Токарь А.Ю.

Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ

Аннотация

В статье рассмотрена сущность мембранных процессов разделения через знакомство с основными публикациями в периодических научных изданиях, ознакомление с учебно-методической литературой по данной тематике.

Ключевые слова: мембранные процессы, разделение жидких и газовых смесей, мембраны.

Tokar A. J.

St. Petersburg State Technological Institute (technical university)

MEMBRANE SEPARATION PROCESS

Abstract

The article discusses the essence of membrane separation processes through familiarity with basic publications in scientific periodicals, familiarization with instructional literature on the subject.

Keywords: membrane processes, the separation of liquid and gas mixtures, the membrane.

Процессы разделения жидких и газообразных систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Так, для осуществления процессов разделения жидких смесей, например, применяют такие методы как перегонка, ректификация, экстракция, адсорбция и др. Однако наиболее универсальным методом разделения является разделение с использованием полупроницаемых мембран (мембранные методы) .

Значение мембранной технологии в последние годы резко возросло, прежде всего, как технологии, способной навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию.

Глобальный характер воздействия и влияния мембранной технологии на реализацию других российских и мировых научно-технологических приоритетов в последнее время получили свое дальнейшее подтверждение. Критическая технология федерального уровня «Мембраны» вошла в 17 приоритетных для российской науки направлений, в которых российские ученые опережают мировой уровень, причем без использования мембранных процессов невозможно обеспечить поддержание необходимого научно-технического уровня в 12 приоритетах. К этому необходимо добавить серьезные возможности мембранных процессов в решении важнейшей задачи современного этапа развития нашего общества – технологического обновления отечественной промышленности .

Жизненная необходимость широкомасштабного внедрения мембранных процессов определяется многими факторами и, прежде всего, их прямым влиянием на обеспечение национально-экономических проблем и перспективах их практического использования.

За последние десятилетия мембранные методы разделения интенсивно развиваются и реализуются в самых различных сферах деятельности человека. Особенно широко эти методы используются для опреснения соленых вод. Так, в 1980 г. более половины всей опресненной воды на земле получали мембранными методами, причем производительность некоторых мембранных установок достигла нескольких десятков тысяч м 3 опресненной воды в сутки .

В химической и нефтехимической промышленности мембранные методы применяют для разделения смесей высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, азеотропных смесей, для выделения гелия и водорода из природных газов, кислорода из воздуха и т.п. .

В пищевой промышленности – для получения высококачественного сахара, пастеризации пива, стабилизации виноградных вин, переработки и консервирования молока с целью получения основных молочных продуктов; консервирования фруктовых и овощных соков и т.п. .

В биотехнологии и медицинской промышленности – для выделения и очистки биологически активных веществ, вакцин, ферментов и т.п.; в пищевой промышленности – для концентрирования фруктовых и овощных соков, молока, получения высококачественного сахара и т. п. .

Наиболее широкое применение мембранные процессы находят при обработке воды и водных растворов, очистке сточных вод .

Весьма перспективно применение полупроницаемых мембран для проведения экологического мониторинга, осуществления контроля и прогноза за состоянием окружающей среды, при освоении космоса и вод мирового океана.

Ведутся работы по созданию синтетических мембран, способствующих воспроизведению некоторых из фотохимических реакций. Происходящих в зеленых растениях. При этом главная задача состоит не столько в получении углеводов, протеинов, жиров, нуклеиновых кислот, производимых при участии природных мембран, сколько в получении водорода и других «энергетических» веществ. Эти мембраны быть способны с помощью энергии солнечного света расщеплять воду и производить водород, который можно накапливать и использовать в качестве топлива .

Дальнейшая широкая реализация мембранных процессов связана с необходимостью разработки аналитических и графоаналитических методов расчета аппаратуры для их осуществления, разработки нормалей, номограмм, стандартов, справочных и систем для решения конкретных технологических задач, а также создания методов оптимизации мембранной аппаратуры с применением электронно-вычислительной техники .

Конечно, краткий перечень основных направлений использования мембранных методов далеко не исчерпывает всех возможных областей их применения.

Расчеты и накопленный большой фактический материал показывают, что применение полупроницаемых мембран может дать значительный экономический эффект в сложившихся традиционных производствах, открывает широкие возможности для создания принципиально новых, простых, малоэнергоемких и экологически чистых технологических схем (особенно при сочетании с такими широко распространенными методами разделения, как ректификация, адсорбция, экстракция и др.).

Однако еще не решены все проблемы исследования мембран и мембранных процессов. Актуальной задачей и сейчас остается разработка теории направленного получения мембран с заранее заданными свойствами и технологический расчет мембранных процессов и аппаратов.

Целью данной работы явилось всестороннее изучение сущности мембранных процессов разделения через знакомство с основными публикациями в периодических научных изданиях, ознакомление с учебно-методической литературой по данной тематике.

Мембранная технология – это одно из новых направлений развития химических технологических процессов, целью которых является разделение жидких и газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран.

Процессы мембранного разделения смесей осуществляются с помощью полупроницаемых мембран. Движущей силой мембранного процесса может быть: градиент химического (для незаряженных частиц потока) или электрохимического (для заряженных частиц потока) потенциала, а также градиент фактора, определяющего скорость данного процесса (давление, температура и т.д.). Процессы мембранного разделения характеризуются параметрами: проницаемостью и селективностью. Основные мембранные методы разделения : обратный осмос, ультрафильтрация, первопарация, диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов .

Механизм переноса атомов, молекул или ионов различных веществ через полупроницаемые мембраны может быть объяснен следующими теориями .

Теория просеивания предполагает, что в полупроницаемой мембране существуют поры, размеры которых достаточны для того, чтобы пропускать растворитель, но слишком малы для того, чтобы пропускать молекулы или ионы растворенных веществ.

Теория молекулярной диффузии основана на неодинаковой растворимости и на различии коэффициентов диффузии разделяемых компонентов в полимерных мембранах.

Теория капиллярно-фильтрационной проницаемости основана на различии физико-химических свойств граничного слоя жидкости на поверхности мембраны и раствора в объеме .

Основными факторами, существенно влияющими на скорость и селективность мембранных процессов разделения, являются: концентрационная поляризация, рабочее давление и температура, гидродинамические условия внутри мембранного аппарата, природа и концентрация разделяемой смеси .

Мембраны должны удовлетворять следующим основным требованиям, а именно, обладать: высокой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной производительностью (проницаемостью); химической стойкостью к действию среды разделяемой системы; механической прочностью, достаточной для их сохранности при монтаже, транспортировании и хранении. Кроме того, свойства мембраны в процессе эксплуатации не должны существенно изменяться. Для изготовления мембран применяют различные полимеры (ацетаты целлюлозы, полиамиды, полисульфон и др.), керамику, стекло, металлическую фольгу и др. В зависимости от механической прочности используемых материалов мембраны подразделяют на: жидкие, уплотняющиеся (полимерные), с жесткой структурой, пористые, непористые (диффузионные) .

При изучении и анализе любого мембранного процесса необходимо учитывать три основных фактора и их взаимосвязь: 1) структуру мембраны по толщине (пористая, непористая, изотропная); 2) физико-химические свойства разделяемой системы (для растворов очень важно учитывать их основные термодинамические свойства); 3) взаимодействие разделяемой смеси с материалом мембраны . Если хотя бы один из перечисленных факторов не будет учтен, можно допустить принципиальную ошибку при разработке модели механизма того или иного мембранного процесса .

В зависимости от вида основной движущей силы процесса различают следующие типы мембранных процессов : баромембранные процессы, диффузионно-мембранные процессы, электромембранные процессы, термомембранные процессы.

Баромембранные процессы обусловлены градиентом давления по толщине мембран, в основном полимерных, и используются для разделения растворов и коллоидных систем при 5-30 °С. К баромембранным относят следующие процессы: обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация .

Диффузионно-мембранные процессы обусловлены градиентом концентрации или давления по толщине пористых либо непористых мембран на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. Их используют для разделения газовых и жидких смесей.

Электромембранные процессы обусловлены градиентом электрического потенциала по толщине мембран. Среди электромембранных методов наибольшее практическое применение нашел электродиализ – разделение растворов под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его перегородки-мембраны.

Термомембранные процессы – градиентом температур по толщине пористой мембраны на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. В настоящее время наиболее полно разработан процесс мембранной дистилляции. Мембранную дистилляцию целесообразно использовать для решения следующих основных задач: концентрирование и обессоливание водных растворов электролитов; опреснение морской воды; получение воды для подпитки паровых котлов и т. п; получение особо чистой воды и апирогенной воды для медицинских целей. Процесс мембранной дистилляции проводят практически при атмосферном давлении, поэтому аппараты для этого процесса могут изготовляться из дешевых полимерных материалов. Мембраны в аппаратах для мембранной дистилляции длительное время работают без заметного их загрязнения .

Для успешного решения конкретных технологических задач, связанных с применением мембранных процессов необходимо проведение расчета мембранных установок и аппаратуры. Полный расчет включает в себя проведение технологического, гидравлического и механического отчетов с применением современного электронного программного обеспечения.

Современные аппараты для мембранных процессов подразделяют на четыре основных типа, различающихся способом укладки мембран: аппараты с плоскими мембранными элементами; с трубчатыми мембранными элементами; с мембранными элементами рулонного типа; с мембранами в виде полых волокон. Но необходимо учитывать, что для каждого конкретного процесса разделения следует подбирать аппарат такой конструкции, которая обеспечивала бы наиболее выгодные условия проведения процесса.

Литература

1. Калекин, В.С. Гидравлика и теплотехника: учеб. пособие [Текст] / В.С. Калекин, С.Н. Михайлец. Омск: ОмГТУ, 2007. 320 с.
2. Абдуллин, И.Ш. Композиционные мембраны [Текст] / И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, В.В. Парошин, О.В. Зайцева // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 15. С. 67-75.
3. Степанов, С.В. Исследования по биомембранной очистке и обессоливанию сточных вод Сызранского НПЗ [Текст] / С.В.Степанов, Ю.Е.Сташок, Н.В. Ноев // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2012. № 1. С. 55-58.
4. Хванг, С.-Т. Мембранные процессы разделения: пер. с англ. [Текст] / С.-Т. Хванг, К. Каммермейер / Под ред. Проф. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1981. 464 с.
5. Колзунова, Л.Г. Мембранные методы разделения веществ и новые мембраны для этих процессов [Текст] / Л.Г.Колзунова, В.П.Гребень, М.А.Карпенко, И.Г. Родзик // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2009. № 2. С. 13-17.
6. Лазарев, С.И. Влияние давления на формирование динамических мембран при ультрафильтрации водных растворов дрожжевых и спиртовых производств [Текст] / С.И.Лазарев, В.Л. Головашин // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2011. Т. 16. № 1. С. 227-229.
7. Остроухов, Д.В. Ультрафильтрация – революция в производстве мягких сыров [Текст] // Сыроделие и маслоделие. 2010. № 2. С. 42-43.
8. Андрианов, А.П. Мембранные методы очистки поверхностных вод [Текст] / А.П.Андрианов, Д.В.Спицов, А.Г.Первов, Е.Б. Юрчевский // Водоснабжение и санитарная техника. 2009. № 7. С. 29-37.
9. Спицов, Д.В. Использование мембранных установок для улучшения качества водопроводной воды в городских зданиях // Интернет-Вестник ВолгГАСУ. 2011. № 4 (19). С. 10.

19.1. Общие сведения. Классификация методов мембранного разделения

Мембранное разделение – процесс разделения газовых или жидких смесей с помощью мембран. Мембраны – полупроницаемые перегородки, избирательно пропускающие компоненты газовых или жидких смесей.

Рассмотрим процесс мембранного разделения на примере бинарного раствора компонентаВ в растворителе А . Пусть растворитель проходит сквозь мембрану лучше, чем растворенное вещество. Тогда после контакта с мембраной исходная смесь разделится на два продукта: концентрат (ретант ), обогащенный растворенным веществом В и фильтрат (пермеат ), с меньшей концентрацией компонента В по сравнению с исходной смесью (рис. 19.1.).

Рис. 19.1. Схема процесса мембранного разделения:
массовые расходы и
массовые доли компонентаВ в исходной смеси, концентрате и фильтрате;

Для представленной схемы процесса мембранного разделения можно записать уравнения материального баланса по смеси в целом и компоненту В соответственно:

(19.1.)
(19.2)

Процесс мембранного разделения может характеризоваться селективностью  и проницаемостью j . Селективность определяется долей растворенного компонента В , не прошедшего сквозь мембрану

. (19.3.)

Если мембрана совершенно не пропускает компонент В , то

достигается полное разделение (компонентВ отсутствует в фильтрате). Если же мембрана одинаковым образом пропускает оба компонента А и В , то ее селективность
,
разделение полностью отсутствует.

Проницаемость (удельная производительность, поток массы) – масса фильтрата, проходящая через единицу поверхности мембраны за единицу времени

, (кг/м 2 с). (19.4.)

Классифицировать методы мембранного разделения можно по различным признакам. Так, в зависимости от природы движущей силы их можно подразделить на:

Баромембранное разделение осуществляется за счет разности давлений по обе стороны мембраны. В зависимости от размера задерживаемых мембраной частиц баромембранные процессы подразделяют на:

а) обратный осмос (10 -4 – 10 -3 мкм);

б) ультрафильтрацию (10 -3 – 210 -2 мкм);

в) микрофильтрацию (210 -2 – 10мкм).

Обратный осмос . В основе этого процесса разделения лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через мембрану в раствор. Перепад давлений, который устанавливается при этом между раствором и растворителем по достижении равновесия, называется осмотическим давлением (рис. 19.2.)

Р
ис. 19.2. Схематическое изображение переноса растворителя и состояние равновесия в сосуде, разделенном мембраной3: 1 – расположение растворителя, 2 – расположение раствора;р 1 и р 2 –давления жидкости в соответствующих частях сосуда на одинаковом расстоянии от днища,
– осмотическое давление.

Для проведения процесса обратного осмоса необходимо создать перепад давлений между раствором и растворителем, превышающий осмотическое давление. Это приведет к переносу растворителя из раствора и увеличению концентрации раствора (рис. 19.2.) Обратный осмос применяется, в основном, для разделения растворов электролитов. При этом осмотическое давление может составлять десятки и сотни атмосфер, а рабочее давление в аппарате и того больше. Так, для морской воды = 25 атм, а рабочее давление при ее опреснении составляет примерно 60 атм.

Ультрафильтрация применяется для отделения высокомолекулярных соединений от низкомолекулярных, при этом проходят сквозь мембрану лишь последние. Осмотическое давление в таких растворах невелико и рабочие давления не превышают, как правило, десяти атмосфер.

Микрофильтрация служит для концентрирования растворов крупных коллоидных частиц. Этот процесс является промежуточным между ультрафильтрацией и обычным фильтрованием. Следует иметь в виду, что в отличие от фильтрования при мембранном разделении образуется концентрат в виде раствора, а не осадок.

Достоинствами баромембранных процессов разделения являются малые энергозатраты ввиду отсутствия фазовых превращений (мембранное опреснение воды требует в 10-15 раз меньше энергозатрат, чем дистилляция); низкие температуры, позволяющие разделять термически нестойкие соединения. К их недостаткам относятся высокие рабочие давления (особенно для обратного осмоса), а также падение селективности и проницаемости при увеличении концентрации растворов, обусловленное концентрационной поляризацией – увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Для снижения концентрационной поляризации можно применить турбулизацию потока, перемешивание, вибрацию, что приводит к выравниванию концентраций.

Диффузионно-мембранное разделение осуществляется за счет различной скорости диффузии компонентов смеси через мембраны. Компоненты должны обладать различными коэффициентами диффузии, следовательно, отличающимися молекулярными массами и потенциалами взаимодействия (смотри 1.3.1. и П.3.2.). Диффузионно-мембранные процессы используют при испарении через мембрану (исходный раствор и концентрат жидкости, а фильтрат – пар); для разделения жидких растворов – диализ (исходный раствор и оба продукта жидкости), а также для разделения газовых смесей. Диффузионно-мембранные процессы могут применяться для разделения азеотропных и близкокипящих смесей.

Электромембранные процессы применяют для разделения ионосодержащих растворов (электродиализ ). Их движущей силой является совокупность градиентов химического и электрического потенциалов. Выражение для потока компонента i в отличие от (1.16.) будет иметь вид:

где ez i –заряд иона, – потенциал электрического поля.

В различных отраслях промышленности все большее значение приобретают мембранные процессы разделения и очистки: обратный осмос, микро- и ультрафильтрация, электродиализ. Эти процессы позволяют создавать замкнутые производственные циклы потребления воды.

Разделение и очистка веществ способствуют решению задач, связанных с необходимостью улучшения качества продуктов химической промышленности (снижение содержания примесей), с использованием сырья с низким содержанием ценных соединений, с необходимостью охраны окружающей среды (уменьшение сброса промышленных стоков, очистка сточных вод).

Возвращение ценных компонентов промышленных сточных вод в производственный цикл позволяет не только оградить среду обитания от загрязнения, но и поднять эффективность различных стадий промышленного производства, снизить объем потребляемого сырья. Утилизация ценных компонентов сточных вод предприятий пищевой и микробиологической промышленности представляет собой дополнительный источник получения сырья для производства продуктов питания и кормов.

В настоящее время качество природных вод ухудшается из-за роста в них солесодержания. Чтобы избежать деградации природных вод, необходимы замкнутые водооборотные системы на предприятиях. Сложившееся экологическое положение таково, что без мембранных процессов невозможно сохранение жизненно важных качеств воды. Однако для некоторых технологических стадий производства мембранные процессы еще не дают высокого эффекта, поэтому требуется их сочетание с традиционными методами очистки и разделения с учетом технико-экономических показателей водопотребления.

Экономическая эффективность и конкурентоспособность мембранных процессов могут быть значительно повышены, при комплексном подходе к переработке технологических и минерализованных вод, предусматривающем возвращение в производственный цикл не только основного компонента - воды, но и других ценных веществ. Для этого должно проводиться не только отделение примесей, но и их разделение, т. е. необходимо повышать селективность мембран и мембранных процессов. Во многих процессах химической технологии при использовании кислоты и щелочи происходит нейтрализация, т. е. деградация громадных количеств этих соединений, в конечном счете приводящая к загрязнению природных источников воды.

Мембранные процессы очистки и разделения могут быть основными при синтезе химических соединений, выводе веществ из реакционной смеси, регулировании условий проведения процесса: pH, концентрации реагента и т. п. Поверхность мембран может иметь каталитическую активность или окислительно-восстановительные свойства.

Исследования мембранных процессов развиваются в нескольких направлениях: разработка новых мембранных материалов, моделей явлений переноса, методов расчета мембранных модулей, проведение оптимизационных расчетов для различных объектов и производственных стадий. Наибольший эффект предполагается получить от исследований в области гидродинамики и химии поверхности.

Мембранные процессы успешно применяются для разделения смесей органических и неорганических веществ. Эти процессы различаются прежде всего движущими силами. Разность гидростатических давлений - ультрафильтрация и обратный осмос (баромембранные процессы); разность электрических потенциалов - электродиализ, разность концентраций - диализ. Существуют и «перекрестные» мембранные процессы, использующие две движущие силы или более: пьезодиализ, электроосмос и др. Такое деление мембранных процессов находит отражение и в материале используемых мембран: полупроницаемые - для обратного осмоса, ультрафильтрацион- ные - для ультрафильтрации, ионообменные - для электродиализа и т. д.

В основе этой традиционно сложившейся классификации мембранных процессов лежит их деление на группы по признаку физико-химических свойств, используемых для разделения смесей на компоненты. Однако эта натуральная, или естественная, классификация до некоторой степени сдерживает развитие мембранных процессов в целом из-за проведения резких граней между отдельными процессами.

Определение мембраны.

В настоящее время большинство исследователей, работающих в области мембранной технологии, под мембраной понимают область, разграничивающую две фазы. В этой связи мембраны могут быть газообразными, жидкими, твердыми или представлять собой комбинацию этих трех состояний. Понятие «область» в данном определении используется вместо обычного понятия «граница поверхностей». В то же время межфазные границы двух несмешивающихся жидкостей, газа и жидкости, газа и твердого тела не должны считаться мембранами. Каждый исследователь, как правило, имеет свое представление о мембране. В данном контексте трудно дать точное и полное определение мембраны, охватывающее все ее аспекты. Однако дать такое определение станет проще, если ограничиться только синтетическими структурами. В наиболее общем смысле синтетическая мембрана служит границей, которая разделяет две фазы и ограничивает перенос различных веществ из одной фазы в другую определенным способом.

Мембраны могут состоят из разнообразных материалов и иметь разные структуры. Мембраны могут быть гомогенными или гетерогенными, симметричными или асимметричными по своей структуре, могут быть «нейтральными» , проводить только отрицательные или только положительные заряды, или же и те и другие вместе. Мас- сообмен через мембрану может быть вызван диффузией или конвективным потоком, которые обусловлены градиентами гидростатического давления, температуры, химического или электрохимического потенциала. Многие материалы фактически являются мембранными, это защитные покрытия и упаковочные средства. Все материалы, действующие как мембраны, имеют одно общее свойство: они ограничивают прохождение различных химических веществ через мембрану строго определенным способом.

МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ , основаны на преим. проницаемости одного или неск. компонентов жидкой либо газовой смеси, а также коллоидной системы через разделительную перегородку-мембрану. Фаза, прошедшая через нее, наз. пермеатом (иногда - фильтратом), задержанная - концентратом. Движущая сила мембранных процессов разделения -разность хим. или электрохим. потенциалов по обе стороны перегородки. Мембранные процессы м. б. обусловлены градиентами давления (баромембранные процессы), электрич. потенциала (электромембранные процессы), концентрации (диффузионно-мембранные процессы) или комбинацией неск. факторов.

Разделение с помощью мембран - результат конкурирующих взаимод. компонентов смеси с пов-стью перегородки. Эффективность разделения оценивают след. показателями: селективностью j = 1 - c 2 /c 1 , где с 1 и с 2 - концентрации компонентов исходной смеси и пермеата; коэф. разделения K p = (с А,1 /с А,2)/(с В,1 /с В,2), где с А,1 , с В,1 и с A,2 , с В,2 -концентрации компонентов А и В в начальной смеси и пер-меате; проницаемостью (уд. производительностью) мембран G = V/Ft, где К-кол-во смеси, прошедшей за время t через мембрану , и определяемое по ур-нию V 2 + 2VC = Kt, в к-ром С и К-эмпирич. константы , F- площадь пов-сти перегородки.

Вследствие различной скорости прохождения компонентов смеси через мембрану происходит т. наз. концентрационная "поляризация ", при к-рой в пограничном слое около пов-сти перегородки накапливается в-во, имеющее наименьшую скорость проницания. В результате при разделении жидких смесей снижаются движущая сила процесса и соотв. селективность , производительность и срок службы мембран . Кроме того, возможно осаждение на мембране труднорастворимых солей , а также гелеобразование высо-комол. соединений, что приводит к необходимости очистки мембран (см. ниже). Для уменьшения влияния концентрационной поляризации и улучшения работы мембран разделяемую систему перемешивают, что способствует выравниванию концентраций компонентов у пов-сти перегородки и в ядре потока. Перемешивание осуществляют путем увеличения скорости потока (до 3-5 м/с); турбулизацией р-ра путем применения спец. вставок в виде сеток, перфорированных или гофрированных листов, спиралей, шариков ; использованием ультразвука и т. д. При разделении газовых смесей благодаря высоким коэф. диффузии компонентов через мембраны концентрационная поляризация мала и ее можно не учитывать.

Др. фактор, оказывающий влияние на мембранные процессы разделения,-продольное (обратное) перемешивание системы. По мере распределения компонентов между исходным потоком и перме-атом возникает соответствующий концентрационный профиль, к-рый приводит к продольному выравниванию концентраций из-за молекулярной диффузии . При использовании турбулизирующих вставок наиб. воздействие на продольный перенос оказывает конвективная диффузия .

М ембранные процессы разделения могут быть осложнены также рядом др. факторов, напр. недостаточной стойкостью мембран к агрессивным средам и действию микроорганизмов . Хим. стойкость мембран , напр., к гидролизу обеспечивается тщательным подбором материала, характеристик рабочей среды и условий проведения процесса. Для предотвращения биол . обрастания, а иногда и разрушения мембран нек-рыми видами микроорганизмов исходную смесь хлорируют, напр. Сl 2 или гипохлоритами , обрабатывают р-ром CuSO 4 либо формальдегидом , а также подвергают озонированию и УФ облучению.

Основные типы мембран и их очистка. Различают мембраны монолитные (сплошные), пористые, асимметричные (двухслойные), составные (композиционные) и др., а также мембраны жидкие и мембраны ионообменные (о получении мембран и их св-вах см. Мембраны разделительные).

В процессе эксплуатации пов-сть мембран загрязняется, что приводит к резкому ухудшению показателей мембранных процессов разделения. Один из способов, снижающих загрязнение мембран ,-предварит. очистка системы (см., напр., Водопад готовка, Жесткость воды). Методы очистки мембран условно подразделяют на механические, гидромеханические, физические и химические. Мех. очистка - обработка пов-сти перегородок эластичной губкой (нередко с применением моющих ср-в), не обладающей абразивными св-вами, полиуретановыми шарами и т.п. Гидродинамич. очистка - воздействие на загрязненную пов-сть мембран пульсаций разделяемой смеси или промывной жидкости (обычно воды), турбулизация потока; промывка газожидкостной эмульсией (как правило, смесью воды и воздуха); обратная продувка мембран (особенно микррфильтров) сжатым воздухом ; обратный ток смеси, резкое снижение давления в системе (загрязнения отслаиваются от перегородки и вымываются сильным потоком воды). Физ. очистка - воздействие на перегородки элек-трич., магн. и ультразвуковых полей. Хим. очистка-промывка рабочей пов-сти мембран разб. р-рами к-т или щелочей , р-ром I 2 и т.д.

Баромембранные процессы (обратный осмос , ультрафильтрация , микрофильтрация) обусловлены градиентом давления по толщине мембран , в осн. полимерных, и используются для разделения р-ров и коллоидных систем при 5-30 °С. Первые два процесса принципиально отличаются от обычного фильтрования . Если при нем продукт откладывается в виде кристаллич. или аморфного осадка на пов-сти фильтра , то при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два р-ра, один из к-рых обогащен растворенным в-вом. В этих процессах накопление данного в-ва у пов-сти мембраны недопустимо, т.к. приводит к снижению селективности и проницаемости мембраны (о различии между микрофильтрацией и фильтрованием см. ниже).

Баромембранные процессы используются во мн. отраслях народного хозяйства и в лаб. практике: для опреснения соленых и очистки сточных вод , напр. разделения азеотроп-ных и термолабильных смесей, концентрирования р-ров и т.п. (обратный осмос); для очистки сточных вод от высо-комол. соединений, концентрирования тонких суспензий , напр. латексов , выделения и очистки биологически активных в-в, вакцин, вирусов , очистки крови , концентрирования молока , фруктовых и овощных соков и др. (ультрафильтра-ция); для очистки технол. р-ров и воды от тонкодисперсных в-в, разделения эмульсий , предварительной подготовки жидкостей , напр. морской и солоноватых вод перед опреснением, и т.д. (микрофильтрация).

Электромембранные процессы обусловлены градиентом электрич. потенциала по толщине мембран . Наиб. применение нашел э л е к т р о д и а л и з-разделение р-ров под действием электродвижущей силы, к-рая создается по обе стороны полимерных и неорг. перегородок [размер пор (2-8) . 10 -3 мкм], проницаемых для любых ионов (отделение электролитов от неэлектролитов), или ионообменных мембран , проницаемых лишь для катионов либо только для анионов (обессоливание водных р-ров или фракционирование солей). Аппараты с ионообменными перегородками (электродиализаторы), напр. для обессоливания р-ров NaCl (рис. 2), состоят из ряда камер (ячеек), по к-рым перемещаются р-ры электролитов . В крайних камерах расположены электроды . Поскольку катионообменные мембраны пропускают лишь катионы , а анионообменные - только анионы , камеры поочередно обогащаются и обедняются электролитом . В результате исходный р-р разделяется на два потока - обессоленный и концентрированный. Разделение ионов с одинаковым знаком заряда происходит вследствие различия между скоростями их переноса через перегородку.

Рис. 2. Многокамерный электродиализатор для обессоли вания растворов NaCl: А, К-соотв. анионо- и катионооб-менные мембраны .

Осн. характеристики аппаратов, состоящих из п ячеек: уд. производительность G = mIFn/95,24 . 10 3 моль /с, где I-плотность тока (в А/см 2), F-площадь пов-сти мембраны (в см 2), т-число хим. эквивалентов исходного в-ва на 1 моль ; общий перепад электрич. потенциалов DE= = E D + I(R M + R p)n (в кВ), причем E D -сумма потенциалов разложения и перенапряжения на электродах , R M и R p -соотв. электрич. сопротивления мембраны и р-ра; потребляемая мощность N= 10 -3 IFE D +1I(R M + R p)n (в кВт); уд. потребляемая мощность N yд = 0,02651 (R м +R р) (в кВт/моль). Электродиализ широко используют для обессоливания морской и солоноватой вод , сахарных р-ров, молочной сыворотки и др., а также для извлечения минерального сырья из соленых вод .

Диффузионно-мембранные процессы (мембранное газоразделение, испарение через мембрану , диализ) обусловлены градиентом концентрации по толщине пористых либо непористых мембран на основе полимеров или с жёсткой структурой. Используются для разделения газовых и жидких смесей .

М е м б р а н н о е г а з о р а з д е л е н и е-разделение на компоненты газовых смесей или их обогащение одним из компонентов. При использовании пористых перегородок с преим. размером пор (5-30) . 10 -3 мкм разделение газов происходит вследствие т. наз. кнудсеновской диффузии . Для ее осуществления необходимо, чтобы длина своб. пробега молекул была больше диаметра пор мембраны , т. е. частота столкновений молекул газа со стенками пор превышала частоту взаимных столкновений молекул . Поскольку средние скорости молекул в соответствии с кинетич. теорией газов обратно пропорциональны квадратному корню их масс, компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями. В результате пермеат обогащается компонентом с меньшей мол. массой, концентрат-с большей. Коэф. разделения смеси К р = n 1 /n 2 = =- (М 2 /М 1) 0,5 , где n 1 и п 2 -числа молей компонентов соотв. с мол. массами М 1 и М 2 . В реальных условиях весьма трудно с помощью пористых мембран обеспечить чисто кнудсе-новский механизм разделения компонентов. Это объясняется адсорбцией или конденсацией их на стенках пор перегородки и возникновением дополнительного т. наз. конденсационного либо поверхностного газового потока, наличие к-рого приводит к снижению К р.

При применении непористых мембран разделение газов осуществляется за счет разной скорости диффузии компонентов через перегородки. Для таких мембран проницаемость газов и паров на 2-3 порядка ниже, чем для пористых, но селективность значительно выше. Кол-во газа , проходящего через единицу площади пов-сти сплошной перегородки в единицу времени, определяется по ф-ле: V= К r х х [(c 1 -c 2 /d)] = K r [(p 1 -p 2)/ d], где с 1 ,с 2 и p 1 , p 2 -соотв. концентрации и парциальные давления проникающего компонента в газовом потоке по обе стороны мембраны толщиной d; К r -коэф. газопроницаемости . С повышением т-ры величина G для непористых перегородок возрастает, однако, как правило, снижается j, к-рую в первом приближении можно представить как соотношение коэф. газопроницаемости чистых компонентов разделяемой смеси, напр. для воздуха j O2 = K r,O2 /K r,N2 .

Мембранное газоразделение применяют: с помощью пористых мембран-в производстве обогащенного U, для очистки воздуха от радиоактивного Кr, извлечения Не из прир. газа и т.п.; посредством непористых мембран-для выделения Н 2 из продувочных газов произ-ва NH 3 и др. (преим. металлич. перегородки на основе сплавов Pd), для обогащения воздуха кислородом , регулирования газовой среды в камерах плодоовощехранилиш, извлечения Н 2 , NH 3 и Не из прир. и технол. газов , разделения углеводородов и в перспективе для рекуперации оксидов S из газовых выбросов (гл. обр. полимерные мембраны).

И с п а р е н и е ч е р е з м е м б р а н у-разделение жидких смесей, компоненты к-рых имеют разные коэф. диффузии . Из исходного р-ра через мембрану в токе инертного газа или путем вакуумирования отводятся пары пермеата, к-рые затем конденсируются. При разделении происходят сорбция мембраной растворенного в-ва, диффузия его через перегородку и десорбция в паровую фазу; процесс описывается ур-нием Фика. Состав паров зависит от т-ры процесса (влияние давления на его характеристики незначительно), материала мембраны , состава р-ра и др. Для увеличения скорости процесса р-р нагревают до 30-60 °С. Мембраны -обычно непористые полимерные пленки из резины , целлофана , полипропилена или полиэтилена , фторопласта и т. п. Больший эффект разделения достигается при использовании для изготовления мембран лиофильных материалов. Скорость проницания компонентов через перегородки выше для частиц: а) с меньшей мол. массой в ряду гомологов; б) с одинаковыми мол. массой и меньшими размерами; в) с одинаковой мол. массой, но менее сложных по структуре; г) с хорошей растворимостью в материале и высоким коэф. диффузии через него.

Сплошные диффузионные мембраны обладают большим гидродинамич. сопротивлением, поэтому их следует применять в виде закрепленных на пористых подложках ультратонких пленок толщиной 0,02-0,04 мкм. Процесс используют для разделения азеотропных смесей , жидких углеводородов , водных р-ров карбоновых к-т, кетонов и растворенные в-ва с разными скоростями диффундируют через, определяемый экспериментально, причем b 1 и b 2 -соотв. коэф. скорости переноса в-ва в конц. р-ре к перегородке и от нее в разб. р-ре; d-толщина мембраны ; D-коэф. диффузии растворенного в-ва. Процесс используют в произ-ве искусственных волокон (отделение отжимной щелочи от гемицеллюлозы), ряда биохим. препаратов, для очистки р-ров биологически активных в-в.

Мембранные аппараты подразделяют на плоскокамерные, трубчатые, рулонные, с полыми волокнами, а также электродиализаторы (см. выше). В плоскокамерных аппаратах (рис. 3) разделительный элемент состоит из двух плоских (листовых) мембран , между к-рыми расположен пористый дренажный материал. Элементы размещены на небольшом расстоянии один от другого (0,5-5 мм), в результате чего между ними образуются мембранные каналы, по к-рым циркулирует разделяемая смесь. Образовавшийся концен трат выводится из аппарата, а пермеат отводится по дренажному материалу в коллектор. Для турбулизации потока путем поперечного перемешивания и предотвращения соприкосновения проницаемых элементов применяют сетку-сепаратор. В случае необходимости значит. концентрирова-ния исходного р-ра в аппарате устанавливают неск. последовательно работающих секций. Пов-сть разделительной мембраны , приходящаяся на единицу объема аппарата, т.е. плотность упаковки мембраны , для плоскокамерных аппаратов низка (60-300 м 2 /м), поэтому их используют в установках небольшой производительности для разделения жидких и газовых смесей.

солей , а также для разделения газовых смесей.

Рис. 4. Трубчатый аппарат: 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-трубчатый фильтрующий элемент.

В рулонных, или спиральных, аппаратах (рис. 5) мембранный элемент имеет вид пакета; три его кромки герметизированы, а четвертая прикреплена к перфорированной трубке для отвода пермеата, на к-рую накручивается пакет вместе с сеткой-сепаратором. Разделяемый поток движется в осевом направлении по межмембранным каналам, а пермеат-спиралеобразно по дренажному материалу и поступает в отводящую трубку. Аппараты этого типа отличаются высокой плотностью упаковки мембран (300-800 м 2 /м 3), но сложнее, чем плоскокамерные, в изготовлении. Они используются в установках средней и большой производительности для разделения жидких и газовых смесей.

Рис. 5. Рулонный аппарат: a-корпус, б-фильтрующий элемент; 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-фиксатор; 4-сепаратор; 5-отводная трубка.

В аппаратах с волокнистыми мембранами (рис. 6) рабочий элемент обычно представляет собой цилиндр, в к-рый помещен пучок полых волокон с наружным диаметром 80-100 мкм и толщиной стенки 15-30 мкм. Разделяемый р-р, как правило, омывает наружную пов-сть волокна, а по его внутр. каналу выводится пермеат. Благодаря высокой плотности упаковки мембран (до 20000 м 2 /м 3) эти аппараты применяют в опреснительных установках большой производительности (десятки тыс. м 3 /сут).
инертного газа и конденсаторами паров ; для диализа-плоскокамерные и др. мембранные.

М ембранные процессы разделения осуществляют, как правило, при т-ре окружающей среды без фазовых превращений и применения хим. реагентов , что наряду с простотой аппаратурного оформления и его обслуживания определяет их экономичность и широкие перспективы для создания принципиально новых, малоэнергоемких и экологически чистых произ-в (см. также Безотходные производства). Для организации и практич. реализации работ в области мембранных технологий в СССР создан (1986) межотраслевой науч.-техн. комплекс "Мембраны, под ред. Р. Лейси и С. Лёба, пер. с англ., М., 1976; Николаев Н. И., Диффузия в мембранах , М., 1980; Хванг С.-Т., Каммермейер К., Мембранные процессы разделения, пер. с англ., М., 1981; Дубяга В. П., Перепечкин Л. П., Каталевский Е. Е., Полимерные мембраны , М., 1981; "Успехи химии ", 1988, т. 57, в. 6. Ю.И. Дытнерский.

Страница «МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ» подготовлена по материалам