Мембранные методы разделения биологических систем. Мембранное разделение смесей веществ. Контейнер для хранения

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.

Мембранные технологии (мембранология, мембраника) - это авангардное направление развития науки и современных технологий. Мембранные методы разделения газовых и жидких сред уже заняли прочное место среди промышленных технологических процессов, хотя полное становление и отдача мембранной науки и техники ожидаются позже.

Сущность процесса мембранного разделения состоит в следующем. Разделяемая в аппарате исходная (газовая или жидкая, бинарная или многокомпонентная) смесь веществ соприкасается с полупроницаемой мембранной с одной ее стороны, и вследствие особых свойств мембраны прошедший через нее фильтрат (пермеат - Permeate) обогащается одним из компонентов исходной смеси. Разделение может быть настолько полным, что в фильтрате практически не содержатся примеси тех компонентов исходной смеси, которые задерживаются мембраной и отводятся из аппарата с другой стороны мембраны в виде потока концентрата (ретентата - Retentate). Мембранное разделение характеризуется прежде всего следующими главными параметрами всех мембран: проницаемостью, селективностью и стабильностью во времени. Проницаемость - это удельная производительность мембраны, равная количеству фильтрата (кг/ч), через единицу поверхности мембраны (м2), или это скорость процесса мембранного разделения (кг/(м2-ч)). Селективность мембраны (фактор разделения) характеризует эффективность (полноту) процесса мембранного разделения по отношению к целевому (ключевому) компоненту. Среди существующих гипотез для описания массопереноса в мембранах используются диффузионная, капиллярная, сорбционная теории и др.

Мембраной называют пленку, плоское тело, протяженность которого по двум координатам значительно превышает протяженность по третьей координате. Мембрана исполняет роль некоторой перегородки, обеспечивающей под действием движущей силы протекание физического процесса селективного (избирательного) разделения смесей веществ. В настоящее время существует множество искусственно приготавливаемых мембран, которые могут быть представлены разнообразными структурами - от грубых типа сита до крайне тонких полимерных пленок и волокон. Они изготавливаются из различных как пористых, так и непористых органических (полимерные пленки, трубки, капилляры, полые волокна, плоские тонкие листы) и неорганических (цеолитные, углеродные, стеклянные, керамические, металлические) материалов. Это связано с тем, что универсальных мембран не существует.

Для изготовления полупроницаемых мембран применяют различные материалы: полимерные пленки (полиэтиленовые, полипропиленовые, поликар-бонатные, фторопластовые и др.); металлическую фольгу (из сплавов платины, палладия, серебра, молибдена и др.); пористые стекла (натрийборосили-катные) и др. Пористые полимерные мембраны получают обычно путем удаления растворителей или вымыванием предварительно введенных добавок из растворов полимеров при их формовании. Полученные таким способом мембраны имеют тонкий (0,25-0,50 мкм) поверхностный слой на микропористой подложке толщиной 100-200 мкм. Процесс мембранного разделения осуществляется в поверхностном активном слое, а подложка обеспечивает механическую прочность такой композитной мембраны.

Металлические пористые мембраны изготавливают выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава фольги. При этом получают высопо-ристые мембраны с порами одного диаметра в пределах 0,1-5,0 мкм. Другой способ получения пористых металлических мембран - спекание металлического мелкодисперсного порошка при высокой температуре. Пористые полимерные и металлические мембраны применяют для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации. Мембраны собираются в мембранные модули (системы); они могут быть полупроницаемыми для газов и жидкостей или непроницаемыми.

В настоящее время синтетические полимерные мембраны являются основой технологических процессов, использующих принципы мембранного разделения. Перенос вещества (массоперенос) через мембраны часто (но не всегда) происходит под действием движущей силы процесса - разности давлений по обе стороны мембраны - это так называемые баромембранные процессы разделения (Baromembrane Separation Processes): микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос. Если движущей силой является разность концентраций вещества (компонента) на границах до и после мембраны, то мембранный метод называется диализом. Мембранный метод, использующий в качестве движущей силы процесса разность электрических потенциалов по обе стороны мембраны, называется электродиализом. Диализ широко применяется в наши дни в медицине для введения в организм лекарственных веществ, помещаемых в капсулу из селективной мембраны. При этом диффузионный переход лекарства из капсулы в организм становится длительным и, главное, с постоянной концентрацией активного компонента. Широко распространен сегодня и гемодиализ - использование в медицине мембран в качестве искусственной почки, когда через мембрану токсины выводятся из организма. Диализ применяется также в промышленности для удаления кислот и оснований из сточных вод. Мембранные процессы диализа позволяют очищать сточные и производственные растворы (потоки, смеси) от ртути, свинца, цинка, меди, серебра, никеля, кадмия, хрома. Мировыми лидерами по производству мембран и мембранных элементов являются фирмы «Dow Chemical», «Filmtec», «Hydranautics», «Osmonics» (США).

Фильтрование (Filtration) - гидромеханический процесс отделения твердых частиц из газов и жидкостей. Обычное фильтрование позволяет отделить от газа или жидкости взвешенные частицы размером более 10 мкм (0,01 мм). Для осуществления этого процесса используют перепад давления до и после фильтра до 0,2 МПа, при этом давление процесса лимитируется прочностью фильтра - пористого материала (ткани, волокна, плетеные металлические сетки из тонкой проволоки и т.п.). Фильтрование применяется в технологиях практически всех отраслей промышленности.

При микрофильтрации (Microfiltration) мембранные фильтры жидких растворов имеют меньшие размеры пор, чем при обычном фильтровании, и поэтому требуется большая разность давления (до 0,5 МПа). В этом случае удается отделить из раствора частицы размером от 0,1 до 10 мкм при размере пор 0,05-10 мкм. В качестве фильтровального материала эффективно применяют мембраны на основе синтетических поликарбонатных пленок, обладающих равенством радиусов пор (изопористость). Микрофильтрация успешно применяется для получения стерильной воды (в этом случае дисперсные частицы задерживаются мембраной), для осветления и стабилизации вин, для замены пастеризации и др.

Ультрафильтрация (Ultrafiltration) позволяет отделить частицы размером от 0,001 до 0,02 мкм (1-20 нм) с размером пор 1-100 нм при избыточном давлении 0,3-1,0 МПа. Она может отделять коллоидные растворы и растворы высокомолекулярных соединений (для которых мембраны непроницаемы) от электролитов и т.п. Ультрафильтрация применяется также для концентрирования молока до сливок, фруктовых соков, кофе и иного экстракта и др. Ультрафильтрационные модули способны отделить от растворов не только бактерии, но и вирусы. Воду, пропущенную через мембранные ультрафильтры, можно пить даже тогда, когда исходная вода была биологически заражена. Композитная ультрафильтрационная мембрана может иметь разделяющий слой толщиной 0,05-3,00 мкм и один-два слоя поддерживающих подложек толщиной по 100-110 мкм.

При нанофильтрации (Nanofiltration) мембраны могут задерживать частицы размером порядка 1 нм при достаточно высоких давлениях - 0,8- 3,0 МПа. Нанофильтрация применяется для очистки водных растворов от органических веществ и минеральных примесей.

Избирательная (селективная) диффузия, например, воды через мембраны называется осмосом. Присутствующие в воде частицы улавливаются мембраной, а вода, очищаясь, проникает через мембранную поверхность. Из-за осмоса проникновение воды через специально подобранную мембрану происходит даже тогда, когда давление по обе стороны мембраны одинаково. Движущая сила, под действием которой вода проходит через мембрану, называется осмотическим давлением, которое зависит от природы растворенного вещества и его концентрации. Явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов; благодаря ему в каждую живую клетку подводятся питательные вещества и, наоборот, из нее выводятся шлаки.

Процесс обратного осмоса (Reverse Osmosis) заключается в фильтрации жидких растворов через селективно проницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое, при этом через мембраны проходит преимущественно вода, а растворенные вещества остаются в растворе. Движущей силой такого процесса является разность приложенного и осмотического давлений. Мембранные методы обратного осмоса позволяют отделить из жидкого раствора частицы размером от 0,0001 до 0,001 мкм (0,1-1,0 нм) при избыточном давлении 3-10 МПа. Этот процесс требует создания со стороны раствора или загрязненной (соленой) воды избыточного давления: обычно 0,2-1,7 МПа для питьевой и солоноватой воды и 4-7 МПа для морской и океанской воды с собственным осмотическим давлением порядка 2,4 МПа, которое требуется преодолеть. При обратном осмосе происходит разделение на уровне молекул и ионов.

Первые промышленные системы обратного осмоса появились в начале 1970-х годов XX в., и в настоящее время обратный осмос стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию коллоидных и растворенных компонентов на 96-99 % и практически на 100 % избавиться от микроорганизмов и вирусов. В качестве обратноосмотических композитных тонкослойных мембран применяют синтетические полиамидные, полисульфоновые, полии-мидные мембраны. Из мембран для компактности делают рулонные мембранные модули, мембраны формируют также из полых волокон, что существенно увеличивает производительность мембранных установок.

Мембранное разделение газов успешно применяется, например, при разделении компонентов воздуха. Фракции, обогащенные кислородом до 60 %, нашли применение в кислородном дутье в сталелитейной промышленности, в медицине, для оксигенации (временное отключение сердца и легких человека при сложных хирургических операциях), а фракции, обогащенные азотом, - в синтезе аммиака. Мембранные методы разделения газовых смесей используются при синтезе аммиака, разделении изотопов водорода, выделении гелия из природного и нефтяных газов. Внедряется мембранный метод выделения диоксида серы (сернистого газа) S02 из выбросов тепловых электростанций, очистки газов от диоксида углерода С02 и сероводорода H2S. Мембраны для разделения газов изготавливают из полимерных органических и неорганических материалов. Изотопы урана впервые были разделены с помощью мембраны из железа, водород избирательно пропускает палладиевая мембрана, гелий - плавленый кварц. Для разделения газов применяют мембраны из силиконов, тетрафторэтилена, полиэфиримидов, ацетилцеллюлозы, керамики, стекла.

Метод первапорации (Pervaporatiori) основан на испарении жидкости через мембрану. Первапорация протекает как необратимый процесс при совместном действии нескольких движущих сил, вызывающих массоперенос: разности давлений, концентраций и температур по обе стороны мембраны. Многоступенчатая первапорация в виде многих мембранных ступеней в одном вертикальном аппарате иногда называется мембранной дистилляцией (Membrane Distillation). Первапорация нашла применение для концентрирования молока, кофейного экстракта; для разделения углеводородов в процессах нефтепереработки (смесей изомеров ксилола, бензол-циклогексановых смесей); для выделения фракций с разными октановыми числами; для дегидратации этанола и др. В будущем первапорация может частично заменить ректификацию, однако в настоящее время она ее дополняет в тех случаях, когда образующиеся азеотропные смеси (например, смеси этанол-вода), кипящие при одной температуре, не могут быть разделены ректификацией спиральных рулонов, между которыми размешают дренажные слои-прокладки, «наматываемые» на перфорированную центральную дренажную трубу. Все элементы слоев мембраны герметизируются для создания определенного направления движения исходного жидкого раствора через поверхность мембраны, для сбора и отвода фильтрата и концентрата. Прочный корпус аппарата позволяет создавать повышенные давления процесса.

Аппараты с половолоконным модулем (Hollow Fibers) для процессов обратного осмоса и ультрафильтрации более совершенны в части более высокой плотности укладки полупроницаемых мембран до (20 000-30 000 м2/м3). Это достигается применением мембранных полых трубок-волокон длиной 1,5-2,0 м, диаметром 45-200 мкм (0,045-0,200 мм) и толщиной стенки трубки 10-50 мкм (0,01-0,05 мм). Полые трубки-волокна способны выдерживать рабочее давление, равное десяткам мегапаскалей. Имеются разные конструкционные решения сборки и герметичного крепления (обычно эпоксидной смолой) концов трубок-волокон в круглой плоской перегородке, которая зажимается между фланцами корпуса и крышки аппарата. Такая конструкция позволяет соединить в U-образный пучок концы полых трубок-волокон и закрепить их в одной трубной решетке. Исходная смесь может как проходить внутри трубок, так и омывать их наружную поверхность. В других конструкциях концы полых трубок крепятся в разных трубных решетках, размещаемых в цилиндрическом корпусе аппарата.

Для мембранного разделения промышленных газов, таких, например, как «быстрые» газы, т. е. быстро проникающие мембраны: пары воды Н20, гелий Не, водород Н2 аммиак NH3, диоксид углерода С02, кислород 02, и «медленные» газы, или медленно проникающие мембраны: оксид углерода СО, азот N2, метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, применяют синтетические полимерные половолоконные мембраны, состоящие из пористых мембранных трубок-волокон, с нанесенным на их внешнюю поверхность газоразделительным слоем толщиной не более 0,1 мкм (0,0001 мм). Применение пористых подложек позволяет увеличивать давление процесса до 6,5 МПа. Мембранный модуль выполняется в виде сменного газоразделительного картриджа с плотность укладки мембраны 500-700 м2/м3, монтируемого в цилиндрическом корпусе, в который поступает газовая смесь и из него выводятся два потока разделенных компонентов. Такие процессы мембранного разделения позволяют получать из воздуха кислород чистотой до 50 % давлением 0,003- 0,1 МПа и азот чистотой до 99,9 % давлением 0,5-4,0 МПа, из водородсодержащих газов, например, на НПЗ получать водород чистотой 90-99 % давлением до 5 МПа. Для получения кислорода, азота и водорода более высокой чистоты применяют адсорбционные и криогенные технологии.

В качестве примера приведем краткую информацию о применяемых с 80-х годов XX в. некоторых мембранных процессах «Separex» фирмы «UOP», США. Процессы «Separex» могут использоваться для очистки водорода, гелия, а также природного и попутного газов от диоксида углерода С02, серо-водорода H2S, паров воды и тяжелых углеводородов согласно требованиям трубопроводного транспорта. Мембранные системы «Separex» просты, работают без применения жидких поглотителей и с минимальным использованием машинного оборудования. Поэтому они успешно применяются как для наземных установок, так и на морских платформах. Эти системы могут иметь одну или две ступени очистки. Исходную газовую смесь с содержанием С02 в пределах 3-75 % при избыточном давлении 3-11 МПа пропускают над полимерной мембраной, при этом исходная смесь газов разделяется на два потока. Диоксид углерода, сероводород и пары воды легко продавливаются через мембрану и собираются в пространстве низкого давления мембранного аппарата (этот поток называется пермеатом). Метан, этан, другие углеводороды и азот скапливаются в остаточном газе более высокого давления, который таким образом обогащается этими компонентами. В двухступенчатой системе пермеат низкого давления компримируется для последующего мембранного разделения во второй ступени с целью извлечения из него углеводородов. Коэффициент извлечения углеводородов может достигать 95 % для одноступенчатой системы и 99 % для двухступенчатой (в зависимости от состава исходного газа и требований к очистке). Производительность установок - от 28 тыс. до 28 млн м3/сут. При облагораживании природного газа перед его трубопроводным транспортом затраты на его мембранную очистку ниже или сравнимы с затратами на установке аминовой очистки газа.

Процесс «Polysep» фирмы «UOP» предназначен для извлечения и очистки водорода из газовых потоков процессов нефтепереработки, нефтехимии и химии. Другой областью его применения является приведение в соответствие состава синтез-газа и выделение оксида углерода СО. Исходным газовым сырьем могут быть потоки газов НПЗ, включая отходящий газ каталитического риформинга, каталитического крекинга, продувочный газ гидроочистки и гидрокрекинга, а также потоки газов из нефтехимических и химических процессов: отходящий газ этиленовых и метанольных установок, продувочный газ аммиачных производств, синтез газ из процессов паровой конверсии, неполного окисления или других процессов газификации. Достигается очистка водорода с коэффициентом его извлечения от 70 до 95 % при степени чистоты 70-99 % (по количеству) в зависимости от состава сырья, давления и требований к продукту. Мембранные системы «Polysep» проектируются также для получения оксида углерода СО высокой чистоты для синтеза полиуретанов и поликарбонатов, для корректирования соотношения СО/Н2 в синтез-газе производства метанола и оксиспиртов. Новая область применения процесса «Polysep» - извлечение водорода из газа в циклах совместного производства газа и электроэнергии (1GCC).

Система «Polysep» основана на современных композитных полимерных мембранах в виде полых волокон. Эти волокна собирают в особые пучки, работающие в режиме противотока, что позволяет иметь максимальную движущую силу процесса разделения и свести к минимуму необходимую рабосменных деталей и узлов, материалов, химических реагентов и др.; огромные энергетические затраты; экологическая опасность в процессе эксплуатации установок; необходимость в строительстве дополнительных установок для предварительной дорогостоящей водоподготовки; огромные эксплуатационные затраты. Серьезной проблемой для крупных опреснительных комплексов является также необходимость создания мощных тепловых котельных ТЭЦ и даже применение атомных реакторов, поскольку стоимость тепла составляет около 40-50 % от стоимости всех расходов опреснительного комплекса. Большие средства расходуются на решение экологических задач и на техническое обслуживание таких комплексов.

Опыт эксплуатации мембранных опреснительных установок во всем мире свидетельствует, что тенденции по снижению их эксплуатационных расходов не наблюдается, так как остаются труднейшие проблемы по преодолению последствий загрязнения и накипеобразования как фильтровального, так и мембранного оборудования. Поэтому уровень предварительной очистки сырьевой морской воды становится одним из доминирующих аспектов мембранных методов опреснения воды, а стоимость предварительной подготовки воды иногда существенно выше стоимости самих мембранных установок. Например, перед подачей в мембранные модули морскую воду необходимо тщательно очистить от взвесей, коллоидных загрязнений, солей жесткости, металлов, активного хлора, бора, ее требуется умягчить ингибиторами; необходимо провести обеззараживание, отмывку и санитарную обработку мембран, срок службы которых уменьшается до 0,5-1,0 года. Полная регенерация мембран обычно невозможна", часто применяется механическая и химическая (кислотная, щелочная и др.) промывка мембран при снижении производительности установки на 10-15 % или при увеличении перепада давления на мембранном контуре на 0,20-0,25 МПа. В настоящее время капитальные и эксплуатационные расходы мембранных установок остаются высокими, особенно при большой производительности технологических установок.

19.1. Общие сведения. Классификация методов мембранного разделения

Мембранное разделение – процесс разделения газовых или жидких смесей с помощью мембран. Мембраны – полупроницаемые перегородки, избирательно пропускающие компоненты газовых или жидких смесей.

Рассмотрим процесс мембранного разделения на примере бинарного раствора компонентаВ в растворителе А . Пусть растворитель проходит сквозь мембрану лучше, чем растворенное вещество. Тогда после контакта с мембраной исходная смесь разделится на два продукта: концентрат (ретант ), обогащенный растворенным веществом В и фильтрат (пермеат ), с меньшей концентрацией компонента В по сравнению с исходной смесью (рис. 19.1.).

Рис. 19.1. Схема процесса мембранного разделения:
массовые расходы и
массовые доли компонентаВ в исходной смеси, концентрате и фильтрате;

Для представленной схемы процесса мембранного разделения можно записать уравнения материального баланса по смеси в целом и компоненту В соответственно:

(19.1.)
(19.2)

Процесс мембранного разделения может характеризоваться селективностью  и проницаемостью j . Селективность определяется долей растворенного компонента В , не прошедшего сквозь мембрану

. (19.3.)

Если мембрана совершенно не пропускает компонент В , то

достигается полное разделение (компонентВ отсутствует в фильтрате). Если же мембрана одинаковым образом пропускает оба компонента А и В , то ее селективность
,
разделение полностью отсутствует.

Проницаемость (удельная производительность, поток массы) – масса фильтрата, проходящая через единицу поверхности мембраны за единицу времени

, (кг/м 2 с). (19.4.)

Классифицировать методы мембранного разделения можно по различным признакам. Так, в зависимости от природы движущей силы их можно подразделить на:

Баромембранное разделение осуществляется за счет разности давлений по обе стороны мембраны. В зависимости от размера задерживаемых мембраной частиц баромембранные процессы подразделяют на:

а) обратный осмос (10 -4 – 10 -3 мкм);

б) ультрафильтрацию (10 -3 – 210 -2 мкм);

в) микрофильтрацию (210 -2 – 10мкм).

Обратный осмос . В основе этого процесса разделения лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через мембрану в раствор. Перепад давлений, который устанавливается при этом между раствором и растворителем по достижении равновесия, называется осмотическим давлением (рис. 19.2.)

Р
ис. 19.2. Схематическое изображение переноса растворителя и состояние равновесия в сосуде, разделенном мембраной3: 1 – расположение растворителя, 2 – расположение раствора;р 1 и р 2 –давления жидкости в соответствующих частях сосуда на одинаковом расстоянии от днища,
– осмотическое давление.

Для проведения процесса обратного осмоса необходимо создать перепад давлений между раствором и растворителем, превышающий осмотическое давление. Это приведет к переносу растворителя из раствора и увеличению концентрации раствора (рис. 19.2.) Обратный осмос применяется, в основном, для разделения растворов электролитов. При этом осмотическое давление может составлять десятки и сотни атмосфер, а рабочее давление в аппарате и того больше. Так, для морской воды = 25 атм, а рабочее давление при ее опреснении составляет примерно 60 атм.

Ультрафильтрация применяется для отделения высокомолекулярных соединений от низкомолекулярных, при этом проходят сквозь мембрану лишь последние. Осмотическое давление в таких растворах невелико и рабочие давления не превышают, как правило, десяти атмосфер.

Микрофильтрация служит для концентрирования растворов крупных коллоидных частиц. Этот процесс является промежуточным между ультрафильтрацией и обычным фильтрованием. Следует иметь в виду, что в отличие от фильтрования при мембранном разделении образуется концентрат в виде раствора, а не осадок.

Достоинствами баромембранных процессов разделения являются малые энергозатраты ввиду отсутствия фазовых превращений (мембранное опреснение воды требует в 10-15 раз меньше энергозатрат, чем дистилляция); низкие температуры, позволяющие разделять термически нестойкие соединения. К их недостаткам относятся высокие рабочие давления (особенно для обратного осмоса), а также падение селективности и проницаемости при увеличении концентрации растворов, обусловленное концентрационной поляризацией – увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Для снижения концентрационной поляризации можно применить турбулизацию потока, перемешивание, вибрацию, что приводит к выравниванию концентраций.

Диффузионно-мембранное разделение осуществляется за счет различной скорости диффузии компонентов смеси через мембраны. Компоненты должны обладать различными коэффициентами диффузии, следовательно, отличающимися молекулярными массами и потенциалами взаимодействия (смотри 1.3.1. и П.3.2.). Диффузионно-мембранные процессы используют при испарении через мембрану (исходный раствор и концентрат жидкости, а фильтрат – пар); для разделения жидких растворов – диализ (исходный раствор и оба продукта жидкости), а также для разделения газовых смесей. Диффузионно-мембранные процессы могут применяться для разделения азеотропных и близкокипящих смесей.

Электромембранные процессы применяют для разделения ионосодержащих растворов (электродиализ ). Их движущей силой является совокупность градиентов химического и электрического потенциалов. Выражение для потока компонента i в отличие от (1.16.) будет иметь вид:

где ez i –заряд иона, – потенциал электрического поля.

ГОСТ Р ИСО 15859-7-2010

Группа Л21

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИЕ

Характеристики, отбор проб и методы анализа текучих сред

Часть 7

РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО НА ОСНОВЕ ГИДРАЗИНА

Space systems. Fluid characteristics, sampling and methods of analysis. Part 7. Hydrazine propellant

ОКС 71.080.30*
ОКП 24 7640
________________
* В ИУС 10-2011 приводится с ОКС 49.140. -
Примечание изготовителя базы данных.

Дата введения 2012-01-01

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании" , а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН ФГУП "ВНИЦСМВ" на основе собственного аутентичного перевода на русский язык стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 339 "Безопасность сырья, материалов и веществ"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21 декабря 2010 г. N 930-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 15859-7:2004* "Системы космические. Характеристики, отбор проб и методы анализа текучих сред. Часть 7. Ракетное топливо на основе гидразина" (ISO 15859-7:2004 "Space systems - Fluid characteristics, sampling and test methods - Part 7: Hydrazine propellant").
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей . - Примечание изготовителя базы данных.

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации и межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ


Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Введение

Введение

При операциях с ракетным топливом на основе гидразина на космодроме или месте запуска космических судов могут быть задействованы несколько операторов и интерфейсов поставщик-потребитель на пути от завода-изготовителя до доставки к ракете-носителю или космическому кораблю. Цель настоящего стандарта заключается в установлении единых требований к компонентам, методам отбора проб и методам анализа ракетного топлива на основе гидразина, используемого при обслуживании космических судов и оборудования наземного базирования. Установленные ограничения по составу ракетного топлива на основе гидразина предназначены для определения чистоты и пределов примесей ракетного топлива на основе гидразина для заправки в космические аппараты и корабли. Методы отбора проб и методы анализа ракетного топлива на основе гидразина адаптированы для применения любым оператором. Методы отбора проб и методы анализа ракетного топлива на основе гидразина приемлемы для осуществления контроля за предельными значениями ракетного топлива на основе гидразина.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на безводный гидразин, используемый в качестве ракетного топлива в космических системах, а также в оборудовании летательных аппаратов и средствах, системах и оборудовании наземного базирования, следующих сортов:

- стандартное топливо: обычное производство и контроль качества (пригодно для большинства назначений);

- однокомпонентное топливо: обычное топливо со строгим контролем содержания примесей (предназначено только для ракетных двигателей, работающих на однокомпонентных каталитических топливах в случаях, когда желательно продление срока годности катализатора);

- топливо высокой чистоты: специальное производство со строгим контролем количества примесей.

Настоящий стандарт распространяется на отбор проб, необходимый для того, чтобы удостовериться, что ракетное топливо на основе гидразина при поступлении в ракету-носитель или космический аппарат или корабль по составу соответствует пределам, установленным в настоящем стандарте или технической документации, согласованных для конкретного применения.

Настоящий стандарт устанавливает предельные значения содержания компонентов и физические свойства безводного гидразина (NH) и требования к методам отбора проб и методам анализа для контроля состава безводного гидразина.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий международный стандарт*:
_______________
* Для датированных ссылок используют только указанное издание стандарта. В случае недатированных ссылок - последнее издание стандарта, включая все изменения и поправки.
Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.


ИСО 9000 Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь (ISO 9000, Quality management systems - Fundamentals and vocabulary)

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ИСО 9000, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 твердые частицы (particulate) (сорт стандартное топливо): Нерастворимые частицы, остающиеся на фильтровальной бумаге, номинальным размером 10 и 40 мкм.

3.2 твердые частицы (particulate) (сорта однокомпонентное топливо и топливо высокой чистоты): Нерастворимые частицы, остающиеся на фильтровальной бумаге, номинальным размером 2 и 10 мкм.

3.3 контрольное испытание (verification test): Анализ, выполняемый на текучей среде в контейнере или на пробе из контейнера, которая является представительной от поставки, позволяющий проверить предельные значения химического состава ракетного топлива на основе гидразина.

4 Химический состав и физические свойства

4.1 Химический состав

Если другого не предусмотрено в применяемой технической документации, химический состав ракетного топлива на основе гидразина, поставляемого к летательному аппарату, должен соответствовать пределам, установленным в таблице 1, при испытании в соответствии с применяемыми методами анализа.


Таблица 1 - Пределы по химическому составу ракетного топлива на основе гидразина

4.2 Физические свойства

Ракетное топливо при визуальном осмотре в проходящем свете должно представлять собой бесцветную, гомогенную жидкость.

5 Поставка

Гидразин сортов, установленных в разделе 1, следует поставлять в соответствии с настоящим стандартом.

6 Отбор проб

Предупреждение - Гидразин в жидком и газообразном состояниях является огнеопасным, токсичным, летучим топливом и обладает высокой реакционной способностью при контакте с окислителем. Следует соблюдать осторожность при обращении с гидразином и его хранении, использовать защитные средства, а также избегать контакта с материалами, не совместимыми с гидразином.

6.1 План отбора проб

Чтобы обеспечить соответствие химического состава ракетного топлива на основе гидразина предельным значениям, установленным настоящим стандартом, необходимо всем задействованным операторам выработать план отбора проб гидразина от производства до заправки в космический корабль и утвердить его у конечного пользователя. Отбор проб и методы анализа должны соответствовать всем регламентам и правилам по безопасности. Этот план должен устанавливать:

- точки отбора проб;

- методики отбора проб;

- частоту проведения отбора проб;

- объем проб;

- количество проб;

- методы анализа;

- ответственность за отбор проб каждого оператора.

6.2 Ответственность за отбор проб

Если другого не установлено в применяемой технической документации, то поставщик, ответственный за обеспечение летательного аппарата топливом на основе гидразина, должен отобрать пробы и провести проверку качества гидразина, подаваемого к летательному аппарату поставщиком. Поставщик может использовать свои или другие ресурсы, подходящие для выполнения контрольных анализов, установленных в настоящем стандарте, если нет других указаний от потребителя.

6.3 Точки отбора проб

Если другого не предусмотрено, то отбор проб рекомендуется осуществлять в месте хранения ракетного топлива на основе гидразина или перед заправкой в летательный аппарат.

6.4 Частота проведения отбора проб

Отбор проб должен выполняться ежегодно или в соответствии с графиком, согласованным между поставщиком и потребителем.

6.5 Объем проб

Количество топлива на основе гидразина в одном контейнере для проб должно быть достаточным для проведения анализа по предельным показателям. Если одна отдельная проба содержит недостаточно топлива на основе гидразина для выполнения всех анализов, необходимых для подтверждения качества, следует отобрать дополнительные пробы в аналогичных условиях.

6.6 Количество проб

Количество проб должно соответствовать следующему:

a) одна проба - из контейнера для хранения;

b) любое количество проб - по согласованию между поставщиком и потребителем.

6.7 Контейнер для хранения

Если другого не предусмотрено в применяемом плане отбора проб, контейнер для хранения нельзя снова заполнять после того, как проба отобрана.

6.8 Жидкие пробы

Жидкие пробы должны быть типичными пробами от поставки жидкого гидразина. Пробы должны быть отобраны одним из следующих методов:

a) путем заполнения контейнера для проб и контейнеров для хранения одновременно от одного и того же коллектора и в одних и тех же условиях с использованием одной и той же методики;

b) путем извлечения пробы из поставленного контейнера через удобное соединение с контейнером для проб. Между поставленным контейнером и контейнерами для проб не допускается применение регулятора давления (допускаются подходящие продувочные и дренажные клапаны). Для обеспечения безопасности контейнер для проб и система отбора проб должны иметь расчетное эксплуатационное давление, равное не менее чем давлению в поставляемом контейнере.

6.9 Браковка

Если любая проба ракетного топлива на основе гидразина, испытанная в соответствии с разделом 7, не соответствует требованиям, установленным в настоящем стандарте, ракетное топливо на основе гидразина, представленное этой пробой, должно быть забраковано. Порядок утилизации забракованного ракетного топлива на основе гидразина устанавливает потребитель.

7 Методы анализа

7.1 Общие положения

Поставщик должен обеспечивать уровень качества гидразина. Альтернативные методы анализа описаны в 7.3-7.12. Другие методы анализа, не приведенные в настоящем стандарте, приемлемы при согласовании между поставщиком и потребителем.

Эти испытания представляют собой отдельный анализ или серию анализов, выполняемых на ракетном топливе на основе гидразина, чтобы подтвердить способность складских мощностей обеспечивать требуемый уровень качества. Это можно проконтролировать с помощью анализа представительных проб ракетного топлива на основе гидразина, отбираемых со складов через определенные промежутки времени по согласованию между поставщиком и потребителем. Испытания могут выполняться поставщиком или лабораторией, выбранной по согласованию между поставщиком и потребителем.

Требования к анализам должны включать определение всех показателей гидразина, имеющих ограничения.

7.2 Параметры анализа

Параметры аналитических методов, представленных в разделах 7.3-7.12, следующие:

- чистота и содержание примесей должны быть выражены в процентах по массе (% масс.), если другого не предусмотрено;

- градуировочные стандартные образцы газа, содержащие применяемые жидкие компоненты, могут потребоваться для градуировки аналитических измерительных приборов, используемых для определения предельных показателей ракетного топлива на основе гидразина;

- по требованию потребителя точность используемого измерительного оборудования при подготовке этих стандартных образцов должна быть подтверждена официальным институтом стандартов;

- аналитическое оборудование должно применяться в соответствии с инструкциями изготовителя.

7.3 Чистота гидразина

Чистоту гидразина определяют методом газовой хроматографии. Данный метод можно использовать для определения не только чистоты гидразина, но также для определения содержания воды, аммиака, анилина и других летучих содержащих углерод компонентов (приложение А.) Анализатор должен обеспечивать разделение и обнаружение компонента с чувствительностью, составляющей 10% установленного максимального содержания этого компонента. Анализатор должен быть градуирован в соответствующих диапазонах с применением градуировочных стандартных образцов.

Содержание твердых частиц определяют методом гравиметрического измерения. Известный объем топлива фильтруют через предварительно взвешенный испытательный мембранный фильтр и определяют увеличенную массу мембранного фильтра после промывки и просушивания. Также определяют изменение массы контрольного мембранного фильтра, расположенного под испытательным мембранным фильтром. Количество твердых частиц определяют по увеличению массы испытательного мембранного фильтра по отношению к контрольному мембранному фильтру.

a) методом ионной хроматографии;

b) колориметрическим методом с тиоцианатом ртути;

c) потенциометрическим методом с использованием хлоридселективного электрода;

d) потенциометрическим методом с использованием титрования нитратом серебра.

Содержание хлоридов нельзя определить прямым методом в пробе жидкого гидразина, но можно определить в нелетучем остатке после растворения его в водном растворе кислоты.

a) методом газовой хроматографии по 7.3;

b) методом ультрафиолетовой спектроскопии для гидразина сорта однокомпонентное топливо.

a) методом атомной абсорбции;

b) колориметрическим методом;

c) методом эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой аргона.

Содержание железа нельзя определить прямым методом в пробе жидкого гидразина, но можно определить в нелетучем остатке после растворения его в водном растворе кислоты.

Пробу необходимо ввести в сильную кислоту, чтобы абсорбировать компоненты гидразина и аммиака и высвободить диоксид углерода. Затем содержание диоксида углерода определяют одним из следующих методов:

a) методом газовой хроматографии. Методика должна быть избирательной для разделения и анализа диоксида углерода;

b) методом инфракрасного анализа;

c) колориметрическим методом, избирательным к СO.

7.12 Содержание других летучих компонентов, содержащих углерод

Приложение А (справочное). Применение газовой хроматографии (ГХ)

Приложение А
(справочное)

Газовую хроматографию (ГХ) рекомендуется использовать в качестве контрольного или предпочтительного метода для анализа примесей гидразина, например содержания аммиака и воды, анилина (для сорта топливо высокой чистоты), другого летучего материала, содержащего углерод и диоксид углерода для контроля чистоты гидразина.

В таблице А.1 указано применение этих методов для анализа гидразина.


Таблица А.1 - Применение ГХ

Приложение ДА (справочное). Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов ссылочным национальным стандартам Российской Федерации (и действующим в этом качестве межгосударственным стандартам)

Приложение ДА
(справочное)

Таблица ДА.1

Электронный текст документа
подготовлен ЗАО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2011

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

1. Калекин, В.С. Гидравлика и теплотехника: учеб. пособие [Текст] / В.С. Калекин, С.Н. Михайлец. Омск: ОмГТУ, 2007. 320 с.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Остроухов, Д.В. Ультрафильтрация – революция в производстве мягких сыров [Текст] // Сыроделие и маслоделие. 2010. № 2. С. 42-43.
8. 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.
9. Спицов, Д.В. Использование мембранных установок для улучшения качества водопроводной воды в городских зданиях // Интернет-Вестник ВолгГАСУ. 2011. № 4 (19). С. 10.