15.6. Основы мембранной технологии

Мембранная технология — новый принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.

По сравнению с традиционными процессами разделения неоднородных систем мембранная технология выгодно отличается высокой энерго- и ресурсоэкономичностыо, простотой аппаратурного оформления, экологической чистотой.

Слово «мембрана» имеет латинское происхождение (тет-Ъгапа) и означает «кожица», «перепонка». В технологии под мембраной мы будем понимать перегородку, обладающую различной проницаемостью по отношению к отдельным компонентам жидких и газовых неоднородных смесей.

При внешпем сходстве процессов фильтрования и мембранного разделения между ними есть принципиальное отличие. В ходе фильтрования хотя бы один из компонентов газовой или жидкой смеси задерживается и фиксируется внутри фильтрующей перегородки. Ото приводит к тому, что перегородка постепенно забивается и осуществление процесса фильтрования на ней без очистки делается практически невозможным. В отличие от фильтра мембрана не фиксирует в себе ни один из компонентов разделяемой жидкой или газовой смеси, а только делит первоначальный поток на два, один из которых обогащен по сравнению с исходным каким-либо компонентом. Такой принцип действия мембраны делает ее срок службы практически неограниченным, без заметного изменения в эффективности разделения смесей.

В зависимости от материала, из которого изготовляют мембраны, их делят на полимерные, металлические, стеклянные, керамические или композиционные.

406

По механизму мембранного действия различают диффузионные, адсорбционные и ионообменные мембраны.

В зависимости от агрегатного состояния разделяемой смеси, движущей силы процесса разделения, размеров частиц компонентов и механизма разделения различают следующие разновидности мембранных процессов:

• диффузионное разделение газов;

• разделение жидкостей методом испарения через мембрану;

• баромембранные процессы разделения жидких смесей;

• электродиализ.

Диффузионное разделение газов основано на различной проницаемости мембран для отдельных компонентов газовых смесей. Для осуществления диффузионного разделения газовых смесей используются как сплошные, так и пористые мембраны с размерами пор меньшими, чем длина свободного пробега молекул газов при заданном давлении. Движущей силой процессов диффузии компонентов является разность их концентраций на противоположных поверхностях мембраны.

Диффузионное разделение газов сегодня является наиболее крупномасштабным и экономичным методом, который широко используется для получения урана-235, являющегося ядерным топливом; создания аппаратов «искусственное легкое»; при производстве водорода, выделении гелия из состава природных и нефтяных газов; для создания контролируемой атмосферы, обогащенной диоксидом углерода. Созданы и используются специальные пленки, которые помогают длительное время сохранять качество завернутых в них овощей, фруктов, цветов. В основе такой технологии лежит свойство полимерных мембран разделять воздух на молекулярном уровне: в результате в нем становится меньше кислорода, что резко замедляет процессы гниения.

Разделение жидкостей методом испарения через мембрану основано на различной диффузионной проницаемости мембран для паров веществ. Движущей силой процесса является разность концентраций или давлений. Смесь жидкостей, находящихся в контакте с мембраной, нагревают, а пары, проникающие через мембрану, отводят с помощью вакуумирования или потоком инертного газа. Наиболее широко этот метод применяется при разделении азеотропных смесей, а также смесей веществ, имеющих невысокую термическую стабильность.

Баромембранные процессы разделении жидких смесей осуществляются под избыточным давлением. Установки, работающие на принципе баромембранного разделения, широко используются для обессоливания морской и соленой воды, очист-

407

ки сточных вод, извлечения ценных компонентов из разбавленных растворов. В пищевой промышленности они применяются для концентрирования сахарных сиропов, фруктовых и овощных соков; в электронной промышленности, медицине и фармацевтике — для получения ультрачистой воды.

Если мембранный процесс используют для отделения от идеального раствора крупных коллоидных или взвешенных микрочастиц размером 0,1—10 мкм, то его называют микрофильтрацией, или мембранной фильтрацией.

Микрофильтрация нашла широкое применение в микробиологической промышленности при концентрировании водных растворов ферментов, белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других веществ, а также для очистки сточных вод в химической, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности.

Электродиализ можно определить как перенос ионов через мембрану под действием электрического тока. При наличии мембран, избирательно пропускающих одни ионы и задерживающих другие, можно решать задачи выделения ценных компонентов из растворов, обессоливания воды и снижения ее жесткости, очистки сточных вод и др.

В зависимости от способа укладки мембран аппараты для мембранных процессов могут быть следующих типов:

• с плоскими мембранными элементами;

• с трубчатыми мембранными элементами;

• с мембранными элементами рулонного типа;

• с мембранными элементами в виде полых волокон.

Достоинствами плоскокамерных аппаратов являются простота их устройства и надежность в работе, недостатками — трудоемкость изготовления, высокая металлоемкость, низкая плотность укладки мембран в единице объема, невысокая интенсивность процесса мембранного разделения.

Преимуществами трубчатых разделительных аппаратов являются нетребовательность к предварительной очистке разделяемых смесей, высокая удельная поверхность мембраны в аппарате, легкость очистки поверхности мембран от осадков, интенсивный режим работы. Недостатки трубчатых разделительных аппаратов обусловлены в первую очередь высокой стоимостью их изготовления.

К достоинствам аппаратов с элементами рулонного типа следует отнести высокую плотность упаковки мембран в единице объема, удобство монтажа и демонтажа разделительного элемента в аппарате, возможность предварительного контроля качества мембранной поверхности. Недостаток таких аппара-

408

тов — необходимость тщательной предварительной подготовки разделяемой смеси, что увеличивает стоимость процесса мембранного разделения.

Основными преимуществами разделительных аппаратов с полыми волокнами являются высокая удельная производительность, простота устройства и эксплуатации. Однако эти аппараты недешевы.

Перспективность мембранных методов — прежде всего в их универсальности. Скоро нельзя будет представить ни одной технологической линии в пищевой, медицинской, фармацевтической и ряде других отраслей промышленности, в которой не было бы установок для мембранного синтеза, разделения, концентрирования и очистки продуктов.