8. Мембранные процессы.
Мембранные процессы – процессы разделения жидких и газовых смесей с использованием полупроницаемых мембран (перегородок).
Область применения мембранных процессов:
разделения азеотропных смесей,
очистка и концентрация растворов, растворов ВМС,
концентрирования фруктовых и овощных соков, молока,
очистка промышленных стоков,
очистка воды и т.д.
Мембранные процессы малоэнергоемкы и экологический чисты.
Рассмотрим процесс мембранного разделения на примере бинарного раствора компонента В 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.8.1).
Рис.8.1.
Схема процесса мембранного разделения:
,
,
-
массовые расходы и
массовые доли компонента В
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:
(8.1)
(8.2)
Процесс мембранного разделения характеризуется двумя основными параметрами: селективностью и проницаемостью j. Селективность определяется долей растворенного компонента В, не прошедшего сквозь мембрану
(8.3)
Если
мембрана совершенно не пропускает
компонент В,
то
- достигается полное разделение (компонент
В
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/м2с)
(8.4)
8.1. Классификация методов мембранного разделения. Типы мембран.
Методы мембранного разделения можно классифицировать по разным признакам.
Классификация мембранных процессов по виду основной движущей силы процесса:
градиент давления – барометрические процессы (обратный осмос, нано-, ультра- и микрофильтрация)
градиент концентраций – диффузионно - мембранные процессы (диализ, испарение через мембрану, мембранное разделение газов др.)
градиент электрического потенциала – электромембранные процессы (электролиз, электроосмос и др.)
градиент
– термомембранные процессы (мембранная
дистилляция и др.)
Возможно сочетание двух или трех названных выше движущих сил. Типы мембран:
Мембрана – полупроницаемая перегородка, пропускающая определенные компоненты жидких или газовых смесей.
Для изготовления мембран применяют различные полимеры (ацетаты целлюлозы, полиамиды, полисульфон и др.), керамику, стекло, металлическую фольгу и др.
В зависимости от механической прочности их подразделяют на уплотняющихся (полимерные) и с жесткой структурой, а также пористые и непористые (диффузионные).Встречаются жидкие мембраны.
Полимерные
мембраны, изготавливаемые из полимерных
материалов вымыванием предварительно
введенных добавок или бомбардировкой
-
частицами с последующим травлением
химическими реагентами, обладают узким
распределением размеров пор.
Металлические мембраны получают выщелачиванием одного из компонентов сплава. Их достоинства заключаются в механической прочности, однородности структуры.
Керамические мембраны относятся к композитным материалам и изготавливаются двух- или трехслойными. На подложку с более крупными порами наносится тонкий мембранообразующий слой. Их основным преимуществом является химическая стойкость, что позволяет использовать для разделения агрессивных сред.
Мембраны из микропористого стекла получают путем кислотной обработки, при которой из стекломассы удаляются отдельные составляющие. Они также обладают химической стойкостью и жесткой структурой.