Мембраны — тихие процессы с громким будущим

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» указано: «Обеспечить широкое внедрение в народное хозяйство принципиально новых технологий — электроннолучевых, плазменных, импульсных, биологических, радиационных, мембранных...» Мы обращаем внимание Читателей на слово «мембранных» и хотим рассказать, какое научное, техническое, экономическое содержание скрывается всего лишь за одним словом наших государственных планов.

Все тихо, все спокойно вокруг мембранных аппаратов. Нет ярких вспышек, громоподобных ударов и взрывов. Уже одно это говорит о многом. Ведь любое сияние, свечение, вспышка не достаются даром. Они требуют энергии и - увы! - расходуют её понапрасну. Даже сотрясение воздуха оценивается все той же энергетической монетой. Промчалась и угасла звуковая волна, и вместе с ней рассеялись по воздуху ватты и киловатты, калории и килокалории.

Специалисты утверждают, что одна тонна мембранных материалов сберегает 26 миллиардов килокалорий тепла. Идея такой технологии проста, можно сказать — гениально проста. Сито, фильтр. Вот и вся (но сильно упрощенная) идея.

Как хозяйка готовит муку для пирога? Обязательно ее просеивает. Несколько движений сита, легкое встряхивание... и вы с удивлением обнаруживаете, что столь однородная и чистая от примесей (на взгляд!) мука оставила на дне сита вполне зримые сор, комочки, крупинки.

Ячейки сита видны невооруженным глазом, но поры фильтровальной бумаги уже не разглядишь. Между тем эффект разделения (или очистки) весьма похож. Свернутый «фунтиком» кружок промокашки плотно притиснут к стенкам воронки, мутная жидкость капает просветленными каплями, а на промокашке остается муть, осадок, примесь.

Разделение, фильтрация, очистка — принцип всех мембранных процессов. Кажется, действительно простая технология. Но не станем забывать, что именно простые истины зачастую оказываются наиболее универсальными. К тому же простые процессы в технике — дробление, размол, сортировка, разделение, сушка, нагрев — самые массовые. На них расходуется львиная доля всей производимой энергии.

Планом двенадцатой пятилетки предусмотрен десятикратный рост производства мембранных материалов. Не на несколько процентов, даже не в два-три, а в десять раз! Эта цифра влечет за собой множество других: многократное повышение производительности труда, экономический эффект за пятилетку около миллиарда рублей, экологическую чистоту, практически не поддающуюся оценке, использование природных ресурсов без отходов...

Мембраны большей частью — пленки, прозрачные или полупрозрачные, матовые или глянцевые, но они могут быть и жидкими. Разные по виду и внешне довольно привычные. Всегда сплошные — мельчайшие поры в мембранных материалах невооруженным глазом не видны. Поры разных размеров. Размеры — главное принципиальное отличие в назначении и работе мембраны. Здесь наглядно количество переходит в качество.

Самый крупный калибр отверстий от 10 до 0,02 мкм — предназначен для микрофильтрации, которая позволяет удалять из воды бактерии, вирусы и другие микроскопические биообъекты. Это уже заманчиво, означает применение мембран вместо кислот, дезинфицирующих веществ, кипячения. Поры диаметром от 0,001 до 0,02 мкм позволяют проводить вторую группу мембранных процессов — ультрафильтрацию и отделять от низкомолекулярных продуктов высокомолекулярные, например, белки. Поистине, сито для молекул. И наконец, поры от 0,0001 до 0,001 мкм. Это — обратноосмотические мембраны. Но тут необходимы некоторые теоретические разъяснения.

Можно, к примеру, чистейшую воду и морскую разделить полупроницаемой мембраной, которая задержит молекулы и ионы растворенных веществ, но пропустит молекулы воды. Чистая вода потечет в раствор — морскую воду. И остановить это течение может только давление, равное осмотическому.

А если чуть-чуть «переборщить» и приложить давление больше осмотического. Что тогда? Вода пойдет в обратном направлении — из раствора. Мембрана начнет опреснять море. Это и есть обратный осмос. Для него требуется очень мало энергии. Разделение идет при обычных температурах. Вода одновременно очищается от бактерий, вирусов, других микроскопических загрязнителей. И вот что замечательно — поры хоть и ничтожно малы, но диаметры молекул и ионов еще в несколько раз меньше. Сито оказалось дырявым? Но все же сортирует, работает исправно. Лишь сравнительно недавно отыскался ответ. Вода, заключенная внутри пор, связывается физико-химическими силами с материалом мембраны. Вода становится преградой на пути растворенных веществ. Значит, наилучший материал для мембран такой, с которым вода хорошо связывается. Например, сильно набухающие гидрофильные (водолюбивые) полимеры. Скажем, ацетат целлюлозы. Обратным осмосом сейчас на Земле получают каждый день около миллиона кубометров пресной воды, а к 2000 году планируется получать 20 миллионов.

Важное направление мембранных технологий — очистка биологически активных соединений, содержащих ферменты и живые клетки. Сейчас по ходу производства на хрупкие их структуры обрушивается тяжелая артиллерия обычных технологических приемов — высокие температуры и давления, сильнодействующие кислоты, щелочи, растворители. Получается стрельба из пушки по воробьям — процент попаданий весьма невелик, и к тому же если и есть попадания, так от ннх пользы чуть больше, чем вреда. Мембранная же технология бьет точно в цель. Мембранные процессы идут при приемлемо низких температурах. Значит, нет опасности термического разрушения нестойких молекул н структур, появляется возможность более полного извлечения биологически активных веществ. Чистота продуктов, возможность освободиться от любых примесей растет. Технологии С применением мембран легко автоматизировать, управление ими возможно переложить на ЭВМ. Производство антибиотиков (и других лекарств) может стать гибким, менять свои масштабы и саму суть за счет подключения или отключения стандартных мембранных технологических модулей.

Мембраны сделают нашу промышленность экологически совершенной — безотходной, чистой, бережливой. Уже сейчас пищевая промышленность применяет мембраны для концентрирования овощных и фруктовых соков, использования отходов молочного производства для получения полноценных белковых продуктов, пастеризации, приготовления сахара высокого качества... Для большинства пищевых технологий достигается экономия энергии в 10—12 раз.

Мембранная технология перспективна не только для разделения растворов и взвесей, но и для разделения газовых смесей, включая такую привычную, как воздух. В НПО «Криогенмаш» исследования в этой области начались еще в 1968 году, когда в Институте нефтехимического синтеза АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР Н. С. Наметкина был получен кремнийорганический полимер поливинилтриметилсилан и создана технология получения газоразделительных мембран из этого полимера.

Сейчас газомембранные установки различных назначений и производительности работают на ряде предприятий страны, прежде всего химических. НПО «Криогенмаш» выпускает установки типа «БАРС»— блоки автоматического регулирования среды. Газовая среда, обогащенная азотом, предназначена для хранения плодов. Каждый «БАРС» обеспечивает хранение нового урожая от 1000 до 5000 тонн плодов. «БАРСы» отличаются экологической чистотой, надежны в работе. Газовые среды, обогащенные азотом, могут также найти применение на складах с легковоспламеняющимися веществами. Промышленные газоразделительные мембранные установки работают в Гродно в ПО «Азот». Их назначение — концентрирование водорода из газообразных отходов производства аммиака. Обогащенный кислородом до 40 процентов, воздух находит применение в кабинетах оксигенотерапии, для быстрого и эффективного обезвреживания сточных вод, в рыбоводстве для создания оптимальных условий развития мальков. Энергозатраты на обогащение воздуха кислородом путем мембранных процессов в полтора раза меньше, чем на криогенных установках.

Мембраны не случайно оказались в числе тех материалов и устройств, для которых создан один из первых межведомственных научно-технических комплексов (МНТК). МНТК «Мембраны»— принципиально новые материалы и процессы. Принципиально новый тип организации, соединяющей науку с техникой и производством.