5.8. Электромембранные процессы

Эти процессы обусловлены градиентом электрического потенциала по толщине мембран. Среди электромембранных методов наибольшее практическое применение нашел электродиализ – разделение растворов под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его перегородки-мембраны. Эти мембраны, изготовленные из полимерных или неорганических материалов (поры размером (2–8)∙10^-3 мкм), проницаемых для любых ионов, служат для отделения электролитов от неэлектролитов. Другой тип мембран, селективных только для катионов или только для анионов, изготовляют из ионообменных смол. Ионообменные мембраны применяют для обессоливания растворов электролитов или фракционирования ионов.

Кроме разделения электролитов по знаку зарядов их ионов электродиализ можно использовать для разделения одноименно заряженных ионов на основе различных скоростей их переноса через мембраны.

Наиболее распространенной конструкцией электродиализаторов является плоскорамный аппарат. Однако в последние годы разработаны интересные конструкции аппаратов рулонного типа. Для снижения влияния концентрационной полимеризации в межмембранных камерах электродиализаторов монтируют сетки – турбулизаторы.

Для электродиализаторов, состоящих из п единичных ячеек, можно определить их основные характеристики по следующим уравнениям:

производительность

(5.10)

общий перепад электрических потенциалов

потребляемая мощность

(5.11)

где I – плотность тока, А/см²; F – площадь мембраны, см²; E_D – сумма потенциалов разложения и перенапряжения на электродах; R_M и R_P –электрическое сопротивление соответственно мембраны и раствора прохождению тока, Ом·см².

Наиболее широко электродиализ используют для обессоливания и концентрирования растворов электролитов, например для опреснения морской воды, обессоливания сахарных растворов, молочной сыворотки и др. В последние годы электродиализ широко применяют для извлечения минерального сырья из природных соленых вод.

5.9. Термомембранные процессы

Эти процессы обусловлены градиентом температур по толщине пористой мембраны на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. В настоящее время наиболее полно разработан процесс мембранной дистилляции.

Суть этого процесса заключается в следующем. Нагретый до сравнительно невысоких температур (порядка 30–70 °С) исходный раствор (горячий) подается с одной стороны гидрофобной микропористой мембраны. Вдоль другой стороны мембраны движется менее нагретый (холодный) растворитель (обычно вода). Поскольку мембрана гидрофобна, а размеры пор ее достаточно малы (порядка одного микрометра и менее), то жидкая фаза в поры мембраны не проникает. Испаряющийся с поверхности горячего раствора пар (поверхностью испарения в этом случае являются образующиеся на входе в поры мениски раствора) проникает в поры мембраны, диффундирует через слой воздуха в порах и конденсируется на поверхности менисков холодной жидкости. При этом в порах создается разрежение, что ускоряет процесс испарения и, следовательно, повышает его эффективность. Так как температура исходного раствора невысока, то для проведения процесса мембранной дистилляции можно применять низкопотенциальную тепловую энергию – тепло нагретой после холодильников воды, отходящих газов (например, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и др.), геотермальных вод и, наконец, солнечную энергию.

Мембранную дистилляцию целесообразно использовать для решения следующих основных задач:

• концентрирование и обессоливание водных растворов электролитов;

• опреснение морской воды;

• получение воды для подпитки паровых котлов и т. п;

• получение особо чистой воды и апирогенной воды для медицинских целей.

Процесс мембранной дистилляции проводят практически при атмосферном давлении, поэтому аппараты для этого процесса могут изготовляться из дешевых полимерных материалов. Мембраны в аппаратах для мембранной дистилляции длительное время работают без заметного их загрязнения.