CC BY
3с этим оценивание эффективности работы массооб-менных аппаратов с различными типами контактных устройств, с целью выявления их оптимальных технологических и конструктивных параметров является сложной практической задачей. [6]
References
1. Sarilov M. Yu. Machines and devices for mass transfer processes: textbook. allowance / M. Yu. Sarilov, P. M. Tyagushchev. - Komsomolsk-on-Amur: "KnAGTU", 2015. - 52 p.
2. Altayuly S., Antipov S.T., Pavlov I.O. Non-stationary mass transfer in a vacuum rotary film apparatus with moisture removal from a phospholipid emulsion // Vestnik VSUIT, 2012. - № 1(58). - Р. 44-48.
3. Hong G. B. и oth. Energy flow analysisin pulp and paper industry // Energy, 2011. - Т. 36. - №. 5. - Р. 3063-3068.
4 Kiss A. A. Distillation technology - still young and full of breakthrough opportunities // Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2014. - T. 89. - №. 4. - P. 479-498.
5 Balaton M. G., Nagy L., Szeifert F. Operator training simulator process model implementation of a batch processing unit in a packaged simulation software // Computers & Chemical Engineering, 2013. - T. 48. - P. 335-344.
6 Emelyanov A. B., Maltsev M.V., Popov V. B. Determination of the efficiency of disc mass transfer apparatus used in petrochemical production // Vestnik VSUI, 2017. - T.79. - № 2. - C. 176-179.
7 Telegin A. N., Sarilov M. Yu. Increasing the efficiency of mass transfer devices due to a reasonable choice of packing devices https://sciencefo-rum.ru/2017/article/2017033497
ULTRAFILTRATION MEMBRANES BASED ON CELLULOSE AND ITS DERIVATIVES
Movchaniuk O.M.
PhD in Technical science Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute PeremohyAv., 37, Kyiv, 03056, Ukraine
УЛЬТРАФШЬТРАЦШШ МЕМБРАНИ НА ОСНОВ1 ЦЕЛЮЛОЗИ ТА ÏÏ ПОХ1ДНИХ
Мовчанюк О.М.
кандидат технгчних наук КП1 ím. 1горя Сгкорського пр-т Перемоги, 37, м. Кшв, 03056, Украна
Abstract
Water purification for human use, ecosystem management, agriculture and industry is becoming a top global priority. Membrane technologies for water purification have been actively used for decades. A widely used class of organic membranes are materials based on cellulose and their derivatives. The article is devoted to a review of such membranes for ultrafiltration.
Анотащя
Очищення води для використання людини, управлшня екосистемами, альського господарства i про-мисловосп стае головним глобальним прюритетом. Мембранш технологи для очищення води активно ви-користовуються протягом десятилпь. Широко розповсюдженим класом оргашчних мембран е матерiали на основi целюлози та ïx похвдних. Стаття присвячена огляду таких мембран для ультрафшьтраци.
Keywords: water purification, ultrafiltration membranes, cellulose and derivatives..
Ключовi слова: очищення води, ультрафшьтрацшш мембрани, целюлоза та похвдш.
Зростання попиту та нестача чисто! води вна-слвдок швидко! урбашзацп, зростання чисельносп населення, неправильного використання та мма-тичних порушень стали нагальними свгтовими питаниями. Крiм прямого споживання та використання води, приблизно 70% прюно! води у всьому свт припадае на альське господарство та зро-шення, досягаючи до 90% у деяких промислово ро-звинутих кра!нах [1].
Очищення води за сучасними технолопями е дорогим та енергоемним процесом. 1снуе нагальна потреба в нових дослщженнях, щоб визначити новi пiдходи до очищення води для зменшення витрат i мiнiмiзацii впливу на навколишне середовище.
Впродовж шлькох десятилiть для очищення води використовують мембранш технологи. За цей час вони довели свою ефектившсть та економiч-шсть [1 - 4].
Мембрани для ультраф№трацшних установок мають характеризуватися певним комплексом фь зико-хiмiчних, механiчних, структурних i експлуа-тацшних властивостей (пористiстю, мiцнiстю, стш-шстю до температури, рН, агресивних середовищ тощо). Цi властивостi мембран визначаються в за-гальному видi молекулярною й надмолекулярною структурою полiмерiв, на основi яких вони отри-маш, а також !х макроскопiчною структурою [3].
Мембрани можуть бути виготовлеш з рiзнома-штних матерiалiв. Найважливiшим класом мем-бранних матерiалiв е органiчнi полiмери, але лише обмежена шльшсть полiмерiв може бути викорис-тана на практищ. Серед органiчних полiмерних ма-терiалiв широко використовуваними е матерiали на основi целюлози, що мають пористу структуру (рис. 1) та пдрофшьш властивосп. Саме пористi мембрани використовують для мшрофшьтраци (МФ) та ультрафшьтраци (УФ). Селективнiсть пористих мембран в основному визначаеться
сшвввдношенням розмiру пор i розмiру часток, що роздшяються. Гiдрофiльнi полiмери мають значну перевагу перед пдрофобними - слабку тенденщю до адсорбци, адже саме адсорбщя розчинених речовин чинить негативний вплив на потiк, оскiльки адсорбцiйний шар викликае додатковий ошр масопереносу. Крiм того, адсо-рбцiйнi шари викликають труднощi пiд час очи-щення мембран [2]. Сильнi гiдрофiльнi власти-востi целюлози та И похвдних обумовленi великою кiлькiстю пдроксильних груп (рис. 2)
Рис. 1. Схема роздыення компонентов су-мш на пористих УФ-мембранах
Першi УФ-мембрани були виготовлеш з нггро-целюлози на самому початку 20-го столитя. Осно-вним проривом у цш галузi стала розробка ашзот-ропних мембран з ацетату целюлози (CA) у 60-х роках 20-го столитя. Ацетат i шграт целюлози i зараз вiдносяться до найб№ш широко використовуваних органiчних мембранних матерiалiв першого поко-лiння [1, 5-6]. CA-асиметрична мембрана застосо-вуеться в широкому дiапазонi процесiв ф№трацп (ввд зворотного осмосу до мжрофшьтрацп). Обумо-влено це ввдносно низькою варистю CA, оск1льки целюлоза е найпоширешшим природним бюматерь алом на Землi (близько 700 мiльярдiв т / рш) [8] та, до того ж, пдрофшьним [9]. Змiнюючи стутнь за-мiщення ефiру, можна в широких межах варшвати його пдроф№нють.
Однак, при всiх сво1х перевагах, CA-мембрани не мають довготривало! хiмiчноl, термiчноl та бю-лопчно1 стабшьносп (наприклад, не переносять хлор, мають обмежеш дiапазони робочих температур та рН, з часом мають тенденщю до гiдролiзу). Для зменшення цих недолЫв CA часто змшують з широко використовуваними гiдрофобними полiме-рами, наприклад полiефiрсульфоном (PES), полюу-льфоном (PSF), полiвiнiлiденфторидом (PVDF) для отримання композитних мембран, таких як PES / CA, PVDF / CA та PSF / CA [10 - 12]. Через високу пдрофшьшсть CA, наприклад, пдрофобний PVDF (широко використовувана мембрана, що демонст-руе термосийшсть та хiмiчну стiйкiсть) змiшують з CA для усунення низько1 проникносп PVDF та по-гано1 здатносл проти обростання. Серед матерiалiв на основi целюлози - нановолокна целюлози [13],
Рис. 2. Структурна ланка молекули целюлози
що отримують з рiзних природних джерел (дерев-ног та бавовняно1 целюлози) або в умовах культи-вування (бактерiальна целюлоза), яш були визнанi унiкальними тим, що вони мають структуру з чудо-вими мехашчними властивостями (наприклад, модуль Юнга бактерiальноl целюлози становить по-над 15 ГПа) [14]. Приклади недавшх дослiджень целюлозних нановолокнистих мембран включають виготовлення нановолокнистих композитних CA УФ-мембран (при цьому CA МФ-мембрана викори-стовувалась як основа) з надвисокою водопроник-шстю (потiк 3540 дм3/(м2год)) та ефективним роз-дiленням (затримання феритину 90,7%) [7], наново-локно целюлози (виготовлене з деревно1 маси, з використанням системи TEMPO / NaBr / NaClO з подальшою мехашчною обробкою), композитнi УФ-мембрани (целюлозне нановолокно як верхнiй шар, полiакрилонiтрил (PAN) як середнш шар, по-лiетилентерфталат (PET) як опорний шар), що де-монструе в п'ять разiв бiльший потiк, шж УФ-мембрани PAN10, виготовлено1 з тими ж полiмер-ними компонентами, але без целюлозного наново-локнистого бар'ерного шару, а також вищу затри-мувальну здатшсть (понад 99,9%) [14].
Змiна молекулярно1 маси вихвдного полiмеру в широких межах мало впливае на роздiловi властивосл мембрани, однак за низького ступеня полiме-ризацп (< 150), наприклад, ацетатцелюлозш мембрани мають невисок1 механiчнi властивостi, тодi як за високого ступеня полiмеризацil (> 600-700) значно пiдвищуеться в'язшсть розчинiв, що утруд-няе формування мембран [1].
Крiм ацетату целюлози, для формування УФ-
мембран використовують також iншi похвдш целю-лози, наприклад, триацетат та трипропiонат це-люлози, етилцелюлозу, нiтрат та бутират целю-лози, також змiшанi ефiри, такi, як ацетат-бути-рат целюлози. Однак, за високих затримуючих властивостей (до 99,9 % по №С1), вони мають дуже низьку проникнiсть [2, 3].
Розробленi методи одержання мембран з кар-боксиметилцелюлози [3] та модифiкованоi целюлози [15], що мають заряд поверхш й тому е досить перспективними для видалення з розчинiв юноген-них речовин.
Висновки. Дефiцит чисто! води е масовим та зростаючим завданням у всьому свiтi; передовi технологи очищення води стануть незамiнною опорою, необидною для задоволення не лише потреб сьогодення, а i для майбутнiх поколiнь.
Для очищення води досить поширеними е ба-ромембраннi методи, зокрема ультрафшьтра^. За-гальними вимогами до УФ-мембран е: висока про-дуктившсть та селективнiсть; механiчна, хiмiчна, термiчна та тимчасова стабiльнiсть; технолопч-нiсть у промислових масштабах; економiчнiсть та низька забруднюванiсть [1].
Завдяки сво!м властивостям, целюлоза та !! по-хiднi широко використовуються для виготовлення УФ-мембран для очищення води. За багатьма пока-зниками мембрани на основi iнших ефiрiв целю-лози поки не можуть конкурувати з ацетатцелюло-зними, що вiдрiзняються високими роздшовими властивостями й порiвняно простими методами фо-рмування [3].
Помггаий прогрес був досягнутий у створеннi нових методiв виготовлення для створення мем-бранних пористих структур, властивостей поверхш та морфологи. Незважаючи на нещодавш досяг-нення у синтезi нових мембранних матерiалiв, методах модифiкацii / функцiоналiзацii поверхнi та оптимiзацii' експлуатацiйного дизайну та умов, за-лишаеться нагальна потреба у виробництвi надiй-них мембран з заданими характеристиками, з мож-ливостями легкого усунения забруднень (бюоброс-таиия, накипу, оргаиiчних та коло!дних). Запобiгаиия забрудненню залишаеться невирше-ною проблемою при очищенш води, що призводить до високих експлуатацiйних витрат та низько! ефе-ктивностi. Щоб забезпечити майбутш поколiння водою, знадобляться шновацшш мембраинi технологи поверхнi та способiв виготовлення для розро-бки багатофункцiональних мембран iз вииятко-вими протиобрастаючими, антимiкробними та фо-токаталггачними властивостями. У зв'язку з цим перспективними е композицшш мембраинi матерь али [1, 16], особливо п, в яких функцiональнi нано-матерiали включено в "розумну" полiмерну мат-рицю. Необхвдно i далi поглиблювати розумiния механiзмiв транспортувания води та розчинено! ре-човини в мембраш та впливу мiкроскопiчних властивостей мембран на !х макроскопiчнi показники.
References
1. Lee A., Elamb J.W., Darling S.B. Membrane Materials for Water Purification: Design, Development, and Application. Environmental Science. Water Res. Technol. 2016, 2 (1). 17-42.
2. Mulder M. Introduction to membrane technology. Moscow: Mir; 1999 [Publ. in Russian].
3. Bryk M.T., Capyuk E.A. Ultrafiltration. Kiev: Nauk. dumka, 1989 [Published in Russian].
4. Dubyaga V.P., Perepechkin L.P., Katalevsky E.E. Polymer membranes. Moscow: Chemistry; 1981 [Published in Russian].
5. Qin J. J., Li Y., Lee L.S., Lee, H. J. Membr. Sci. 2003, 218. 173-183.
6. Shibutani T., Kitaura T., Ohmukai Y., Maruyama T., Nakatsuka S., Watabe T., Matsuyama H. Membrane Fouling Properties of Hollow Fiber Membranes Prepared from Cellulose Acetate Derivatives, J. Membr. Sci. 2011. 376. 102-109.
7. Soyekwo F., Zhang Q. G., Deng C., Gong Y., Zhu A. M., Liu Q. L., Highly permeable cellulose acetate nanofibrous composite membranes by freeze-ex-traction. Journal of Membrane Science, 2014, 454, 339-345.
8. Klemm D., Heublein B., Fink H.P., Bohn A. Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material. Angewandte Chemie. 2005, 44, 3393.
9. Mohammadi T., Saljoughi E. Effect of production conditions on morphology and permeability of asymmetric cellulose acetate membranes. Desalination. 2009, 243, 1-7.
10. Mu C., Su Y., Sun M., Chen W. , Jiang Z. J. Membr. Sci. 2010, 350, 293-300.
11. Hossein Razzaghi M., Safekordi A., Tavakol-moghadam M., Rekabdar F., Hemmati M. J. Membr. Sci. 2014, 470, 547-557.
12. Mahendran R., Malaisamy R., Arthanareeswaran G., Mohan D. Cellulose acetate-polyether sulfone blend ultrafiltration membranes. II. Application studies. Journal of Applied Polymer Science. 2004, 92, 3659-3665.
13. Eichhorn S. J., Dufresne A., Aranguren M., Marcovich N. E., Capadona J. R., Rowan S. J., et al. Review: current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites. Journal of Materials Science. 2010, 45, 1-33.
14. Ma H., Burger C., Hsiao B. S., Chu B. Fabrication and characterization of cellulose nanofiber based thin-film nanofibrous composite membranes. J. Membr. Sci. 2014, 454, 272-282.
15. Movchaniuk O.M., Gomelia M.D. Efficiency Estimation of Modified Cellulose Based Membranes. Energy Technologies & Resource Saving. 2018. 3. C. 51-58 [Published in Russian].
16. Movchaniuk O.M., Gomelia M.D. Performance of cellulose membranes in the conditions of change of ultrafiltration pressure. Vcheni zapysky TNU imeni V. I. Vernadskoho. Seriia: Tekhnichni nauky. 31 (70) (3). Ch. 2. pp. 13-18 [Published in Ukrainian].
