Ультрафильтрация как метод разделения, концентрирования и фракционирования веществ тесно связана не только с баромембран­ными (обратный осмос и микрофильтрация), но и с другими мембран­ными методами (диализ, электродиализ). Поэтому представляет ин­терес краткое изложение этапов зарождения и становления науки о мембранах и мембранной технологии.

 

Впервые в 1748 г. мембраны изучал французский монах П. Ноллет. Он установил, что через стенки бычье­го пузыря, помещенного в винный спирт, вода проходит, а спирт за­держивается. Явление выравнивания концентраций растворов за счет проникновения растворителя через полупроницаемую мембрану (ко­торой в данном случае был бычий пузырь), получило название «осмоса» и, несмотря на почти трехвековую известность, до сих пор не приобрело убедительной теоретической интерпретации на молекуляр­ном уровне.

 

Следующей важной вехой становления науки о мембранных процес­сах следует считать установление А. Фиком законов диффузии (1855), которые в настоящее время являются основой феноменологического описания разделительных свойств мембран. Он также впервые полу­чил и изучил синтетические мембраны из эфирноспиртовых растворов нитрата целлюлозы (коллодиевые мембраны), которые впоследствии нашли широкое применение в коллоидной химии.

 

В 1857 г. Т. Грехем провел первые эксперименты по диализу, став­шему одним из наиболее распространенных и доступных методов очист­ки коллоидных растворов, что во многом способствовало становлению коллоидной химии как отдельной области химических знаний. Он открыл также явление газопроницаемости мембран.

 

В 1860-1887 гг. М. Траубе, В. Пфеффер и Дж. Г. Вант-Гофф на ферроцианидных и коллодиевых мембранах количественно изучили закономерности осмоса, а Дж. Г. Вант-Гофф аналогично газовому состоянию вещества сформулировал термодинамический закон (закон Вант-Гоффа) определения осмотического давления раствора:

П = сRгТ,

где П — осмотическое давление; с — молярная концентрация раст­воренного вещества; Rг — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

 

В 1907—1918 гг. Р. Зигмонди получил первые микрофильтрационные мембраны. В это же время Ф. Дж. Доннан сформулировал термо­динамический закон распределения электролита между двумя раст­ворами, разделенными полупроницаемой мембраной.

 

В последующие годы А. Михаэле (1926) и Е. Мейнгольд (1929), используя целлофановые и коллодиевые мембраны, наблюдали явле­ние обратного осмоса, которое, по некоторым сведениям, открыто еще в XIX в.

 

Т. Теорелл, К. Г. Сивере и Дж. Ф. Мейер (1930) сформулировали теоретические основы переноса через ионизированные (заряженные) мембраны и мембранные электроды. В 40-х годах в Голландии испытаны первые электродиализные установки. Следует отметить, что теоре­тические основы электродиализа, осуществляемого на электрохимически нейтральных мембранах, разработаны и практически апроби­рованы в те же годы И. И. Жуковым с сотрудниками.

 

Несмотря на то что явление полупроницаемости и мембраны есте­ственного происхождения открыты еще в XVIII в., а синтетические мем­браны известны с начала XX в. и, хотя существовал определенный лабораторный опыт исследования и применения мембран, мембранной технологии и науки о мембранах в современном понимании до 50-х годов не существовало. Это было связано как с неудовлетворительными характеристиками имевшихся мембран, которые не могли представ­лять практического интереса, так и с отсутствием необходимости и возможности их использования в реальных технологических про­цессах.

 

Кроме задерживающих свойств мембран, важнейшую роль в осу­ществлении мембранного процесса играет его аппаратурное оформле­ние, включающее тип и конструкцию аппарата, поддержание в нем определенного гидродинамического режима и т. д. Оборудование, используемое в классической фильтрации, как правило, непроточного типа, и требованиям, предъявляемым мембранной технологией, не отвечает. Лишь во второй половине XX в. появились технологические и технические предпосылки для реализации промышленного получе­ния высокоэффективных мембран и оптимальных режимов их исполь­зования в процессах разделения веществ.

 

Возникновение науки о мембранах и мембранной технологии от­носится к концу 50-х годов XX в., когда были получены полимерные мембраны с удовлетворительными разделительными свойствами. Од­новременно химия и технология синтеза полимеров достигли уровня развития, при котором стало возможно создание пористых полимерных структур, обладающих в значительной мере регулируемыми свойст­вами: общей пористостью, размером пор, распределением пор по раз­мерам, необходимой прочностью и т. д. Таким образом, была создана предпосылка для синтеза и широкомасштабного производства таких пористых полимерных материалов, как мембраны.

 

К тому времени относится и начало серьезного осознания экологи­ческих проблем (нехватка пресной воды, резкий рост объемов загряз­ненных отходами и засоленных сточных вод, неприемлемость многих традиционных технологий), возникших при интенсивном развитии промышленности и сельского хозяйства. Таким образом, сформи­ровались технологические, экологические и экономические предпо­сылки зарождения и интенсивного развития мембранной технологии.

 

Поскольку наиболее острой проблемой представлялась нехватка пресной воды, то вначале развития мембранной технологии широкое практическое использование получил прежде всего обратный осмос.

 

Первые работы по обессоливанию воды обратным осмосом с исполь­зованием синтетических полимерных мембран были осуществлены в середине 60-х годов К. Е. Рейдом с сотрудниками. Однако водо­проницаемость таких мембран была очень низкой (меньше 12,4 л/(м2•сут)). Позже Г. Майон с сотрудниками предложил использовать в качестве мембран тонкие полые волокна, которые, несмотря на очень низкую производительность (~5 л/(м2•сут)), стали широко применяться впоследствии, так как возможна высокая плотность их размещения в единице объема аппарата.

 

Однако революционным скачком в развитии мембранной техноло­гии следует признать работу С. Лоеба и С. Соурираяджана, пред­ложивших способ получения анизотропных мембран из ацетата цел­люлозы. Эти мембраны состоят из очень тонкого активного верхнего слоя, постепенно переходящего в сравнительно крупнопористый под­держивающий слой. При аналогичном задержании их производи­тельность более чем на порядок превышала производительность из­вестных мембран.

 

Еще десятилетие понадобилось для признания перспективности другого важнейшего баромембранного процесса — ультрафильтрации. Ее широкое внедрение в промышленность началось тогда, когда на основе имеющегося опыта синтеза обратноосмотических мембран были созданы высокопроизводительные анизотропные ультрафильтрационные мембраны.

С использованием материала из монографии «Ультрафильтрация» (Брык М.Т., Цапюк Е.А.)