Мембранная сепарация

Полупроницаемые мембраны: ультрафильтрация — обратный осмос

Техника разделения растворов с помощью мембраны под действием давления известна уже около 100 лет. Однако только в 60-х годах началось промышленное применение методов мембранной сепарации, вызванное к жизни созданием синтетических мембран. Эти методы, в которых используются свойства полупроницаемости определенных мембран (проницаемых для воды и некоторых растворенных веществ, но непроницаемых для других растворенных веществ и взвешенных частиц), представляют собой развитие процессов классического фильтрования в направлении применения тонкой и тончайшей сепарации. Так, за простым фильтрованием, при котором выделяются частицы с диаметром более 5 мкм (как, например, в случае фильтрования через слой песка), следуют:

  1. микрофильтрование, при котором выделяются частицы диаметром больше нескольких мкм (фильтрация через мембраны Миллипор, Сарториус и подобных же типов);
  2. ультрафильтрация, в процессе которой выделяются молекулы с молярной массой от 10 до 100 кг/моль в зависимости от используемой мембраны;
  3. обратный осмос, известный также под названием гиперфильтрации, который выделяет ионы и молекулы с молярной массой в несколько сотен граммов на моль.

Имеются два основных признака, по которым фильтрование и микрофильтрование отличаются от обратного осмоса и ультрафильтрации.

а) Микрофильтрование не изменяет химических свойств раствора, между тем в двух других процессах выделение растворенных примесей изменяет химический потенциал и создает градиент, при котором возникает тенденция диффундирования выделенного вещества в обратном направлении. Чтобы привести систему в состояние равновесия, необходимо воспрепятствовать этой реверсионной диффузии путем наложения давления на «фильтруемую» жидкость. Установленная в условиях равновесия разность давлений известна как осмотическое давление системы.

Очевидно, чем меньше молекулы (т. е. чем меньше молярная масса), тем выше возникающее осмотическое давление при той же разнице концентраций. Это объясняет причину меньшего роста обратного осмотического давления при ультрафильтрации, чем при обратном осмосе.

б) При фильтровании и микрофильтровании вся обрабатываемая жидкость проходит через фильтрующее устройство. Взвешенные частицы остаются на материале фильтра. При достаточно длительном времени использования фильтр очищается механически либо «забитую» мембрану заменяют другой.

В случае обратного осмоса и ультрафильтрации кроме нерастворенных частиц на мембранах задерживаются также молекулы и ионы раствора. Концентрация последних в непосредственной близости от мембраны вызывает «поляризацию», что способствует росту осмотического давления, за которым иногда следует осаждение. Эти трудности можно устранить следующим путем:

  • пропустить через мембрану только часть объема обрабатываемого раствора и непрерывно удалять «вредный» поток, который содержит ионы и молекулы, задерживаемые мембраной;
  • использовать избыточное против теоретического давление;
  • практически применяют давление от 0,2 до 0,6 МПа при ультрафильтрации и от 2 до 8 МПа при обратном осмосе.

Следует заметить, что в противоположность фильтрованию и микрофильтрованию, не существует теории, которая была бы полностью пригодна для оценки эксплуатационных характеристик мембран, используемых для обратного осмоса и ультрафильтрации.

Из множества предложенных математических и физических моделей процесса наибольшее признание получили следующие.

Ультрафильтрация включает пористую среду, в которой задерживаются растворенные вещества обрабатываемой воды, если размеры их молекул превышают размеры пор, через которые пропускается раствор. Концентрация ультрафильтрата зависит как от расхода воды, проходящей через поры (и, следовательно, зависит от вязкости, определяемой температурой), так и от концентрации Ст жидкости, соприкасающейся с мембраной.

Коэффициент поляризации может быть уменьшен до минимума максимально эффективной очисткой поверхности мембраны, которая позволяет удалить с частью сбрасываемого потока частицы, имеющие тенденцию аккумулироваться на мембране.

При обратном осмосе предложенная модель не всегда согласуется с наблюдаемыми явлениями. Предполагают, что осмотическая мембрана представляет собой непористый барьер для диффузии. Перенос в ней осуществляется путем растворения некоторых молекул раствора внутри мембраны и диффузии их (и растворенного вещества и растворителя) под влиянием градиентов концентрации и давления, которые в свою очередь изменяют химический потенциал раствора в веществе мембраны.

Мембраны для диализа

В отличие от полупроницаемых мембран диализные мембраны водонепроницаемы, но пропускают либо все ионизированные частицы, либо частицы определенного знака (катионы, если мембраны катионные, и анионы, если они анионные) под действием разности химических потенциалов растворов по обе стороны мембраны. Эта разность может быть обусловлена разностью: концентраций (простой диализ), давлений (пьезодиализ), электрических потенциалов (электродиализ .

Мембраны обычно делают из материалов, которые похожи на используемые в ионном обмене; некоторые свойства их близки к свойствам материалов для ионного обмена (например, чувствительность анионных мембран к растворенным органическим веществам). Если эти мембраны обладают селективностью действия, то мы сталкиваемся с явлениями концентрационной поляризации (вследствие аккумуляции посторонних ионов), описанными выше, которые противодействуют переносу ионов в желаемом направлении. Необходимо также обеспечивать эффективную гидравлическую очистку мембран.

Каждое современное промышленное предприятие сталкивается с необходимостью использовать различные релейные защиты. Качественно выполнить проект релейной защиты помогут по ссылке.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector