5. Мембранные процессы

Процессы разделения жидких и газовых смесей играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Для осуществления процессов разделения жидких смесей применяют рассмотренные выше методы – перегонку, ректификацию, экстракцию, адсорбцию и др. Однако наиболее универсальным методом разделения является разделение с использованием полупроницаемых мембран (мембранные методы).

В химической и нефтехимической промышленности мембранные методы применяют для разделения азеотропных смесей, очистки и концентрирования растворов, очистки или выделения высокомолекулярных соединений из растворов, содержащих низкомолекулярные компоненты, и т.п.; в биотехнологии и медицинской промышленности – для выделения и очистки биологически активных веществ, вакцин, ферментов и т.п.; в пищевой промышленности – для концентрирования фруктовых и овощных соков, молока, получения высококачественного сахара и т. п. Наиболее широкое применение мембранные процессы находят при обработке воды и водных растворов, очистке сточных вод.

Также интенсивно развиваются процессы разделения газовых смесей. Примерами таких процессов являются выделение кислорода из воздуха, получение обогащенного кислородом воздуха, выделение гелия и SO₂ из природного газа и т.п.

Расчеты и накопленный большой фактический материал показывают, что применение полупроницаемых мембран может дать значительный экономический эффект в сложившихся традиционных производствах, открывает широкие возможности для создания принципиально новых, простых, малоэнергоемких и экологически чистых технологических схем (особенно при сочетании с такими широко распространенными методами разделения, как ректификация, адсорбция, экстракция и др.).

К основным мембранным методам разделения, достаточно широко применяемым в различных отраслях промышленности, относятся: обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, диализ, электродиализ, испарение через мембрану, разделение газов. Разрабатываются новые мембранные методы: мембранная дистилляция, электроосмофильтрация и др. В любом из этих процессов разделяемая смесь соприкасается с полупроницаемой мембраной.

Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран прошедшее через них вещество обогащается или обедняется одним или несколькими компонентами. В ряде случаев процесс проходит настолько полно, что продукт практически не содержит примесей, задерживаемых мембраной. И наоборот, применяя тот или иной мембранный метод разделения, можно получать в смеси перед мембраной компонент или компоненты практически без примесей вещества, проходящего через мембрану.

Мембранные процессы классифицируются по виду основной движущей силы процесса. Движущей силой мембранного процесса является градиент химического (для незаряженных частиц потока) или электрохимического (для заряженных частиц потока) потенциала. Однако для технических расчетов таких процессов, так же как и для других массообменных процессов, в качестве движущей силы мембранного процесса принимают градиент фактора, определяющего скорость данного процесса, например градиент давления, температуры и т.д. Таким образом, основной движущей силой мембранного процесса может быть градиент давления – баромембранные процессы (обратный осмос, нано-, ультра- и микрофильтрация), градиент концентраций – диффузионно-мембранные процессы (диализ, испарение через мембрану, мембранное разделение газов и др.), градиент электрического потенциала – электромембранные процессы (электродиализ, электроосмос и др.), градиент температур – термомембранные процессы (мембранная дистилляция и др.). В некоторых мембранных процессах возможно сочетание двух или даже трех названных выше движущих сил.

Оговоримся, что прошедший через мембрану продукт принято называть пермеатом, а оставшуюся перед мембраной разделяемую смесь – ретантом (иногда концентратом) [4].

Селективность процесса разделения с помощью мембран обычно определяют следующим образом:

(5.1)

где с₁ и с₂ – концентрации вещества в исходной смеси и пермеате соответственно.

Удельная производительность (проницаемость) G выражается объемом (или массой) пермеата V, получаемого при данной движущей силе в единицу времени τ с единицы рабочей поверхности F мембраны:

. (5.2)

Обычно G выражают в л/(м²·час), л/(м²·сут) или кг/(м²·с).