Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Мембраны из полимерных материалов. Получение и применение. Учебное пособие
.pdf
71
б) нитрата целлюлозы и нейлона 4,6
в) ацетата целлюлозы и полиамида 66
15.8. Укажите метод получения мембран, в котором используется
коагуляционная ванна с осадителем:
а) инверсии фаз
б) выщелачивания
в) вытяжки
15.9. Выберите, для получения какого типа мембран используются
щелевые фильеры:
а) мембраны в виде рукавов
б) мембраны без предварительного нанесения на подложку
в) мембраны с предварительным нанесением слоя раствора на
движущую подложку
15.10. Назовите, в каком методе перед осаждением полимера с
поверхности раствора частично испаряют растворитель:
а) мокрого формования
б) сухого формования
в) сухо-мокрого формования
72
Темы рефератов
1. Этапы развития мембранной технологии
2. Процессы фазового разделения в полимерных системах
3. Плазменная полимеризация в производстве полимерных
мембран.
4. Влияние различных параметров на морфологию мембраны
5. Поляризационные явления и отложения на поверхности
мембран
6. Основные тенденции развития рынка полимерных мембран
7. Участники российского рынка мембран
8. Тестирование ультрафильтрационных мембран
9. Физико-химические основы получения полимерных мембран
методом инверсии фаз
10. Технологические процессы получения полимерных мембран по
мокрому способу формования
11. Влияние добавок в формовочные растворы на
морф ологию и транспортные с войства мембран
12. Получение мембран с использованием полимераналогичных
превращений
13. Органо-минеральные мембраны
14. Модификация мембран полимерами различной природы
15. Модификация мембран неионогенными ПАВ
16. Технология получения пленочных и половолоконных мембран.
Мембранные элементы и модули.
17. Полимеры как мембранные материалы.
18. Промышленное применение мембранных установок.
19. Использование мембранной и сорбционной технологий для
решения экологических проблем.
20. Применения мембран в медицине и биотехнологии.
21. Новейшие разработки в области мембранной и сорбционной
технологии. Мембранный катализ. Мембранные биореакторы.
73
Контрольные вопросы
Тема 1. Мембрана. Основные понятия. Рынок современных
полимерных мембран
1. Дайте определение понятиям: «мембрана», «мембранная
технология», «полимер».
2. Перечислите основные этапы развития мембранной
технологии.
3. Приведите основные достоинства и недостатки мембранной
технологии.
4. На чем основаны процессы мембранного разделения?
5. Дайте определение понятиям: «пермеат» и «ретентант».
6. Какие требования предъявляются к полимерам мембранного
назначения?
7. Какими параметрами определяются эффективность мембраны?
8. Приведите уравнение для вычисления селективности
мембраны.
9. Назовите основные направления развития мембранной техники
10. Перечислите области применения полимерных мембран.
11. Расскажите о современном рынке полимерных мембран.
Тема 2. Типы полимерных мембран
1. Перечислите основные виды классификации полимерных
мембран.
2. На какие виды делятся мембраны по морфологии и структуре
3. Какие мембраны относятся к симметричным?
4. Назовите признаки, характеризующие мембрану.
5. Какие мембраны можно отнести к типичным наноструктурам?
6. Охарактеризуйте динамические мембраны.
7. Чем интересны трековые мембраны и где они используются?
8. Что представляет собой нанофильтрация органических сред?
9. Расскажите о применении и свойствах нанофильтрационных
мембран.
10. В чем особенность жидких мембран?
Тема 3. Мембранные процессы
1. Напишите уравнение, характеризующее скорость
массопереноса через мембрану.
74
2. Запишите основные феноменологические уравнения,
применяемые при расчетах мембранных процессов.
3. Назовите движущие силы мембранных процессов.
4. Какой размер частиц не пропускают микрофильтрационные
мембраны?
5. Перечислите основные методы получения
микрофильтрационных мембран.
6. Что представляет собой ультрафильтрация?
7. Какие полимерные материалы используются в производстве
ультрафильтрационных мембран?
8. Охарактеризуйте нанофильтрационную мембрану.
9. Расскажите о процессе обратного осмоса.
10. Опишите процесс электродиализа.
11. Что такое первапорация и мембранная дистилляция?
Тема 4. Полимеры, используемые в производстве мембран
1. Назовите основные производные целлюлозы, которые
используются в производстве полимерных мембран.
2. В производстве каких мембран используются ацетаты
целлюлозы?
3. Назовите основные преимущества ацетата целлюлозы при
производстве мембран.
4. Расскажите о способе получения полиамидов.
5. Какие полимеры применяются для производства
микрофильтрационных мембран?
6. Напишите формулу поликапроамида.
7. Назовите основных представителей ароматических амидов,
используемых в производстве мембран.
8. Назовите основных представителей полисульфонов. Для каких
мембран они пригодны?
9. Опишите способ получения синтетических ароматических
полисульфонов.
10. Какие полимеры относятся к фторированным полимерам?
11. В чем особенности и преимущества политетрафторэтилена?
12. Охарактеризуйте мембраны из полиэтилена.
13. Напишите структурную формулу полипропилена.
75
Тема 5. Методы получения полимерных мембран
1. Назовите основные методы получения пористых полимерных
мембран.
2. Охарактеризуйте метод инверсии фаз.
3. Назовите отличия сухого способа формования мембраны от
мокрого.
4. Опишите схему мокрого формования мембраны.
5. Расскажите о методе спонтанного гелеобразования.
6. Охарактеризуйте метод выщелачивания.
7. Какую структуру мембраны можно получить методом
травления треков?
8. Опишите схему травления треков для получения ядерных
фильтров.
9. Что такое Келгард-процесс?
10. Опишите принцип метода спекания.
11. Опишите схему получения мембраны методом нанесения
покрытий.
12. Какие мембраны получают методом нанесения при
погружении?
13. Опишите схему формования композиционной мембраны с
помощью межфазной полимеризации.
14. Расскажите о принципе действия установки для плазменной
полимеризации.
Тема 6. Технологические процессы получения полимерных
мембран
1. Назовите основные стадии технологического процесса
получения полимерных мембран.
2. Опишите схему производства мембран методом мокрого
формования.
3. Какие аппараты используют при растворении полимера.
4. Для чего необходимо обезвоздушивание формовочных
растворов?
5. С помощью каких устройств проводят формование формы
мембраны из раствора.
6. Исходя из каких параметров выбирают форму фильер?
7. Назовите основные виды фильер.
8. Опишите схему машины барабанного типа для получения
мембран методом сухо-мокрого формования.
76
9. Для чего применяют машины ленточного типа?
10. Расскажите, как осуществляется промывка мембран.
11. Как проводится сушка мембран?
12. Охарактеризуйте основные процессы получения
мембран по способу сухого ф ормования.
13. Назовите виды мембран, получаемых методом
химической модификации.
14. Опишите схему производства мембран из ацетата
целлюлозы.
77
Задачи для самостоятельного решения
ПФО
Толуол
Мол.масса
100 000
92
Плотность
1,07
0,87
1. Переведите следующие величины из одних единиц в другие:
а) Давление: 1фунт/кв. дюйм (psi) = ...Н/м2 (Па)
б) Поток жидкости: 1 куб. фут/мин (sfm) = ... м3/с
в) Коэффициент проницаемости: 1 см
3
... м
(н. у.)∙ м/м2 ∙ч∙ Па
г) Поток газа: 1 млн стандартных куб. футов/сутки (MSCFD) =
…м
3
( н . у.)/ч
д) Энергия: 1 брит. тепловая единица/ам. галлон =.. .кДж/м3
е) Универсальная газовая постоянная R: 1 (фунт/кв. дюйм) ∙ куб.
фут/(фунт-моль К) =. . . Дж/(моль ∙ К)
ж) Вязкость: 1 сантипуаз (сП) = ... Па • с
2. Вычислите мольную долю и объемную долю толуола и
полифениленоксида (ПФО) в растворе, содержащем 5 масс.% этого
полимера в толуоле
3. Имеются две мембраны неизвестного типа А и В. Для установления
природы этих мембран решено измерить поток чистой воды через
мембраны в ячейке с рабочей поверхностью 50 см
мембраной 3 бар и температуре 20°С. Для мембраны А 12 мл воды
было собрано за 80 мин, тогда как для В за 30 мин удалось собрать 125
мл воды. Определите коэффициент проницаемости по отношению к
воде обеих мембран и укажите, можно ли отнести мембраны А и В к
обратноосмотическим, нанофильтрационным, ультрафильтрационным или микрофильтрационным.
4. Поток чистого метанола через полиимидную
ультрафильтрационную мембрану составляет 120 л/м2∙ ч ∙бар при
25°С. Рассчитайте поток толуола через эту же мембрану. Какие при
этом придется сделать предположения? Вязкость этанола и толуола
составляет 1,13 ∙ 10
-3
и 0,58 ∙10~3Па ∙ с соответственно.
5. Сырьевой поток в процессе обратного осмоса содержит 3 масс.%
3
(н. у.) ∙ см/см2∙ с ∙ (см рт.ст.) =
2
при давлении над
78
растворенных веществ. Их концентрация в пермеате 150 частей на
миллион (млн
-1
). Рассчитайте задержание R и фактор разделения а.
Поясните, какой из этих двух параметров больше подходит для
характеристики данного процесса.
6. Полиметилакрилат и полиметилметакрилат являются
родственными полимерами. Нарисуйте их структурные формулы
и объясните, какой из двух полимеров должен иметь более
высокую температуру стеклования. Известен ряд
полиалкилметакрилатов. Объясните, как будет изменяться
температура стеклования с ростом длины алкильной группы.
7. Полиэфиркетон и полиэфирэфиркетон — конструкционные
пластмассы высокой химической стабильности. Какой из двух
полимеров будет иметь более высокую температуру стеклования?
Почему эти материалы должны иметь высокую химическую
стабильность? Для полиэфирэфиркетона температура
стеклования 154°С, а температура плавления 335°С. Как должны
меняться механические свойства, например модуль упругости, в
интервале 25 — 335°С. Изобразите кривую напряжение —
деформация для этого полимера при 35°С.
8. Сополимер этилена и винил ацетата производится в различных
сочетаниях сомономеров. При содержании винилацетата свыше
50% кристалличность у сополимеров полностью исчезает.
Качественно опишите, как будет меняться проницаемость по
отношению к азоту для сополимеров с содержанием винилацетата
10, 50, 90%. Будут ли соответствующие сополимеры
высокоэластическими или стеклообразными, кристаллическими
или аморфными? Температуры стеклования гомополимеров
приведены в табл. 1 приложения.
9. Полимерный материал P получен из двух монодисперсных фракций:
фракций А имеет молекулярную массу 1000, а фракция В – 100000.
Продукт содержит равные мольные доли А и B. Вычислите
средневесовую и среднечисловую молекулярные массы P.
10. Плотность гомогенной пленки из найлона-6.6 составляет 1,14 г/см3.
Плотность кристаллической фазы составляет
= 1,22 г/см3 и
крист
79
аморфной фазы р
Диаметр пор, мкм
Концентрация пор, число пор/см
2
5,0
5,0 ∙10
5
1,0
1,3 ∙10
7
0,2
3,2 ∙10
8
0,05
4,0 ∙10
9
аморф
= 1,07 г/см3. Рассчитайте степень
кристалличности, выраженную в виде объемной и массовой долей.
11. Приведены паспортные данные для ядерного фильтра (трековой
мембраны):
Рассчитайте пористость и проницаемость по воде при давлении 1 бар.
12.Вычислите коэффициент диффузии азота, молекула которого имеет
радиус 1,9 А, в силиконовом каучуке и полиимиде при 25°С. Проницаемость указанных полимеров по отношению к азоту 280 и 0,1 баррер соответственно, а растворимость азота в них при давлении 2 бар
составляет 0,15 и 0,1 см
3
(н. у.)/см3 соответственно.
14.Фактор извилистости микрофильтрационной мембраны толщиной
100 мкм часто бывает трудно определить. Один из способов сделать
это состоит в заполнении пор водой и измерении потока углекислого
газа в системе, где по одну сторону мембраны находится чистый
углекислый газ, а по другую сторону он отсутствует. Поток,
измеренный при 25°С, составляет 1,56 ∙ 10-4 моль/м2 ∙ с, а коэффициент
диффузии СО
в воде равен 1,92 ∙ 10
2
-9см2
/с. Рассчитайте фактор
извилистости, если поверхностная пористость равна 30%.
15.В композиционной мембране с тонким верхним рабочим слоем
(толщина 0,2 мкм) подложка имеет равномерное распределение пор и
пренебрежимо малое сопротивление. Рассчитайте толщину рабочего
слоя для случаев, когда поверхностная пористость составляет 10, 1 и
0,1%.
16. Вычислите парциальное давление и химический потенциал кисло-
рода в воздухе при 298 К и давлениях 1 и 10 бар. (Примите, что
содержание кислорода в воздухе 21%, а 5°(Ог) = 205 Дж/моль ∙ К.)
17. Вычислите химический потенциал воды при 25°С и 1 бар; 100 бар;
при 90°С и 1 бар. (Н
0
O) = —285,8 кДж/моль, S
f (Н2
0
O) = = 69,9
f (Н2
80
Дж/моль∙К, с
Время, ч
0
0,5
0,93
1,58
1,92
5,66
с, г/л
5,75
4,83
4,53
4,08
3,92
2,20
= 75,3 Дж/моль∙К.)
р
18. Купрофановая диализная мембрана разделяет ячейку на две части,
каждая объемом 100 мл. Левое отделение содержит раствор
полиакрилата натрия с концентрацией 5 ∙ 10-3 моль/(кг воды). Правая
часть содержит раствор поваренной соли с концентрацией 10-3
моль/(кг воды). Мембрана проницаема для ионов Na+ и С1“, но не для
отрицательно заряженых ионов полиэлектролита. Рассчитайте
концентрацию ионов натрия и хлора в обеих частях ячейки в
состоянии равновесия.
19. Осмотическая машина позволяет производить энергию при использовании осмотического потока, вызванного различием осмотических
давлений.
а) Достигается ли максимальная мощность при АР = О?
б) Рассчитайте мощность, которую можно достичь, используя 3% и
15% растворы поваренной соли, при условии, что проницаемость
мембраны 0,36 кг/м
2
∙ч ∙ бар (предполагается, что в данном случае
применим закон Вант-Гоффа).
в) Какие, по вашему мнению, практические ограничения процесса?
20. Следующие результаты получены в опыте по экстракции
фенилаланина из воды с помощью импрегнированной жидкой
мембраны:
Поверхность мембраны 25,5 см2, объем над мембраной 110
мл, молекулярная масса фенилаланина 165,2. Рассчитайте
коэффициент проницаемости и поток в момент времени t = 0.
21. Обратноосмотическая мембрана имеет задержание 95% для
очищаемого раствора с содержанием поваренной соли в растворе,
равным 0,5% при 25°С и давлении 15 бар. Коэффициент
проницаемости по воде Lp = 5∙10
-5
г/см2 с бар. Рассчитайте
коэффициент задержания при 30 бар.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]