Мембранные технологии возникли из наблюдения за процессами фильтрации, переноса вещества через клеточные мембраны в живой природе. Первоначально мембранные технологии применялись в высокозатратных наукоемких отраслях – в космической сфере и очистке от радиоактивных отходов.

Со временем стоимость мембран снизилась настолько, что их стали широко применять в химических технологиях и технологиях очистки воды, а также для разделения газов и концентрирования промышленных отходов.

Три основные проблемы водоснабжения в мире, которые активно анализируются последние несколько десятилетий:

– недостаточное количество источников и запасов пресной воды;

– чрезмерное потребление воды, нерациональное использование воды;

– повышенное загрязнение водных источников промышленными соединениями.

Ухудшению ситуации способствуют следующие факторы:

– увеличение численности населения;

– повышение уровня жизни;

– рост агропромышленного/ сельскохозяйственного сектора;

– индустриализация и прочие факторы, которые уже привели к снижению доступных запасов пресной воды и угрожают дальнейшему снижению этих запасов.

В связи с недостаточным контролем за сбросами от промышленных объектов, в водные источники попадает большое количество загрязнений: органических соединений (пестицидов, лекарств, фенолов и др.), солей тяжелых металлов – свинца, кадмия, хрома, ртути, марганца, алюминия, никеля, меди, и других, а также мышьяк, фтор и прочие загрязнения.

Сброс этих загрязняющих элементов со сточными водами оказал катастрофическое воздействие на водную и наземную среду обитания и здоровье человека, особенно в районах развивающихся стран.

Мембрана является селективным полупроницаемым барьером, позволяющим производить эффективное фазовое и концентрационное разделение: твердое-жидкость, газ-жидкость, газ-газ, жидкость-жидкость на отдельные продукты.

На мембранах можно производить большинство процессов разделения, но наибольшее применение они нашли в области тонкого разделения (стадия доочистки). Мембранные технологии могут дополнять или быть альтернативой для стандартных процессов разделения и очистки, таких как тонкая фильтрация, дистилляция, экстракция, фракционирование и адсорбция.

К основным преимуществам мембранных технологий можно отнести:

– малые занимаемые площади (наименьшие по сравнению со стандартными методами);

– более низкие эксплуатационные расходы;

– уменьшение или практически исключение расхода реагентов;

– модульность, простота в наращивании производительности;

– полная автоматизация.

На работу мембранных методов оказывают влияние характеристики загрязняющих веществ (концентрация, молекулярный размер, растворимость, диффузионная способность, гидрофобность, заряд), воды (химический состав раствора, рН, ионная сила, присутствие органических/неорганических веществ) и самой мембраны (гидрофобность, шероховатость поверхности, размер пор, поверхностный заряд, поверхностные функциональные группы), а также условия эксплуатации (поток, температура раствора, скорость потока).

В связи с этим спектр мембранных технологий очень разнообразен, а особенность свойств мембран диктует их специализированные диапазоны применения.

Проникающие фазы проходят через мембрану под действием движущих сил, таких как:

– градиент давления;

–  градиент концентрации;

– температурный градиент;

– электрический градиент (градиент заряда);

– разность химических потенциалов по обе стороны мембраны.

Градиент образуется в зависимости от характеристик мембранного модуля (размер пор, форма пор), характеристик поверхности мембраны (пористость, заряд, гидрофобность), а также конфигурации мембраны (геометрия, размеры) и пр.

Выбор типа, материалы мембран зависит от ряда факторов: селективности разделения, смачиваемости мембраны, химической и термической стойкости к условиям процесса, склонности к адсорбции гидрофобных материалов, устойчивости к реагентам при химической очистке, необходимости разделения заряженных частиц и пр.

По одной из классификаций, процессы мембранного разделения, применяемые при очистке жидких фаз, в т.ч. воды, сточных вод, подразделяются на изотермические и неизотермические.

Изотермические процессы включают в себя мембранные процессы, управляемые концентрацией (первапорация и мембранная экстракция), мембранные процессы, управляемые давлением (микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, и обратного осмоса) а также мембранные процессы под действием электрических сил (электродиализ, электродеионизация).

Неизотермические процессы представляют собой термически управляемые мембранные процессы, называемые общим термином – мембранной дистилляцией (англ. membrane distillation (MD).

Мембранные процессы, движущей силой которых является разница давлений, и которые требуют приложения внешнего давления называются баромембранными процессами.

Основными баромембранными технологиями в сфере очистки, мембранной фильтрации жидкостей, являются:

1. Микрофильтрация (англ. Microfiltration MF)
2. Ультрафильтрация (англ. Ultrafiltration UF)
3. Нанофильтрация (англ. Nanofiltration NF)
4. Обратный осмос (англ. Reverse Osmosis RO)

Основным различием в этих процессах является размер пор мембран, и как следствие этого, прикладываемое давление.

Отдельный интерес представляет группа мембранных процессов, движущей силой которых является разница потенциалов, так называемые электромембранные процессы ЭМП (англ. Electromembrane Processes (EMPs):

– электродиализ прямой (ЭД) (англ. electrodialysis ED);

– электродиализ реверсивный (ЭДР) (англ. reverse electrodialysis EDR);

– биполярный электродиализ (БПЭД) (англ. bipolar electrodialysis (BPED)

– электродеионизация ЭДИ (англ. electrodeionization EDI);

– электродеионизация реверсивная ЭДИР (англ. electrodeionization reversal EDIR).

Отдельную группу составляют процессы с применением мембран, которые в растворах приобретают поверхностный заряд, без приложения внешнего электрического поля.

В этих процессах возникает движущая сила ионного разделения, которая значительно превышает движущую силу, обусловленную только градиентом концентраций. Факторами, ограничивающими применение данных методов являются: низкая скорость ионного потока, невозможность переноса ионов больше равновесной концентрации (принцип Доннановского равновесия, англ. Donnan equilibrium). Эти ограничения можно преодолеть путем приложения внешнего электрического поля, усиливающего разность потенциалов (что и реализуется в электромембранных процессах).

В мировой практике принято деление воды по степени очистки:

– деионизированная вода (англ. deionised water) применяется для питания котлов среднего давления, для подпитки для почечного диализа, подпитки аккумуляторов;

Деионизированная вода характеризуется удельным сопротивлением, которое должно быть не более 0,05 МОм*см. Удельное сопротивление является обратной величиной проводимости. Следовательно, 0,05 МОм*см равно 20 мкСм/см.

– чистая вода (англ. pure water) – фармацевтика, косметика, производство химических веществ. Чистая вода должна содержать количество микроорганизмов ниже 100 КОЕ/мл, а также менее чем 0,5 мг/дм³ в виде органического углерода (TOC);

– апирогенная вода (англ. apyrogenic water) – очистка флаконов для лекарств, культуры (выращивание) тканей, фармацевтика, вода для инъекций. Апирогенная вода еще чище при 0,8 МОм*см, однако предельный уровень 0,35 EU/мл пирогенов (в т.ч. эндотоксинов) основной определяющий параметр для данного класса воды;

– вода особой очистки (англ. high purity water) находит применение для питания котлов высокого давления, ТЭЦ, лаборатории и пр. Вода высокой чистоты имеет удельное сопротивление не менее 10 МОм*см, однако не обязательно соответствует по содержанию органических соединений (общего органического углерода, англ. TOC);

– сверхчистая вода (англ. ultrapure water) – применяется в микроэлектронике, для питания сверхкритических котлов и обычно ограничивается по органическому углероду (ТОС) не более 0,05 мг/дм³, удельное сопротивление до 18 МОм*см.