5.1 . Процессы мембранного разделения смесей. Сущность процесса мембранного разделения смесей

Процессы мембранного разделения смесей осуществляются с помощью полупроницаемых мембран. Эти процессы применяют для очистки и концентрирования растворов, разделения близкокипящих компонентов, азеотропных и нетермостойких смесей, отделения высокомолекулярных веществ от низкомолякулярных растворителей, глубокой очистки сточных вод и т.п.

Существует много мембранных процессов, базирующихся на раз­личных принципах или механизмах разделения и применимых для разделения объектов разных размеров – от частиц до молекул. Несмотря на эти различия, все мембранные процессы имеют мембрану. Мембрана – это сердце каждого мембранного процесса, ее можно рассматривать как селективно проницаемый барьер между двумя фазами. Схематическое представление мембранного процесса дано на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Принципиальная схема мембранного разделения

Фазу 1 обычно называют сырьевой фазой (иногда просто сырьем), в то время как фазу 2 называют пермеатом. Разделение достигается благодаря тому, что один компонент из сырьевой фазы переносится через мембрану с большей скоростью, чем другой компонент или компоненты.

Процесс разделения может происходить настолько полно, что в пермеате практически не содержатся примеси тех компонентов смеси, которые задерживаются мембраной. Не прошедшая через мембрану смесь компонентов в виде концетрата выводится из аппарата.

Процессы мембранного разделения характеризуются двумя основными параметрами: проницаемостью и селективностью.

Проницаемость, или удельная производительность, равная массовому расходу пермеата через единицу поверхности мембраны, определяет скорость процесса мембранного разделения.

Селективность процессамембранного разделения может быть охарактеризована с помощью фактора разделения

,

где – мольные концентрации компонентовАиВв исходной смеси;– мольные концентрации компонентовАиВв пермеате.

Селективность может быть также выражена коэффициентом

.

Для разбавленных растворов, когда 1 и1, значенияисвязаны соотношением

.

Селективность характеризует эффективность процесса мембранного разделения.

К основным мембранным методам разделения относятся обратный осмос, ультрафильтрация, испарение через мембрану (первопарация), диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов.

Обратный осмососнован на процессе фильтрования растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью (или частично) задерживающие молекулы (или ионы) растворенных веществ.

В основе метода лежит явление осмоса – самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Рассмотрим подробнее этот процесс.

Пусть некоторый сосуд разделен на две части полностью проницаемой мембраной. По одну сторону мембраны налит раствор соли, а по другую – чистый растворитель. Это соответствует тому, что по одну сторону от мембраны реализована повышенная концентрация растворенного вещества, а по другую – повышенная концентрация растворителя. Вследствие того, что мембрана полностью проницаема, начнутся два диффузионных процесса. В сторону от раствора к растворителю потечет диффузионный поток растворенного вещества, а в противоположную сторону – диффузионный поток растворителя. В целом такой процесс называют встречной диффузией. Он будет продолжаться до полного выравнивания концентраций растворенного вещества с обеих сторон мембраны.

Если мембрану заменить на полупроницаемую с уменьшенными размерами пор, то процесс диффузии растворенного вещества прекратится. В результате будет протекать только один диффузионный процесс – перетекание растворителя в объем с растворенным веществом. Вследствие этого количество растворенного вещества в части сосуда, содержащей раствор, будет увеличиваться, уровень жидкости в ней будет возрастать и вместе с ней будет возрастать и гидростатическое давление. Это явление называется осмосом, а появившийся избыток давления в растворе –осмотическим.

Явление осмоса иллюстрируется классическим опытом. В этом опыте пористый сосуд, закрытый полупроницаемой мембраной, снабженный пьезометрической трубкой, помещен в другом сосуде. В сосуде с мембраной находится раствор, а снаружи – растворитель. В результате осмоса давление во внутреннем сосуде повышается. Величину гидростатического давления, равного осмотическому, можно определить по формуле

.

С точки зрения гидродинамики осмотическое давление вызывает течение растворителя через пористую мембрану в сторону сосуда с раствором. По мере его разбавления растворителем осмотическое давление уменьшается.

Если со стороны раствора приложить давление р , превышающее, то можно наблюдать перенос растворителя через мембрану в обратном направлении, т.е.обратный осмос.

Движущая сила процесса обратного осмоса для идеально полупроницаемой мембраны составляет

.

В реальных условиях мембраны не обладают идеальной полупроницаемостью наблюдается переход через полупроницаемую мембрану не только чистого растворителя, но и растворенного вещества. Переход растворенного вещества уменьшает движущую силу обратного осмоса.

Осмотическое давление растворов достаточно высоко, но рабочее давление в аппаратах обратного осмоса должно превышать осмотическое, т.к. от этого зависит производительность аппаратов. Величина осмотического давления зависит от концентрации раствора и его температуры, но не зависит от природы растворенного вещества и растворителя.

Голландским ученым Вант-Гоффом было показано, что для растворов неэлектролитов невысоких концентраций осмотическое давление может быть рассчитано по следующей зависимости:

.

Объемная мольная концентрация раствора

,

осмотическое давление

,

где – масса и молекулярный вес растворенного вещества;– объем раствора;– универсальная газовая постоянная.

Для поваренной соли предельная концентрация в воде при температуре 50С (338 К)с= 370 кг/м³, молекулярная масса М = 58,5 кг/кмоль, осмотическое давление

370(58,51)8314338 =17,410⁶Па.

При осмотическом давлении 2,5 МПа для морской воды, содержащей 3,5 % солей, рабочее давление в опреснительных установках составляет 78 МПа.

На основании оценок величин осмотического давления можно утверждать, что по мере повышения концентрации раствора при его разделении на полупроницаемой мембране производительность процесса будет уменьшаться. Однако разделение на мембранах является энергетически выгодным процессом. Так, при опреснении воды методом разделения на мембранах затраты энергии составляют 13 МДж м³, методом вымораживания – 28 МДж / м³, методом выпаривания – 30 МДжм³.

Важными преимуществами процессов обратного осмоса также являются простота конструкций аппаратов для их осуществления и возможность проведения процессов при температуре окружающей среды.

Ультрафильтрация. Это процесс разделения высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений в жидкой фазе с использованием селективных полупроницаемых мембран, пропускающих преимущественно молекулы низкомолекулярных соединений.

Движущей силой процесса, как и при обратном осмосе, является разность давлений по обе стороны мембраны, которая при ультрафильтрации сравнительно невелика и составляет 0,3–1,0 МПа.

Ультрафильтрацию, в отличие от обратного осмоса, используют для разделения жидких однофазных систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов во много раз превышает молекулярную массу растворителя. Так, для водных растворов принимается, что ультрафильтрация может быть применена для разделения смесей, если молекулярная масса одного из разделяемых компонентов превышает 500.

Аппараты и установки для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации аналогичны и в них используются полупроницаемые мембраны из одного и того же материала, но имеющие различные размеры пор.

Первопарация – это процесс разделения жидких смесей с помощью полупроницаемых мембран путем соприкосновения жидкой смеси с одной из сторон мембраны. С другой стороны мембраны проникающий компонент (или смесь таких компонентов) отводится в виде паров либо в вакуум, либо в поток инертного газа.

Диализ – это процесс самопроизвольного разделения молекул или ионов высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ при помощи полупроницаемых мембран, которые пропускают малые молекулы или ионы и задерживают макромолекулы и коллоидные частицы.

Электродиализ. Диализ в электрическом поле в десятки раз ускоряет процесс очистки растворов от электролитов. Электродиализ – это процесс разделения ионов веществ под действием постоянного электрического поля в растворе, когда положительные и отрицательные ионы удаляемого электролита перемещаются к соответствующим электродам, проникая сквозь ионообменные мембраны.

Диффузионное разделение газов. Разделение основано на различии коэффициентов диффузии газов в непористых полимерных мембранах под действием градиента концентрации в соответствии с законами молекулярной диффузии.