Трековые мембраны – продукт высоких технологий

       Более 20 лет назад на предприятиях Минатома России ученые научились изготавливать новый тип микрофильтрационного материала, который с точки зрения науки о фильтрации является идеальным для очистки жидкостей и газов от микропримесей (пыли, взвеси, бактерий и т.д.). Пионерские исследования проводились в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) под руководством академика Г.Н.Флерова – не только руководителя открытия новых сверхтяжелых элементов Периодической системы, но и активного энтузиаста внедрения ядерно-физических методов в различные области науки и техники. В последующие годы производство трековых мембран было создано в Физико-энергетическом институте имени А.И.Лейпунского (г. Обнинск).
       Как изготавливаются трековые мембраны? Тонкие полимерные пленки (толщиной 10-20 мкм) из лавсана или других полимеров облучаются «на прострел» потоком высокоэнергетичных тяжелых ионов (аргоном, криптоном, ксеноном) на ускорителях (циклотронах, тандем-генераторах) или в специальной установке на ядерном реакторе. Каждый ион вдоль своей траектории повреждает полимерные молекулы, оставляя скрытый след – трек (отсюда и название мембран - «трековые»). Если облученную пленку затем засветить УФ светом и подвергнуть травлению в щелочи при заданной температуре, в ней по каждому треку образуется сквозное отверстие – пора цилиндрической формы, диаметр которой прямо пропорционален времени травления и может изменяться от сотых долей микрона до нескольких микрон (для сравнения: толщина человеческого волоса – 50 микрон). Диаметры всех пор оказываются совершенно одинаковыми. При облучении пленки используются высокоинтенсивные потоки тяжелых ионов и в зависимости от требуемого размера пор их плотность на мембране составляет от сотен тысяч до нескольких миллиардов на 1 см2.
       У трековых мембран все поры являются «калиброванными». Ни один другой материал для микрофильтрации не обладает таким свойством. По существу для трековых мембран характерен ситовый механизм задержания микрочастиц. Именно поэтому трековые мембраны используются в качестве эталонного теста при определении селективности других типов фильтров. Трековые мембраны характеризуются исключительно малой дисперсией пор по размерам (5 - 10 %), высокой селективностью и производительностью, имеют низкую адсорбционную способность по отношению к вирусам, клеткам, биополимерам, практически не содержат компонент, способных мигрировать в фильтрат. Размер пор можно варьировать от 0,03 до 5 мкм при плотности пор от 1010 до 105 см-2 Процесс фильтрации протекает на поверхности ТМ и размеры пор не меняются в процессе фильтрации.
       В Физико-энергетическом институте созданы ускорительная и реакторная технологии получения трековых мембран, при которой обеспечивается изотропное угловое распределение пор в полимерной матрице. Облученная до заданной плотности треков пленка подвергается затем сенсибилизирующей ультрафиолетовой засветке, химическому травлению и отмывке от продуктов травления по специально разработанной уникальной технологии. Производство реакторных трековых мембран сертифицировано. Мембраны прошли всесторонние испытания, имеют сертификаты токсикологической, радиационной и санитарно-гигиенической экспертизы.
       Мембраны представляют собой новое поколение трековых мембран и обеспечивают более высокие тактико-технические характеристики, чем существующие аналоги. Качественно новыми свойствами являются высокая пористость (до 15 %) и уникальная селективность, достигаемые за счет совершенства микроструктуры – изотропного распределения треков в заданном интервале телесных углов и калиброванного размера пор цилиндрической формы.
       Использование трековых мембран для очистки воды является одним из наиболее перспективных направлений обеспечения экологической безопасности населения. Если вы, например, используете трековую мембрану с диаметром пор 0,2 микрона, то вы можете быть абсолютно уверены, что ни одна бактерия или микрочастица, превышающая этот размер, не проскочит через фильтр. Проблема с вредоносным бактериальным «супом», накапливающимся на поверхности мембраны при фильтрации сильно загрязненной воды, также решается достаточно просто. Поскольку поверхность трековой мембраны является гладкой («зеркальной»), налет смывается тангенциальным потоком воды, что предусмотрено конструкцией фильтрующего устройства. Кишечная палочка, сальмонелла, холерный вибрион, штамм чумы отфильтровываются на наших мембранах стопроцентно.
     Вода средней полосы России содержит более 3 мг/л общего железа, при контакте ее с кислородом воздуха ионы двухвалентного железа окисляются до трехвалентного и образуют коллоидную гидроокись железа Fе(ОН)3, коагулирующую в виде хлопьевидной суспензии. Известно, что поверхность частиц суспензии обладает значительными сорбционными свойствами по отношению к растворенным в воде соединениям (солям тяжелых металлов, пестицидам и др.). Микрофильтрация воды на трековых мембранах не удаляет соли жесткости. Для уменьшения жесткости воды, необходимо проводить дополнительную фильтрацию с использованием сорбентов – активированных углей, ионно-обменных смол и т.д.
       Партия фильтров на трековых мембранах прошла детальные испытания с анализом воды из разных источников до и после фильтрации. Результаты испытаний показали, что вода, подвергнутая фильтрации с использованием трековых мембран, соответствует ГОСТ 2874-82 по радионуклидам, пестицидам и нафтенам, болезнетворным бактериям, взвешенным частицам, солям металлов: железа, марганца, алюминия, меди, свинца, ртути, хрома, кадмия, цинка, фтора, мышьяка. При этом вода сохраняет все важные для здоровья минералы и микроэлементы, становится кристально чистой, улучшаются ее вкусовые качества.
       Прецизионная микрофильтрация жидкостей и газов в биотехнологии, фармакологии, химии, микроэлектронике и других областях науки и производства обеспечиваются трековыми мембранами. Области применения трековых мембран непрерывно расширяются.

Основные характеристики трековые мембран:

материал – полиэтилентерефталат (лавсан), поликарбонат;

ширина ленты 320 мм, длина - до 3000 м;

толщина мембраны от 8мкм до 19 мкм;

диаметр цилиндрических пор от 0,03 до 5 мкм;

дисперсия размеров пор – не более 10 %;

плотность пор от 105 до 5109 см-2 ;

пористость (доля отверстий от всей площади мембраны) от 7 до 15%.

неоднородность распределения плотности пор на поверхности – не более 10 %

Поверхность трековой мембраны	Поперечное сечение трековой мембраны

Разработке мембран на II международной выставке «Инновации-99. Новые материалы» присужден Диплом I степени Министерства науки и технологий РФ.