Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Мембраны из полимерных материалов. Получение и применение. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 91 2 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Н. В. Саутина, Ю. Г. Галяметдинов

МЕМБРАНЫ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ: ПОЛУЧЕНИЕ

И ПРИМЕНЕНИЕ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2015

УДК 66.081.6

Рецензенты:

д-р хим. наук, проф., зав. лабораторией высокоорганизованных сред ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН Л. Я. Захарова зав. кафедрой химии КГЭУ, д-р хим. наук, проф.

А. А. Чичиров

ISBN 978-5-7882-1763-5

Саутина Н. В., Галяметдинов Ю. Г., 2015

Казанский национальный исследовательский

технологический университет, 2015

Саутина Н. В.

Мембраны из полимерных материалов: получение и применение :

учебное пособие / Н. В. Саутина, Ю. Г. Галяметдинов; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2015. – 87 с.

ISBN 978-5-7882-1763-5

Приведены теоретические основы получения мембран из полимерных материалов, их классификация, конструкции наиболее часто встречающихся мембранных аппаратов, а также механизмы мембранного транспорта. Представлены тестовые задания по лекционному курсу, темы рефератов, контрольные вопросы и задачи для самостоятельной работы студентов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Химическая технология» по магистерской программе «Физикохимические основы инновационных технологий надмолекулярноорганизованных систем», при изучении курса «Введение в технологию полимерных мембран».

Подготовлено на кафедрах «Физическая и коллоидная химия», «Технология косметических средств».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................................................................ 4

1. Механизм мембранного транспорта ....................................................... 6

2. Классификация мембран . ........................................................................ 10

3. Виды мембранного транспорта ............................................................... 11

4.Основные виды полимеров, используемых для получения

мембран ......................................................................................................... 15

Эфиры целлюлозы и регенерированная целлюлоза .......................... 16

Нитраты целлюлозы. ......................................................................... 17

Ацетаты целлюлозы ........................................................................... 18

Полисульфоны ...................................................................................... 19

Фторированные полимеры ................................................................. 21

Нейтральные полимеры ...................................................................... 23

5. Методы получения мембран .................................................................... 25

Инверсия фаз ........................................................................................ 25

Сухой способ формования................................................................... 26

Мокрый способ формования ................................................................ 27

Метод спонтанного гелеобразования ................................................ 28

Выщелачивание ..................................................................................... 28

Травление треков для получения ядерных фильтров ........................ 29

Вытяжка ............................................................................................... 30

Спекание ................................................................................................ 31

Нанесение покрытий ............................................................................ 33

Нанесение при погружении.................................................................. 34

Межфазная поликенденсация ............................................................. 35

Плазменная полимеризация ................................................................ 36

6. Конструкции мембранных аппаратов ..................................................... 37

Тестовые задания .......................................................................................... 44

Темы рефератов. ........................................................................................... 72

Контрольные вопросы. ................................................................................. 73

Задачи для самостоятельного решения ...................................................... 77

Литература .................................................................................................... 83

Приложение. .................................................................................................. 85

Введение

Мембранная технология – это отрасль науки и техники,

связанная с использованием полупроницаемых мембран для разделения, очистки, фракционирования и концентрирования жидких и газовых смесей. Мембранные методы разделения жидких и газообразных сред уже сегодня заняли прочное место в арсенале промышленных технологических процессов. Существуют области, где мембранная технология вообще не имеет конкурентов. Здесь следует упомянуть аппарат "искусственная почка", создание сверхчистых веществ и зон в микроэлектронике, выделение термолабильных биологически активных веществ и др.[1]. Современные мембранные технологии относятся к числу энергосберегающих технологий и обеспечивают: низкие энергозатраты; непрерывность и безреагентность процесса разделения; легкость масштабирования и сочетания с другими технологиями; мягкие условия разделения; возможность изменения свойств мембран в широких пределах [2].

На сегодняшний день можно выделить четыре основные области применения мембран:

1) процессы разделения веществ: микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, газоразделение, первапорация (испарение через мембрану), диализ и электродиализ;

2) контролируемые системы массопереноса для дозированного введения лекарств или внесения в почву удобрений и пестицидов [3];

3) мембранные реакторы: энзиматические (ферментные) и каталитические, биосенсорные устройства и ткани искусственных органов;

4) мембраны в энергосберегающих и конверсионных системах: в топливных элементах и электролизерах [4]. Мембраны нашли свое применение и в области нанотехнологий. Среди наноматериалов пористые мембраны занимают совершенно уникальное положение. Основные причины для этого следующие:

- сами мембраны являются типичными наноструктурами, представляя собой системы трехмерно связанных или отдельных нанопор в матричном полимерном или неорганическом каркасе. Тонкие селективные слои мембран, в которых, в основном, и функционируют нанопоры, сами зачастую представляют нанослой толщиной до 100 нм;

- на основе мембран методами матричного или шаблонного

("темплейтного" от англ. template – шаблон) синтеза могут быть получены так называемые вторичные структуры;

- поры мембран, модифицированные так называемыми "умными" (smart) полимерами – основное звено наноустройств сенсорного типа и др.[5].

Учебное пособие состоит из трех частей. В первой части

приведен теоретический обзор основных мембранных процессов разделения, полимеров, применяемых в производстве мембран и методы их получения. Во второй части приведены тестовые задания, которые могут быть использованы как для проверки знаний студентов на практических занятиях, так и для принятия тестового зачета. Для их составления использовалась литература, указанная в конце данных методических указаний. Третья часть представляет собой темы рефератов, которые являются итогом самостоятельной работы студентов и задачи по теме «Мембранная технология».

1. Механизм мембранного транспорта

Полупроницаемая мембрана – это селективно проницаемый

барьер между двумя фазами. Массоперенос через мембрану еще называют проницаемостью и, естественно, он происходит только тогда, когда существует движущая сила или, иными словами, градиент потенциала какого-либо воздействия на систему по обе стороны мембраны. Фаза, прошедшая через мембрану, называется пермеатом, задержанная – концентратом (ретентатом). Мембрана способна пропускать один компонент быстрее, чем другой, из-за различий физических и (или) химических свойств мембраны и компонентов разделяемой смеси [6].

Рис.1 – Схематическое изображение транспорта через мембрану

Транспорт через мембрану является результатом воздействия

движущих сил на индивидуальный компонент в сырьевой смеси. Под влиянием движущей силы, т. е. приложенного давления, растворитель и молекулы некоторых растворенных веществ проникают через мембрану, тогда как другие молекулы или частицы в различной мере задерживаются мембраной (точнее, не проходят через нее). Процессы разделения жидких и газовых смесей с помощью селективно проницаемых мембран характеризуются наличием трех потоков потока, подходящего к мембране J мембрану J1' и потока, отходящего от мембраны J'. Отношение

, потока, проходящего через

величины потока J1' к величине потока J0 называют конверсией

Рис.2 - Принципиальная

схема мембранного разделения смесей

Вид потока

Уравнение

Название уравнения

Массовый поток

Jm = - D • dc/dx

Закон Фика

Объемный поток

Jv = -Lp • dP/dx

Закон Дарси

Тепловой поток

Jh = -a • dT/dx

Закон Фурье

Электрический

ток

J% = -(1/R) • dE/dx

Закон Ома

процесса и обычно выражают в процентах [7].

Во многих случаях скорость массопереноса через мембрану

пропорциональна движущей силе, то есть связь потоков и сил может быть описана линейным феноменологическим уравнением. Пропорциональность между потоком (J) и движущей силой определяется уравнением

где А — так называемый феноменологический коэффициент, а

(dX/dx) — движущая сила, выражаемая как градиент величины X (температуры, концентрации, давления) по координате х, перпендикулярной поверности транспортного барьера.

В роли феноменологического коэффициента могут выступать

коэффициент диффузии (D, закон Фика), коэффициент проницаемости (Lp, закон Дарси), коэффициент теплопроводности (а, закон Фурье) и удельная электропроводность (1 /R, закон Ома). Феноменологические уравнения представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Феноменологические уравнения

При использовании таких уравнений транспортные процессы

Мембранный процесс

Фаза 1

Фаза 2

Движущая сила

Микрофильтрация

Жидкость

∆P

Ультрафильтрация

Жидкость

∆P

Обратный осмос

Жидкость

∆P

Пьезодиализ

Жидкость

∆P

Газоразделение

Газ

∆P

Диализ

Жидкость

∆c

Осмос

Жидкость

∆c

Первапорация

Жидкость

Газ

∆p

Электродиализ

Жидкость

∆E

Термоосмос

Жидкость

∆T/∆p

Мембранная дистилляция

Жидкость

∆T/∆p

считаются макроскопическими, а мембрана — черным ящиком. Введение понятия «структуры мембраны» эквивалентно учету трения или сопротивления проникающей через мембрану молекуле или частице.

Движущая сила может быть градиентом давления, концентрации,

электрического потенциала или температуры. Обзор различных мембранных процессов и движущих сил дан в таблице 2.

Таблица 2 - Некоторые мембранные процессы

В конкретных случаях разделения жидких и газовых смесей

движущей силой процессов может быть перепад давлений ∆P, разность электрических потенциалов ∆E, разность температуры ∆T и градиент концентрации ∆c.

Эффективность или эксплуатационные качества некоторой мембраны определяются двумя параметрами: ее селективностью и потоком через мембрану. Последний, часто обозначаемый как скорость проницания или массопереноса, определяется как объем, протекающий через единицу площади мембраны в единицу времени.

Селективность мембраны по отношению к смеси в общем случае

выражается одним из двух параметров: задержанием (R) и фактором разделения (). Для разбавленных водных смесей, состоящих из растворителя (т.е. воды) и растворенного вещества, наиболее удобно выразить селективность в терминах задержания R по отношению к растворенному веществу. Растворенное вещество частично или полностью задерживается, в то время как молекулы растворителя (воды) свободно проходят через мембрану. Величина R определяется соотношением:

где с

— концентрация растворенного вещества в сырье и ср — кон-

центрация растворенного вещества в пермеате. Поскольку это безразмерный параметр, R не зависит от единиц, в которых выражается концентрация. Величина R изменяется от 100% (полное задержание растворенного вещества; в этом случае мы имеем «идеальную» селективно проницаемую мембрану) до 0% (растворенное вещество и растворитель свободно проходят через мембрану).

Селективность мембраны по отношению к газовым смесям и

смесям органических жидкостей выражается в терминах фактора разделения . Для смеси, состоящей из компонентов А и В, фактор разделения 

выражатся соотношением:

A/в

где УА и УВ — концентрации компонентов А и В в пермеате, а хA и хв это концентрации компонентов в сырьевом потоке. В системе СИ единицей измерения количества вещества является моль, но килограмм (кг) также часто используется. Поэтому концентрации могут быть выражены как массовые концентрации (сi,) либо молярные концентрации (ni,). Состав раствора или смеси может быть описан также с помощью мольных долей, массовых долей или объемных долей [6].

2. Классификация мембран

1. По происхождению

Рис. 3 - Классификация мембран по происхождению

2. По морфологии или структуре:

 пористые (способны разделять частицы по размеру);  непористые (способны отделять друг от друга молекулы

примерно одинакового размера);

 симметричные (изотропные);  асимметричные (анизотропные);  составные, композиционные;  импрегнированные (жидкие мембраны на пористой

подложке).

1 / 91 2 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]