Токарь А.Ю.
Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ
Аннотация
В статье рассмотрена сущность мембранных процессов разделения через знакомство с основными публикациями в периодических научных изданиях, ознакомление с учебно-методической литературой по данной тематике.
Ключевые слова: мембранные процессы, разделение жидких и газовых смесей, мембраны.
Tokar A. J.
St. Petersburg State Technological Institute (technical university)
MEMBRANE SEPARATION PROCESS
Abstract
The article discusses the essence of membrane separation processes through familiarity with basic publications in scientific periodicals, familiarization with instructional literature on the subject.
Keywords: membrane processes, the separation of liquid and gas mixtures, the membrane.
Процессы разделения жидких и газообразных систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Так, для осуществления процессов разделения жидких смесей, например, применяют такие методы как перегонка, ректификация, экстракция, адсорбция и др. Однако наиболее универсальным методом разделения является разделение с использованием полупроницаемых мембран (мембранные методы) .
Значение мембранной технологии в последние годы резко возросло, прежде всего, как технологии, способной навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию.
Глобальный характер воздействия и влияния мембранной технологии на реализацию других российских и мировых научно-технологических приоритетов в последнее время получили свое дальнейшее подтверждение. Критическая технология федерального уровня «Мембраны» вошла в 17 приоритетных для российской науки направлений, в которых российские ученые опережают мировой уровень, причем без использования мембранных процессов невозможно обеспечить поддержание необходимого научно-технического уровня в 12 приоритетах. К этому необходимо добавить серьезные возможности мембранных процессов в решении важнейшей задачи современного этапа развития нашего общества – технологического обновления отечественной промышленности .
Жизненная необходимость широкомасштабного внедрения мембранных процессов определяется многими факторами и, прежде всего, их прямым влиянием на обеспечение национально-экономических проблем и перспективах их практического использования.
За последние десятилетия мембранные методы разделения интенсивно развиваются и реализуются в самых различных сферах деятельности человека. Особенно широко эти методы используются для опреснения соленых вод. Так, в 1980 г. более половины всей опресненной воды на земле получали мембранными методами, причем производительность некоторых мембранных установок достигла нескольких десятков тысяч м 3 опресненной воды в сутки .
В химической и нефтехимической промышленности мембранные методы применяют для разделения смесей высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, азеотропных смесей, для выделения гелия и водорода из природных газов, кислорода из воздуха и т.п. .
В пищевой промышленности – для получения высококачественного сахара, пастеризации пива, стабилизации виноградных вин, переработки и консервирования молока с целью получения основных молочных продуктов; консервирования фруктовых и овощных соков 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 .
Весьма перспективно применение полупроницаемых мембран для проведения экологического мониторинга, осуществления контроля и прогноза за состоянием окружающей среды, при освоении космоса и вод мирового океана.
Ведутся работы по созданию синтетических мембран, способствующих воспроизведению некоторых из фотохимических реакций. Происходящих в зеленых растениях. При этом главная задача состоит не столько в получении углеводов, протеинов, жиров, нуклеиновых кислот, производимых при участии природных мембран, сколько в получении водорода и других «энергетических» веществ. Эти мембраны быть способны с помощью энергии солнечного света расщеплять воду и производить водород, который можно накапливать и использовать в качестве топлива .
Дальнейшая широкая реализация мембранных процессов связана с необходимостью разработки аналитических и графоаналитических методов расчета аппаратуры для их осуществления, разработки нормалей, номограмм, стандартов, справочных и систем для решения конкретных технологических задач, а также создания методов оптимизации мембранной аппаратуры с применением электронно-вычислительной техники .
Конечно, краткий перечень основных направлений использования мембранных методов далеко не исчерпывает всех возможных областей их применения.
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.).
Однако еще не решены все проблемы исследования мембран и мембранных процессов. Актуальной задачей и сейчас остается разработка теории направленного получения мембран с заранее заданными свойствами и технологический расчет мембранных процессов и аппаратов.
Целью данной работы явилось всестороннее изучение сущности мембранных процессов разделения через знакомство с основными публикациями в периодических научных изданиях, ознакомление с учебно-методической литературой по данной тематике.
Мембранная технология – это одно из новых направлений развития химических технологических процессов, целью которых является разделение жидких и газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран.
Процессы мембранного разделения смесей осуществляются с помощью полупроницаемых мембран. Движущей силой мембранного процесса может быть: градиент химического (для незаряженных частиц потока) или электрохимического (для заряженных частиц потока) потенциала, а также градиент фактора, определяющего скорость данного процесса (давление, температура и т.д.). Процессы мембранного разделения характеризуются параметрами: проницаемостью и селективностью. Основные мембранные методы разделения : обратный осмос, ультрафильтрация, первопарация, диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов .
Механизм переноса атомов, молекул или ионов различных веществ через полупроницаемые мембраны может быть объяснен следующими теориями .
Теория просеивания предполагает, что в полупроницаемой мембране существуют поры, размеры которых достаточны для того, чтобы пропускать растворитель, но слишком малы для того, чтобы пропускать молекулы или ионы растворенных веществ.
Теория молекулярной диффузии основана на неодинаковой растворимости и на различии коэффициентов диффузии разделяемых компонентов в полимерных мембранах.
Теория капиллярно-фильтрационной проницаемости основана на различии физико-химических свойств граничного слоя жидкости на поверхности мембраны и раствора в объеме .
Основными факторами, существенно влияющими на скорость и селективность мембранных процессов разделения, являются: концентрационная поляризация, рабочее давление и температура, гидродинамические условия внутри мембранного аппарата, природа и концентрация разделяемой смеси .
Мембраны должны удовлетворять следующим основным требованиям, а именно, обладать: высокой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной производительностью (проницаемостью); химической стойкостью к действию среды разделяемой системы; механической прочностью, достаточной для их сохранности при монтаже, транспортировании и хранении. Кроме того, свойства мембраны в процессе эксплуатации не должны существенно изменяться. Для изготовления мембран применяют различные полимеры (ацетаты целлюлозы, полиамиды, полисульфон и др.), керамику, стекло, металлическую фольгу и др. В зависимости от механической прочности используемых материалов мембраны подразделяют на: жидкие, уплотняющиеся (полимерные), с жесткой структурой, пористые, непористые (диффузионные) .
При изучении и анализе любого мембранного процесса необходимо учитывать три основных фактора и их взаимосвязь: 1) структуру мембраны по толщине (пористая, непористая, изотропная); 2) физико-химические свойства разделяемой системы (для растворов очень важно учитывать их основные термодинамические свойства); 3) взаимодействие разделяемой смеси с материалом мембраны . Если хотя бы один из перечисленных факторов не будет учтен, можно допустить принципиальную ошибку при разработке модели механизма того или иного мембранного процесса .
В зависимости от вида основной движущей силы процесса различают следующие типы мембранных процессов : баромембранные процессы, диффузионно-мембранные процессы, электромембранные процессы, термомембранные процессы.
Баромембранные процессы обусловлены градиентом давления по толщине мембран, в основном полимерных, и используются для разделения растворов и коллоидных систем при 5-30 °С. К баромембранным относят следующие процессы: обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация .
Диффузионно-мембранные процессы обусловлены градиентом концентрации или давления по толщине пористых либо непористых мембран на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. Их используют для разделения газовых и жидких смесей.
Электромембранные 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.
Термомембранные процессы – градиентом температур по толщине пористой мембраны на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. В настоящее время наиболее полно разработан процесс мембранной дистилляции. 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 .
Для успешного решения конкретных технологических задач, связанных с применением мембранных процессов необходимо проведение расчета мембранных установок и аппаратуры. Полный расчет включает в себя проведение технологического, гидравлического и механического отчетов с применением современного электронного программного обеспечения.
Современные аппараты для мембранных процессов подразделяют на четыре основных типа, различающихся способом укладки мембран: аппараты с плоскими мембранными элементами; с трубчатыми мембранными элементами; с мембранными элементами рулонного типа; с мембранами в виде полых волокон. Но необходимо учитывать, что для каждого конкретного процесса разделения следует подбирать аппарат такой конструкции, которая обеспечивала бы наиболее выгодные условия проведения процесса.
Литература
- Калекин, В.С. Гидравлика и теплотехника: учеб. пособие [Текст] / В.С. Калекин, С.Н. Михайлец. Омск: ОмГТУ, 2007. 320 с.
- Абдуллин, И.Ш. Композиционные мембраны [Текст] / И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, В.В. Парошин, О.В. Зайцева // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 15. С. 67-75.
- Степанов, С.В. Исследования по биомембранной очистке и обессоливанию сточных вод Сызранского НПЗ [Текст] / С.В.Степанов, Ю.Е.Сташок, Н.В. Ноев // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2012. № 1. С. 55-58.
- Хванг, С.-Т. Мембранные процессы разделения: пер. с англ. [Текст] / С.-Т. Хванг, К. Каммермейер / Под ред. Проф. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1981. 464 с.
- Колзунова, Л.Г. Мембранные методы разделения веществ и новые мембраны для этих процессов [Текст] / Л.Г.Колзунова, В.П.Гребень, М.А.Карпенко, И.Г. Родзик // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2009. № 2. С. 13-17.
- Лазарев, С.И. Влияние давления на формирование динамических мембран при ультрафильтрации водных растворов дрожжевых и спиртовых производств [Текст] / С.И.Лазарев, В.Л. Головашин // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2011. Т. 16. № 1. С. 227-229.
- Остроухов, Д.В. Ультрафильтрация – революция в производстве мягких сыров [Текст] // Сыроделие и маслоделие. 2010. № 2. С. 42-43.
- Андрианов, А.П. Мембранные методы очистки поверхностных вод [Текст] / А.П.Андрианов, Д.В.Спицов, А.Г.Первов, Е.Б. Юрчевский // Водоснабжение и санитарная техника. 2009. № 7. С. 29-37.
- Спицов, Д.В. Использование мембранных установок для улучшения качества водопроводной воды в городских зданиях // Интернет-Вестник ВолгГАСУ. 2011. № 4 (19). С. 10.
Исследование процессов разделения с использованием молекулярных сит позволило выделить мембранный метод, как наиболее перспективный для тонкой очистки. Этот метод, характеризуется высокой четкостью разделения смесей веществ. Полупроницаемая мембрана - перегородка, обладающая свойством пропускать преимущественно определенные компоненты жидких или газообразных смесей. Широко мембранный метод используют для обработки воды и водных растворов, очистки сточных вод, очистки и концентрации растворов.
При ультрафильтрации происходят разделение, фракционирование и концентрирование растворов. Один из растворов обогащается растворенным веществом, а другой обедняется. Мембраны пропускают растворитель и определенные фракции молекулярных соединений. Движущая сила ультрафильтрации - разность давления по обе стороны мембраны. Эта сила затрачивается на преодоление сил трения и взаимодействия между молекулами жидкой фазы и полимерными молекулами мембраны. Обычно процесс ультрафильтрации проводят при сравнительно низких рабочих давлениях 0,3 - 1 МПа. Увеличение давления выше указанного приводит к уплотнению мембраны, уменьшению диаметра пор, изменению селективности разделения и, как правило, к снижению производительности.
Ультрафильтрации обычно подвергаются вещества, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.
Недостаток процесса - сильная концентрационная поляризация, т.е. на поверхности мембраны может образовываться плотный осадок - слой геля. Гидравлическое сопротивление этого слоя в ряде случаев может быть выше, чем сопротивление самой мембраны. Способы снижения концентрационной поляризации различны: увеличение скорости омывания поверхности мембраны потоком разделяемой жидкости, работа в пульсирующем режиме подачи раствора, турбулизация потока. Точка гелеобразования зависит от его химических и физических свойств.
Ультрафильтрация - новая технология. Результат разделения - два раствора, один из которых является обогащенным, а другой - обедненным растворенным веществом, содержащимся в исходном, подлежащем разделению веществе. Большое значение имеет использование этого процесса при разделении веществ, чувствительных к температурному режиму, так как при ультрафильтрации растворы не нагреваются и не подвергаются химическому воздействию. Отсюда очень низкие энергетические затраты, примерно в 20 - 60 раз ниже, чем при дистилляции.
Из всех видов мембранного разделения ультрафильтрация нашла наиболее разнообразное применение. Важное промышленное применение ультрафильтрации - разделение эмульсии масла и воды.
Ультрафильтрационные системы за счет поверхностей фильтрации и прочной структуры материала мембран обеспечивают разделение растворов без потерь и отделение чистого фильтрата от взвесей. Поэтому ультрафильтрацию часто используют для улавливания волокон и частиц из фильтрата после использования волокнистых и зернистых фильтров ионообменных и сорбционных систем. Область использования ультрафильтрации постоянно расширяется. Причина - возможность восстановления из сточных вод ценных компонентов, которые другим способом восстановить очень трудно или вообще невозможно.
Стойкость материала, из которого изготовлены мембраны, определяет их долговечность и работоспособность.
Мембраны на основе производных целлюлозы неустойчивы к действию кислот и щелочей. Ацетатные мембраны наиболее устойчивы в области pH=4,5-5; при pH=6 срок службы этих мембран сокращается почти вдвое, а при pH=10 составляет всего несколько дней. Ацетатные мембраны неустойчивы к действию органических растворителей и активных веществ, так как они образуют сольваты с ацетатами целлюлозы, вызывая их набухание.
Диализ - освобождение коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных веществ от растворённых в них низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а неспособные диализировать (проходить через мембрану) коллоидные частицы остаются за ней. Простейший диализатор представляет собой мешочек из коллодия (полупроницаемого материала), в котором находится диализируемая жидкость. Мешочек погружают в растворитель (например в воду). Постепенно концентрации диализирующего вещества в диализируемой жидкости и в растворителе становятся равными. Меняя растворитель, можно добиться практически полной очистки от нежелательных примесей. Скорость диализа обычно крайне низка (недели). Ускоряют процесс диализа увеличивая площадь мембраны и температуру, непрерывно меняя растворитель. Процесс диализа основан на процессах осмоса и диффузии, что объясняет способы его ускорения.
Диализ применяют для очистки коллоидных растворов от примесей электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Диализ применяют в промышленности для очистки различных веществ, например в производстве искусственных волокон, при изготовлении лекарственных веществ.
Материал, прошедший через мембрану, называется диализат.
Обратный осмос (гиперфильтрация) - разделение растворов низкомол. соединений благодаря различной подвижности компонентов в порах мембран. В случае самопроизвольного перехода растворителя через мембрану в раствор давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, растворитель будет переноситься в обратном направлении (отсюда назв. процесса). Поскольку мембраны обычно не обладают идеальной проницаемостью, наблюдается некоторое проникание через них растворенного вещества. Поэтому движущая сила обратного осмоса (а также ультра- и микрофильтрации) Dр = р - (p1 - p2) = р - Dp, где р - давление над исходным раствором, p1 и p2-осмотич. давления раствора и пермеата. Рабочее давление процесса 1-10 МПа. Размеры молекул или ионов растворенного вещества, а также растворителя и размеры мембранных пор имеют одинаковый порядок (1 - 5).10-3 мкм.
Селективность и проницаемость мембран для обратного осмоса определяются рабочими температурой и давлением и, кроме того, рН, концентрацией и природой исходной смеси. При высокой т-ре происходит постепенное уплотнение (усадка) мембран, что снижает их ресурс. С повышением давления проницаемость перегородок проходит через максимум, а селективность, как правило, возрастает. Под действием рабочего давления мембраны также уплотняются, что способствует уменьшению G (G - проницаемость), но практически не вызывает изменения j (селективность). Скорость уплотнения несколько снижается, если процесс осуществляют при небольших т-ре и давлении или при использовании композитных мембран. Наилучшие условия работы полимерных перегородок достигаются в случае разделения смесей в нейтральной среде при комнатной т-ре.
Процесс обратного осмоса широко используется для опреснения морской воды и очищения питьевой воды для различных целей с начала 1970-х годов.
Мембранная технология – принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку. Он отличается отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.
Мембранная технология по сравнению с традиционными приемами (фильтрация и др.) занимает важное место в разделении жидкостных систем. К основным мембранным методам относят:
- обратный осмос,
- ультрафильтрацию,
- микрофильтрацию,
- диализ,
- электродиализ,
- электроосмос.
В любом из этих методов раствор соприкасается с полупроницаемой мембраной , которая является областью, разграничивающей две фазы. Мембраны различают по агрегатному состоянию, однородности, пористости, гидрофильности.
Мембраны должны обладать селективностью к задерживаемому веществу, высокой проницаемостью, достаточной механической прочностью, химической устойчивостью по отношению к продуктам фильтрации.
При изготовлении полупроницаемых мембран используют различные материалы: ацетат целлюлозы, полиамид, полисульфон и др. Пористые синтетические пленки получают способом введения в полимер добавок и их вымывания. Это мембрана анизотропной структуры: тонкий (0,25 мкм и менее) поверхностный слой на микропористой подложке толщиной 100– 200 мкм. Разделение происходит в активном поверхностном слое, а подложка обеспечивает прочность мембраны.
Путем облучения полимерных пленок потоком заряженных частиц и последующим химическим травлением получают изотропные мембраны.
В последнее время чаще применяют мембраны жесткой структуры на основе керамических, металлокерамических и других жесткоструктурных материалов.
Для разделения растворов, содержащих крупные взвешенные частицы размером 0,1–1 мкм, используют мембраны с размерами пор 0,1–1 мкм и более. Этот процесс называется микрофильтрацией .
Микрофильтрация вин, пива проводится для увеличения их прозрачности и получения микробиологической стабильности.
Использование мембранной техники для осветления соков позволяет получать высококачественные прозрачные соки. В производстве цитрусовых и виноградных соков избыточная кислотность удаляется электродиализом с анионными мембранами.
Мембранное разделение растворов благодаря высокому качеству мембран используется как экспресс-метод определения молекулярных масс. Молекулярная масса, которая может быть определена при помощи ультрафильтрации, меняется от 500 до 100 000. При использовании микрофильтрационных мембран, тщательно откалиброванных, предел измерений может быть расширен.
Благодаря простоте, универсальности и скорости проведения, метод определения молекулярных масс с успехом применяется в химической, биохимической и других областях науки.
Одним из методов определения молекулярных масс растворов высокомолекулярных соединений является мембранная осмометрия. Этим методом можно определять молекулярные массы в интервале 5-103 до 106. В мембранной осмометрии наиболее часто применяются гельцеллофановые мембраны, выдержанные в воде, полученные осаждением ксантогената целлюлозы, а также мембраны из гидрат-целлюлозы, ацетата и нитрата целлюлозы, полиуретанов, полихлортрифторэтилена, стекол типа Викор.
Эффективным является применение микрофильтров в качестве стационарной фазы для электрофоретического разделения высокомолекулярных соединений.
Методы мембранного разделения нашли широкое применение в процессе разделения изомеров. Разделение осуществляется благодаря результирующему влиянию факторов – отношения коэффициентов диффузии и отношения коэффициентов растворимости.
Совместное влияние этих величин может быть существенным даже в случае близких веществ. Например, молекулы орто-, мета- и параизомеров ксилола имеют различную площадь поперечного сечения и различные диффузии через полиэтиленовую пленку. Изменяя коэффициент диффузии путем обработки растворителем, нагреванием и тому подобное, можно добиться еще большей разницы и более эффективного разделения веществ.
Аналогичным образом можно разделить растворы сахарозы и глюкозы, а также других Сахаров. В этом случае разделение происходит в основном за счет разницы в значениях коэффициентов диффузии. Примером могут служить отделение глюкозы от сахарозы селективным диализом. В связи с тем что эти вещества имеют свою собственную скорость диализа, смесь двух компонентов хорошо разделяется.
Применяются мембранные методы для получения особо чистых химических реактивов, соединений, селективного выделения ценных либо вредных продуктов реакции. Используемые мембраны называют реакционными. Они могут сочетать функции разделителей на нескольких стадиях производства и собственно химического реактора.
Приготовление реакционной мембраны требует нагрузки селективной мембраны соответствующими химическими реагентами, катализаторами, ферментами.
Техника жидких мембран позволяет легко вводить в мембрану химические вещества с требуемыми свойствами.
Использование мембран с фиксированными ферментами приводит к легкому отделению ферментов. Эти мембраны могут применяться повторно, позволяя эффективнее организовать непрерывный ферментный процесс.
Для современного контроля производства большое значение имеет практика использования ионселективных электродов (ИСЭ).
Применение ИСЭ основывается на измерении мембранных потенциалов. Эти потенциалы определяются косвенным методом из величины электродвижущей силы электрохимической ячейки, состоящей из мембраны, разделяющей растворы, в которые помещены два электрода сравнения. При соответствующем составе и строении мембраны ее потенциал зависит от активности данного иона по обе стороны мембраны.
Селективность электрода заключается в способности различать ионные частицы различного рода, находящиеся в растворе.
Ионселективные электроды применяют в различных областях: для экспресс-анализа и в контрольно-измерительной аппаратуре при производстве органических соединений и лекарственных препаратов; при тонком биохимическом анализе ферментов, ингибиторов и активаторов ферментативного катализа в биохимических средах; при потенциометрическом титровании, изучении механизма реакции и др.
Успех мембранного разделения зависит в некоторой степени от объективного выбора конструкции аппарата. Можно выделить следующие четыре типа аппаратов:
1. с плоскими мембранными элементами;
2. трубчатыми мембранными элементами;
3. мембранами рулонного типа;
4. мембранами в виде полых волокон.
Наиболее высокая плотность упаковки мембран достигается в аппаратах с полыми волокнами . Они компактны, высокопроизводительны, низкоэнергоемки.
Преимуществом трубчатых аппаратов является относительно невысокое гидродинамическое сопротивление аппарата, что позволяет увеличивать скорость потока разделяемой жидкости до 4–5 м/с. При этом возрастает производительность установки. Их можно использовать для разделения жидкости, содержащей взвешенные частицы, и легко очищать ее от осадков.
Достоинствами разделительных аппаратов рулонного типа являются высокая удельная поверхность мембран, низкая металлоемкость, простота в конструкции. Недостатками аппаратов такого типа являются необходимость в подготовке разделяемых систем, замена всего пакета при повреждении мембраны.
Конструктивно просты плоскомерные мембраны, но они трудоемки в сборке и разборке, высокометаллоемки, имеют невысокую плотность укладки мембран в единице объема.
Основными регулируемыми параметрами процесса мембранного фильтрования являются качество получаемых фракций и производительность установки по основному продукту. Эти показатели зависят от удельной нагрузки устройства по исходной смеси, ее температуры, величины движущей силы, сопротивлений осадка и фильтровальной перегородки.
В настоящее время выпускаются аппараты для разделения жидких и газовых смесей с помощью мембран непрерывного и периодического действия. Установки для мембранного разделения жидких систем выпускают фирмы США, Германии, Франции, Дании, Японии, Италии, России и др.
Процессы, основанные на мембранной технологии, кроме самостоятельного применения, хорошо сочетаются с традиционными производственными приемами, используемыми в АПК. Это открывает широкие возможности для создания новых, простых и комплексных, высокоэффективных технологических процессов в отраслях АПК, где необходимо разделение газовых и жидких смесей.
Широко используется мембранная техника в пищевой промышленности (например, для достижения микробиологической стабильности в производстве сиропов и безалкогольных напитков, а также в решении задач водоподготовки). Это приводит к повышению органолептических и физико-химических качеств продукции.
В различных отраслях промышленности все большее значение приобретают мембранные процессы разделения и очистки: обратный осмос, микро- и ультрафильтрация, электродиализ. Эти процессы позволяют создавать замкнутые производственные циклы потребления воды.
Разделение и очистка веществ способствуют решению задач, связанных с необходимостью улучшения качества продуктов химической промышленности (снижение содержания примесей), с использованием сырья с низким содержанием ценных соединений, с необходимостью охраны окружающей среды (уменьшение сброса промышленных стоков, очистка сточных вод).
Возвращение ценных компонентов промышленных сточных вод в производственный цикл позволяет не только оградить среду обитания от загрязнения, но и поднять эффективность различных стадий промышленного производства, снизить объем потребляемого сырья. Утилизация ценных компонентов сточных вод предприятий пищевой и микробиологической промышленности представляет собой дополнительный источник получения сырья для производства продуктов питания и кормов.
В настоящее время качество природных вод ухудшается из-за роста в них солесодержания. Чтобы избежать деградации природных вод, необходимы замкнутые водооборотные системы на предприятиях. Сложившееся экологическое положение таково, что без мембранных процессов невозможно сохранение жизненно важных качеств воды. Однако для некоторых технологических стадий производства мембранные процессы еще не дают высокого эффекта, поэтому требуется их сочетание с традиционными методами очистки и разделения с учетом технико-экономических показателей водопотребления.
Экономическая эффективность и конкурентоспособность мембранных процессов могут быть значительно повышены, при комплексном подходе к переработке технологических и минерализованных вод, предусматривающем возвращение в производственный цикл не только основного компонента - воды, но и других ценных веществ. Для этого должно проводиться не только отделение примесей, но и их разделение, т. е. необходимо повышать селективность мембран и мембранных процессов. Во многих процессах химической технологии при использовании кислоты и щелочи происходит нейтрализация, т. е. деградация громадных количеств этих соединений, в конечном счете приводящая к загрязнению природных источников воды.
Мембранные процессы очистки и разделения могут быть основными при синтезе химических соединений, выводе веществ из реакционной смеси, регулировании условий проведения процесса: pH, концентрации реагента и т. п. Поверхность мембран может иметь каталитическую активность или окислительно-восстановительные свойства.
Исследования мембранных процессов развиваются в нескольких направлениях: разработка новых мембранных материалов, моделей явлений переноса, методов расчета мембранных модулей, проведение оптимизационных расчетов для различных объектов и производственных стадий. Наибольший эффект предполагается получить от исследований в области гидродинамики и химии поверхности.
Мембранные процессы успешно применяются для разделения смесей органических и неорганических веществ. Эти процессы различаются прежде всего движущими силами. Разность гидростатических давлений - ультрафильтрация и обратный осмос (баромембранные процессы); разность электрических потенциалов - электродиализ, разность концентраций - диализ. Существуют и «перекрестные» мембранные процессы, использующие две движущие силы или более: пьезодиализ, электроосмос и др. Такое деление мембранных процессов находит отражение и в материале используемых мембран: полупроницаемые - для обратного осмоса, ультрафильтрацион- ные - для ультрафильтрации, ионообменные - для электродиализа и т. д.
В основе этой традиционно сложившейся классификации мембранных процессов лежит их деление на группы по признаку физико-химических свойств, используемых для разделения смесей на компоненты. Однако эта натуральная, или естественная, классификация до некоторой степени сдерживает развитие мембранных процессов в целом из-за проведения резких граней между отдельными процессами.
Определение мембраны.
В настоящее время большинство исследователей, работающих в области мембранной технологии, под мембраной понимают область, разграничивающую две фазы. В этой связи мембраны могут быть газообразными, жидкими, твердыми или представлять собой комбинацию этих трех состояний. Понятие «область» в данном определении используется вместо обычного понятия «граница поверхностей». В то же время межфазные границы двух несмешивающихся жидкостей, газа и жидкости, газа и твердого тела не должны считаться мембранами. Каждый исследователь, как правило, имеет свое представление о мембране. В данном контексте трудно дать точное и полное определение мембраны, охватывающее все ее аспекты. Однако дать такое определение станет проще, если ограничиться только синтетическими структурами. В наиболее общем смысле синтетическая мембрана служит границей, которая разделяет две фазы и ограничивает перенос различных веществ из одной фазы в другую определенным способом.
Мембраны могут состоят из разнообразных материалов и иметь разные структуры. Мембраны могут быть гомогенными или гетерогенными, симметричными или асимметричными по своей структуре, могут быть «нейтральными» , проводить только отрицательные или только положительные заряды, или же и те и другие вместе. Мас- сообмен через мембрану может быть вызван диффузией или конвективным потоком, которые обусловлены градиентами гидростатического давления, температуры, химического или электрохимического потенциала. Многие материалы фактически являются мембранными, это защитные покрытия и упаковочные средства. Все материалы, действующие как мембраны, имеют одно общее свойство: они ограничивают прохождение различных химических веществ через мембрану строго определенным способом.
