Мембранные процессы

Процессы разделения жидких и газообразных смесей компонентов играют важную роль во многих отраслях промышленности. Для осуществления этих процессов применяют самые разнообразные методы: перегонку и ректификацию, абсорбцию и адсорбцию, экстракцию, кристаллизацию и др. Однако за миллион лет эволюции живых организмов выработан наиболее универсальный и совершенный метод разделения - использование полупроницаемых мембран. Именно они обеспечивают направленный перенос необходимых организму веществ из внешней среды в клетку и наоборот. Без мембран невозможны были бы дыхание, кроветворение, синтез белка, усвоение пищи, удаление отходов и другие процессы.

Учёные давно стремились познать и обратить на пользу человека замечательные свойства полупроницаемых мембран - пропускать одни вещества и задерживать другие. Однако идея применения мембран для технологических целей стала реальной лишь в последнее время в связи с развитием знаний о физической сущности и структуре веществ, с новыми достижениями в науке и производстве синтетических полимерных материалов. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в последние годы в России и за рубежом, привели к разработке ряда мембранных процессов, которые могут быть реализованы на практике. К основным мембранным методам разделения относятся: обратный осмос, ультрафильтрация, испарение через мембрану, диализ, электролиз, диффузионное разделение газов. В любом из этих процессов смесь жидкостей или газов приводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной её стороны. Вследствии особых свойств полупроницаемых мембран прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов. В ряде случаев процесс проходит настолько полно, что продукт практически не содержит примесей компонента, задерживаемого мембраной.

Основной движущей силой, определяющей скорость мембранного процесса может быть:

- градиент давлений - баромембранные процессы (обратный осмос, ультра- и микрофильтрация);

- градиент концентраций - диффузионно-мембранные процессы (диализ,

испарение через мембрану, разделение газов);

-градиент температур — термомембранные процессы (мембранная дистилляция и т.д.).

Продукт, прошедший через мембрану, называется пермеатом, а оставшаяся перед мембраной разделяемая смесь - ретантом (концентратом).

Основными показателями мембранных процессов являются:

- селективность:

, ( )

где С₁ и С₂ — концентрация вещества в исходной смеси и пермеате;.

φ – удельная производительность - количество (объем или масса) пермеата, полученного с единицы поверхности мембраны F за единицу времени τ.

- проницаемость мембран

, м³/(м^2.с).

В качестве мембран применяют различные материалы - полимерные плёнки (ацетат целлюлозы, полиамиды, полисульфон), пористое стекло, металлическую фольгу, ионообменные материалы и др.

Селективность и проницаемость зависят от материала и физико-химической структуры мембраны, концентрации исходной смеси и её температуры, давления и гидродинамической обстановки в системе и других факторов. Отличительной особенностью всех мембранных методов является простота конструкций установок, возможность осуществления процесса при невысокой или даже комнатной температуре, экономичность.

Расчёты показывают, что применение полупроницаемых мембран может дать значительный экономический эффект в сложившихся традиционных производствах. Оно открывает широкие возможности для создания принципиально новых, простых и малоэнергоёмких технологических схем, улучшения качества продукции и позволяет использовать вторичные сырьевые ресурсы и отходы.

Метод обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы растворителя и полностью или частично задерживающие молекулы или ионы растворённых веществ. В основе данного способа лежит явление осмоса -самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении - явление обратного осмоса.

Разделение методом обратного осмоса осуществляется без фазовых превращений и энергия А_m в процессе расходуется в основном на создание давления исходной жидкости и её продавливание через мембрану

A_m=A_c+A_пр

Работа А_с на сжатие жидкости (практически несжимаемой среды) мала, и её величиной пренебречь. Работу А_пр на продавливание жидкости можно найти по формуле

А_пр=ΔР^.V

где ΔР - перепад давления на мембране;

V - объём продавливаемой жидкости.

В тех случаях, когда осмотическое давление пренебрежимо мало по сравнению с рабочим давлением, что, например, характерно для водных растворов высокомолекулярных веществ, процесс разделения растворов с помощью полупроницаемых мембран называют ультрафильтрацией.

Ультрафильтрация - процесс разделения высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений в жидкой фазе с использованием селективных мембран, пропускающих преимущественно или только молекулы высокомолекулярных соединений. Движущей силой ультрафильтрации является разность давлений (рабочего и атмосферного) по обе стороны мембраны.

Обратный осмос и ультрафильтрация имеют много общего: для их осуществления используются полупроницаемые мембраны, приготовленные из одного и того же материала, но имеющие различные размеры пор; аппараты аналогичны. Однако механизы процессов обратного осмоса и ультрафильтрации различны.

Обратный осмос и ультрафильтрация имеют принципиальное отличие от обычного фильтрования. Если при фильтровании продукт образуется в виде твёрдого или аморфного осадка на поверхности фильтра то при обратном осмосе и ультрафильтрации продуктами являются два раствора, один из которых обогащен растворённым веществом. В этих процессах накопление растворённого вещества у поверхности мембраны недопустимо, так как приводит к резкому снижению селективности и проницаемости мембраны.

С целью уменьшения концентрации растворённого вещества у поверхности мембраны в лабораторных условиях устанавливают магнитные мешалки и вибрационные устройства; в промышленных установках - увеличивают скорость протекания жидкости вдоль мембраны с использованием различного рода турбулизаторов.

Области практического применения обратного осмоса и ультрафильтрации:

1 Химическая технология и. нефтепереработка.

• разделение азеотропных и близкокипящих смесей;

• разделение нетермостойких смесей;

- смещение равновесия в химических реакциях путём удаления одного из продуктов реакции;

• концентрирование растворов;

• разделение минеральных солей;

• подготовка и глубокая очистка сточных вод.

2 Пищевая технология.

• обезвоживание фруктовых соков;

• концентрирование молочных продуктов, молочного белка и т.д.

3 Обработка воды.

Здесь особое значение приобретает очистка жидких радиоактивных отходов низкого уровня активации. Жидкие радиоактивные отходы составляют большую часть отходов в атомной энергетике, радиационно-технической промышленности и радиохимических производствах. Сбросные воды - отходы низкого уровня активации из-за большого объёма хранить нецелесообразно. Поэтому они подвергаются обработке: вода очищается до предельно-допустимых концентраций по всем присутствующим изотопам, а сами изотопы концентрируются до минимально возможного объёма и в таком виде передаются на захоронение. Современные методы очистки сбросной воды являются очень сложными и требуют значительных расходов дорогостоящих химических элементов. Например, применение ацетатцеллюлозной мембраны позволяет на два порядка снизить активность сбросных вод и достигнуть 100-кратного уменьшения их объёма.

Наибольшее развитие мембранные методы нашли в области опреснения соленых вод. Это объясняется, прежде всего их экономичностью. Так, расход энергии в кВт^.ч на обессолпванпе 1 м³ морской воды различными методами составил:

- многоступенчатая дистилляция 63,6

• электролиз 35,5

• обратный осмос 3,7

Разработаны опреснители различной производительности - от нескольких литров (домашняя питьевая установка на 12л) до нескольких тысяч кубометров в сутки.

Основной проблемой при реализации мембранных методов является разработка и изготовление полупроницаемых мембран, которые отвечали бы следующим основным правилам

• высокая разделяющая способность (селективность);

• высокая удельная производительность (проницаемость);

• устойчивость к действию среды, разделяемой системы и её компонентов,

• неизменность характеристик в процессе эксплуатации;

• достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортирования и хранения мембран;

- низкая стоимость (что существенно для многотоннажных производств).

Все полупроницаемые мембраны целесообразно подразделить на дге основные группы: пористые и непористые (диффузионные).

Непористые (диффузионные) мембраны являются квазигомогенными гелями, через которые растворитель и растворённые вещества проникают под действием градиента концентраций (молекулярная диффузия). Поэтому такие мембраны часто называют диффузионными. Скорость, с которой проходят через мембрану отдельные компоненты, зависит от энергии активации при взаимодействии переносимых частиц с материалом мембраны. Обычно скорость диффузии тем выше, чем слабее связаны между собой отдельные звенья полимерной цепи в гелевом слое, т.е. чем сильнее мембрана набухает. Поэтому все лиофильные полимеры принципиально пригодны для изготовления диффузионных мембран.

Диффузионные мембраны применяют для разделения газов и жидких смесей методами испарения через мембрану, диализа.

Пористые полимерные плёнки получают обычно введением в полимер добавок с последующим их вымыванием или путём удаления растворителей из растворов полимеров в условиях, препятствующих существенной усадке каркасной структуры полимера вследствии действия капиллярных сил.

Известно три основных метода формирования полупроницаемых мембран: сухой (спонтанный), коагуляционный и термальный.