Глава 19. Мембранное разделение

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 имассовые 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/м²с). (19.4.)

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

1. баромембранные (движущей силой является градиент давления );

2. диффузионно-мембранные (движущей силой являются градиенты химических потенциалов);

3. электромембранные (движущей силой наряду с градиентами химических потенциалов является градиент электрического потенциала )

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.)

Рис. 19.2. Схематическое изображение переноса растворителя и состояние равновесия в сосуде, разделенном мембраной3: 1 – расположение растворителя, 2 – расположение раствора; р₁ и р₂ – 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:

, (19.5.)

где ez_i – заряд иона, – потенциал электрического поля.