в качестве полимеров для получения микро- и ультра-фильтрационных мембран широко используются эфиры целлюлозы, полисульфоны, полиамиды, сополимеры акрилонитрила, поливинилиденхлорид, фторированные полимеры.[6]

9.Моделирование процесса микрофильтрации

Схема моделирования процесса микрофильтрации на примере трубчатого керамического элемента.[7]

Рис. 1 Блок-схема моделирования процесса микрофильтрации на трубчатом керамическом элементе

Выделим элементарный объем и запишем для него дифференциальное уравнение материального баланса [8]:

  , (1)

, (2)

Материальный баланс по частицам в суспензии для элементарного объема в дифференциальной форме

, (3)

где dN – изменение числа частиц в элементарном объеме; dN+ – число частиц входящих в элементарный объем; dN- – число частиц покидающих элементарный объем; dN0 – число частиц, осевших или профильтровавшихся через пористую стенку.

 Рис. 2. Зависимость селективности от размера пор мембраны

После математических преобразований

, (4)

В итоге

  , (5)

Обобщение решения (5) можно получить суперпозицией концентрационных полей. Для фракции с размерами частиц от l до ∆l запишем

, (6)

 вводя безразмерные переменные   ,относительная массовая концентрация примесей на выходе из фильтра

  , (7)

где   – массовая концентрация частиц на входе в фильтр.

Список литературы.

1 Транснациональный экологический проект: [Электронный ресурс] – Режим допуска: http://hydropark.ru/equipment/microfiltration.htm (дата обращения: 28.10.2014 г.)

2 Мировые водные технологии: [Электронный ресурс]. – Режим допуса: http://wwtec.ru/index.php?id=484 (дата обращения: 28.10.2014 г.)

3 Студентопедия: [Электронный ресурс]. – Режим допуска: http://studopedia.ru/2_31616_vopros--faktori-vliyayushchie-na-baromembrannie-protsessi.html (дата обращения: 28.10.2014 г.)

4 Справочник химика 21: [Электронный ресурс]. – Режим допуска:  http://chem21.info/info/1462402/ (дата обращения: 01.11.2014 г.)

5 Экологический портал: [Электронный ресурс]. – Режим допуска: http://prom-ecologi.ru/?p=211 (Дата обращения: 01.11.2014)

6 НПК Медиана Фильтр: [Электронный ресурс]. – Режим допуска: http://ecell.ru/khor9.html (дата обращения: 12.11.2014 г.)

7 Гусева Е. В. Моделирование процесса микрофильтрации на трубчатом керамическом элементе (на примере производства лимонной кислоты) // дисс. … канд. техн. Наук. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1998. – 16 с.

8 Комов А.А., Потапов А.И., Тарарыкова И. И., Шахов С. В. Математическое описание процесса микрофильтрации суспензии в трубчатом канале // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 5 (1). – С. 164-165