Мембранные разделительные процессы
Процессы мембранной сепарации сделали огромный вклад в промышленную сепарацию. Тем не менее, они не воспринимались всерьез до середины 70-х годов ХХ века. Мембранные процессы классифицируют, основываясь на механизме сепарации и размерах отделяемых частиц. Широко используемые мембранные процессы включают микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос, электролиз, диализ, электродиализ, газоразделение, паропроницаемость, первапровацию, мембранную дистилляцию и мембранные контакторы. Все процессы за исключением первапровации не вызывают изменение агрегатного состояния. Все процессы, исключая (электро)диализ, инициируются давлением. Микрофильтрация и ультрафильтрация широко применяются в пищевой промышленности (микрофильтрация пива, ультрафильтрация яблочного сока), биотехнологических разработках, фармацевтической индустрии (изготовление антибиотиков, ректификация белков), очистке воды и сточных вод, микроэлектронной индустрии и прочих. Нанофильтрация и обратный осмос главным образом используют для водоочистительных нужд. Плотные мембраны используют для сепарации газов (удаление CO2 из природного газа, удаление азота из воздуха, удаление органических паров из воздуха или азота) и иногда в мембранной дистилляции. Позже процесс помог в сепарации азеотропных составов, снизив стоимость процессов дистилляции.
Производительность мембран и расчетные формулы
Выбор синтетической мембраны для определенного процесса разделения обычно основан на нескольких требованиях. Мембраны должны обладать достаточной пропускной способностью, чтобы обрабатывать большие объемы питающего потока. Выбранная мембрана должна иметь высокие избирательные свойства для отделяемых частиц. Она должна препятствовать засорению и иметь высокую механическую стойкость. Также она должна быть вновь воспроизводимой и иметь наименьшую себестоимость. Главная моделирующая формула для тупиковой фильтрации при постоянной разнице давлений описана законом Дарси:
Где Vp и Q - объем профильтрованного вещества и скорость передачи объема (пропорционально некоторым характеристикам потока), м - динамическая вязкость передаваемой жидкости, А - площадь мембраны, Rm и R - соответственно сопротивление мембраны и загрязнителей. Rm может быть вычислен как сопротивление передаче растворителя (воды). Это сопротивление мембраны потоку стандартное свойство является практически постоянной величиной независимо от силы воздействия Дp. R относится к типу загрязнителя мембраны. Закон Дарси позволяет рассчитать площадь мембраны для выбранной операции при прочих известных величинах. Коэффициент фильтрации вычисляется формулой:
Где Cf и Cp - концентрации вещества в поступающем растворе и профильтрованном соответственно. Пропускная способность вычисляется как величина, обратная сопротивлению, и выражается формулой:
Где J - профильтрованный поток, являющийся скоростью движения объема через участок мембраны. Коэффициент пропускной способности и проницаемость мембраны являются главными параметрами производительности синтетических мембран.
Типы мембранных процессов
Применение мембран
Применение для очистки воды
Технология основана на процессе диффузии, который непрерывно происходит в клетках живых организмов и называется осмосом (молекулы воды поступают внутрь клетки, окруженной полупроницаемой мембраной, через поры мембраны из раствора с меньшей концентрацией солей в раствор с большей концентрацией). Если со стороны раствора с большей концентрацией солей создать определенное давление, то происходит обратный процесс (обратный осмос): молекулы воды начинают проникать через поры мембраны из раствора с большей концентрацией солей в раствор с меньшей концентрацией. Этот процесс требует создания давления со стороны концентрата, обычно 2-17 атм. для питьевой и солоноватой воды, и 40-70 атм. для морской воды, которая имеет естественное осмотическое давление порядка 24 атм., которое требуется преодолеть.
Обратноосмотический процесс в системах очистки воды также основан на прохождении молекул воды через полупроницаемую синтетическую мембрану, при котором удаляется абсолютное большинство загрязнений (до 99,9 % в бытовых системах, что лучше простой дистилляции). Такая высокая степень очистки связана с очень маленьким диаметром пор мембраны, которые в 200 раз меньше размеров вирусов и в 4000 раз меньше размера бактерий. В то же время, мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате, на выходе системы обратного осмоса получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она, строго говоря, даже не требует кипячения. Некоторые люди сначала отмечают лёгкое послевкусие «жгучести» или «суховатости» после питья деминерализованной воды, но значительно меньше, чем после дистиллированной (по-видимому, эффект прямого осмоса на фоне очищенных вкусовых рецепторов языка). В процессе обратного осмоса вода не нагревается - фильтрация происходит при температуре 12-20 °С.