Применение мембранных методов разделения. Аппараты

Российский экономический  университет

имени Г. В. Плеханова

 

Инженерно-экономический  факультет

 

 

 

 

Применение мембранных

методов разделения. Аппараты.

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент

3 курса 733 группы

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2011 г.

Содержание

 

• Введение………………………………………………………………………………….3
• Основные сведения о мембранах……………………………………………………….4
• Диализ…………………………………………………………………………………….5
• Баромембренные процессы……………………………………………………………...7
• Мембранное разделение газов

и испарение через мембрану (первапорация)…………………………………………10

• Мембранная технология очистки воды

и мембранные фильтры………………………………………………………………...12

• Мембранные аппараты…………………………………………………………………15
• Плоскокамерный аппарат……………………………………………………………...15
• Трубчатый аппарат……………………………………………………………………..16
• Рулонный аппарат………………………………………………………………………17
• Аппарат с волокнистыми мембранами………………………………………………..18
• Заключение……………………………………………………………………………...20
• Использованная литература……………………………………………………………21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Человек не изобрел  мембрану, а взял готовую идею у природы. Мембраной называют пленку, плоское тело, протяженность которого по двум координатам значительно превышает протяженность по третьей координате. Мембраны могут быть проницаемыми для жидкостей и газов или непроницаемыми. Непроницаемые упругие мембраны применяют в микрофонах, телефонах, насосах, используют в качестве уплотняющих и предохраняющих прокладок. Эта работа посвящена мембранам, избирательно проницаемым для отдельных компонентов, позволяющим разделять смеси веществ.

 

Естественный  отбор за миллионы лет эволюции создал мембраны как самый совершенный инструмент для разделения веществ в живых организмах. Двойные белково-фосфолипидные мембраны окружают каждую клетку и ее важнейшие части: ядра, вакуоли, митохондрии. Процессы избирательного переноса веществ, протекающие в биологических мембранах, лежат в основе важнейших физиологических функций: генерации нервного импульса, движения мышц, питания, дыхания и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные сведения о мембранах

 

Как было сказано  ранее, человек не изобретал мембрану. В ходе первых экспериментов по мембранному разделению ученые предпринимали попытки прямого заимствования у природы материала мембраны: свиного пузыря, яичного белка. Однако на следующей стадии развития мембранных методов разделения в качестве мембран были использованы модифицированные природные вещества. Наибольшее распространение получили мембраны из продуктов целлюлозы.

 

Целлюлоза (клетчатка) является главной составной частью оболочек растительных клеток. Древесина  хвойных деревьев содержит около 50% целлюлозы. Если в гидроксильных группах целлюлозы заменить атомы водорода на нитрогруппы, то полученная нитроцеллюлоза может быть использована для изготовления бездымного пороха, динамита или коллодиевых мембран. Если в гидроксильных группах заменить атомы водорода на ацетильные группы, то получаются мембраны, называемые ацетилцеллюлозными. Эти мембраны до сих пор применяются в технологических процессах мембранного разделения.

 

Наш век называют веком полимеров. Синтетические  полимерные материалы получили широкое  распространение во всех областях науки и техники. Реакция мембранной науки была адекватной, и в настоящее время полимерные мембраны являются основой технологических процессов, использующих принципы мембранного разделения.

 

Перенос веществ  через мембраны происходит под действием разности концентраций, разности электрических потенциалов по обе стороны мембраны и разности давлений. Метод мембранного разделения, использующий в качестве движущей силы процесса разность концентраций вещества на границах мембраны, называют диализом, а, метод, использующий разность электрических потенциалов по обе стороны мембраны, - электродиализом. Перепад давления по обе стороны мембраны лежит в основе баромембранных методов разделения: микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса. В этой работе внимание будет сосредоточено на баромембранных методах и диализе.

 

Диализ

 

Диализ (от греч. - отделение) основан на диффузионном транспорте веществ через мембраны.

 

Впервые диализ применил Ж. А. Нолле, установивший в 1748 году, что мембрана из свиного пузыря избирательно пропускает молекулы воды из водно-этанольного раствора. Избирательная диффузия воды через мембраны была им названа осмосом. А в 1856 году Т. Грэм применил пергаментные мембраны из модифицированной целлюлозы для отделения и очистки коллоидных растворов от истинных растворов.

 

В настоящее  время диализ широко применяют для  введения в организм лекарственных  веществ. Обычный способ применения лекарств в виде инъекций или таблеток не дает эффективных результатов, потому что сразу после приема концентрация оказывается выше необходимой для лечения, затем быстро уменьшается и вновь не оказывает необходимого воздействия. Однако если лекарственный препарат поместить в капсулу из селективной мембраны, то поток вещества, выходящего из нее наружу, будет длительное время оставаться постоянной величиной, лежащей в интервале эффективных для лечения концентраций. Помимо этого применения мембранных капсул получает распространение их использование для равномерного введения удобрений в почву.

 

Очень распространенным является использование мембран  в качестве искусственной почки. Этот метод называют гемодиализом. В аппаратах искусственной почки  через медно-аммиачный целлофан (купрофан) удаляются токсины и  продукты обмена. Для многих заболеваний  почек даже эпизодическое применение гемодиализа является последней надеждой.

 

Молекулярная диффузия - медленный процесс, и для ее ускорения  природа создала много дополнительных механизмов. Один из самых эффективных - процесс облегченной диффузии. При облегченной диффузии переносимое вещество вступает в реакцию с другим веществом - переносчиком, образует с ним комплекс, который имеет более высокий коэффициент диффузии. Особенность переносчика заключается в том, что он не покидает мембрану вместе с переносимым компонентом, а остается в ней и вновь используется для нового транспортного акта. Например, гемоглобин является переносчиком кислорода и увеличивает скорость диффузии в 80 раз. Технологическое использование явления облегченной диффузии только начинается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Баромембренные  процессы

 

Фильтрование  как метод разделения твердых  частиц и раствора известен с древних  времен. В качестве фильтра использовали плотную ткань, волокно (filum). От filum в  позднелатинском языке появилось  слово "filtrum" (войлок), превратившееся во французском языке в слово "filtre" (фильтр) и распространившееся во все европейские языки.

 

Несмотря на то что фильтрование по сути является мембранным методом, его исследовали  раньше, чем сформировался круг вопросов, составляющих науку о мембранах (мембранологию или мембранику), и обычно в монографиях по мембранным методам разделения простое фильтрование не описывается. Обычная фильтрация позволяет отделить от жидкости или газа частицы с размером более 10 мкм. Для процесса используют давление до 2 атм (~ 200 000 Па). Фильтрация позволяет отделять от растворов и газов водные грибы, эритроциты, цветочную пыльцу, пепел, угольную пыль, простейшие организмы.

 

Для отделения  от жидкости или газа частиц с размером 0,1 < d < 10 мкм Зигмонди в 1922 году предложил метод микрофильтрации. Микрофильтры имеют меньшие размеры пор, чем обычные, и поэтому требуется избыточное давление до 5 атм.

 

Главными областями  применения микрофильтрации являются получение стерильной воды, осветление и стабилизация вин. В пивоварении замена пастеризации микрофильтрацией позволяет сохранить вкус и аромат свежего пива.

 

Наиболее эффективным  способом приготовления мембран  для микрофильтрации является бомбардировка  поликарбонатных пленок ионами 129Xe, полученными на циклотроне, с последующим травлением треков на поверхности мембраны щелочью и отмывкой. Изготовленные таким образом мембраны называют ядерными, или трековыми. Они в значительно большей степени, чем другие мембраны, обладают равенством радиусов пор (изопористостью).

 

Метод ультрафильтрации был предложен Бехгольдом еще  в 1907 году. Он позволяет отделять частицы с размером < d < см. Для проведения ультрафильтрации необходимо избыточное давление от 2 до 10 атм. Ультрафильтрация позволяет отделять коллоидные растворы и растворы высокомолекулярных соединений, для которых мембрана непроницаема, от электролитов, концентрировать фруктовые соки, кофе, белки из молочной сыворотки, яичный белок. Ультрафильтрация позволяет сразу после дойки сконцентрировать молоко до сливок и в концентрированном виде перевозить, экономя транспортные затраты. Особо важным применением ультрафильтрации является выделение альбумина и других белков из кровяной плазмы. В самых тяжелых случаях, когда неизвестна группа крови больного и медлить нельзя, инъекция альбумина спасает человека от смерти. Установки для ультрафильтрации способны отделить от растворов не только бактерии, но и вирусы. Воду, пропущенную через ультрафильтры, можно пить даже тогда, когда исходная вода биологически заражена.

 

Для разделения молекул или ионов Манегольд  в 1929 году предложил метод обратного  осмоса. Промышленным метод обратного  осмоса стал после 1962 года, когда Лоэб и Сурираджан получили асимметричные  ацетилцеллюлозные мембраны, имевшие тонкий и плотный активный слой с узкими порами и толстый слой с широкими порами. Фактической толщиной такой мембраны является толщина активного слоя, и поэтому поток через мембрану значительно больше, чем через однородную (изотропную) мембрану.

 

Одной из глобальных научных, технических, социальных и  даже политических проблем человечества является дефицит пресной воды, которая  составляет только 1% всего запаса воды на земном шаре. Многие эксперты ставят ее на первое место среди проблем, с которыми встретится человек третьего тысячелетия. Обратный осмос является в настоящее время самым рентабельным методом опреснения морских и океанских вод. Уже сейчас, кроме некоторых арабских стран, где имеется дешевая электроэнергия и используется дистилляция, обратный осмос доминирует при опреснении морских вод, так же как электродиализ с ионообменными мембранами преобладает при опреснении подземных солоноватых вод, расположенных внутри континентов. В качестве мембран для обратного осмоса используют кроме ацетилцеллюлозных полиамидные, полисульфоновые, полимидные мембраны. Из мембран для компактности делают рулоны, формируют из них полые волокна, что существенно увеличивает удельную производительность мембранных установок.

Сравнительно  недавно арсенал баромембранных методов пополнил промежуточный между ультрафильтрацией и обратным осмосом метод, который был назван нанофильтрацией. Название указывает на порядок размеров удерживаемых частиц (1 нм = м). Для нанофильтрации требуется давление от 8 до 13 атм. Нанофильтрация применяется для очистки водных растворов от органических веществ и минеральных примесей на стадиях, предшествующих финишной очистке воды ионным обменом или электродиализом с заполнением межмембранного пространства гранулированными ионообменниками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мембранное  разделение газов

и испарение через мембрану (первапорация)

 

Исследование  мембранных методов разделения газов  было начато Т. Грэмом в 1833 году. Однако эта проблема как крупномасштабная техническая задача была реализована позже в связи с потребностью ядерной промышленности разделять изотопы урана. Для получения изотопа урана-235 природный уран обрабатывался фтористым водородом. Полученные при этой реакции газообразные гексафториды 235UF6 и 238UF6 подвергались многоступенчатому разделению в установке, содержащей несколько тысяч трубчатых мембранных элементов.

 

Успех этой работы стимулировал дальнейшие исследования и их реализацию при разделении компонентов  воздуха. Фракции, обогащенные кислородом до 60%, нашли применение в сталелитейной промышленности (кислородное дутье), медицине (оксигенация), а обогащенные азотом - при синтезе аммиака. Оксигенаторы применяют при временном отключении сердца и легких человека при сложных хирургических операциях. Полезным применением фракций, обогащенных азотом, стало хранение овощей и фруктов в атмосфере, содержащей до 90-95% азота, 2-5% кислорода и столько же диоксида углерода, что обеспечивает их сохранность в течение зимнего сезона, позволяет сохранить вкусовые и питательные качества.

 

Методы разделения газовых смесей используются при  синтезе аммиака, разделении изотопов водорода, выделении гелия из природных  и нефтяных газов. Получает распространение  мембранный метод выделения диоксида серы (сернистого газа) из выбросов тепловых электростанций, которые являются причиной кислотных дождей, подкисляющих почвы и разрушающих архитектурные строения.

 

Мембраны, применяемые  для разделения газов, могут быть разделены на две группы: с пористой матрицей и сплошной матрицей. Если мембрана имеет крупные поры, то разделение происходит преимущественно за счет различия молекулярных масс разделяемых компонентов.

 

Такой механизм реализуется в случае, если длина  свободного пробега молекул газов  значительно больше диаметра пор (эффузия, течение Кнудсена). В мембранах меньшего размера пор действуют также и другие механизмы разделения, в том числе важную роль приобретает взаимодействие компонентов со стенками пор в мембране (ситовый эффект, адсорбция). Механизм разделения газов мембранами второй группы преимущественно основан на сорбции компонентов матрицей и влиянии поверхностных явлений на процесс разделения.

 

Мембраны для  разделения газов изготавливают  как из полимерных органических, так  и из 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 основан на испарении жидкости через  мембрану. Впервые в 1906 году Каленберг  применил каучуковую мембрану для разделения смеси углеводородов и спиртов. Первапорация нашла применение для  концентрирования молока, кофейного экстракта, латекса, разделения углеводородов в процессах нефтепереработки для выделения фракций с разными октановыми числами, а также для дегидратации этанола. В будущем первапорация может заменить процесс ректификации, однако в настоящее время она ее дополняет в тех случаях, когда образуются азеотропные смеси, кипящие при одной температуре, и разделение ректификацией становится невозможным. Мембранные методы разделения газов и первапорация протекают как необратимые процессы при совместном действии нескольких сил, вызывающих массоперенос - разности давлений, концентраций и температур по обе стороны мембраны.

 

Анализ возможностей мембранных методов был бы неполным без их экологической оценки. Следует  обратить внимание на то, что мембранная технология является безреагентной, поэтому в сточных водах могут оказаться только те же вещества, которые извлечены из природных материалов. Мембранные методы в отличие от других не могут быть “экологическими бумерангами”. Помимо высокой экологической целесообразности мембранные методы наиболее экономичны в сравнении с конкурирующими методами разделения веществ.

 

 

 

Мембранная технология очистки воды

и мембранные фильтры

 

Около 40 лет  назад начала развиваться принципиально  иная технология очистки воды —  мембранная технология. Она основана на пропускании воды под давлением  через полупроницаемую мембрану и разделении воды на два потока: фильтрат (очищенная вода) и концентрат (концентрированный раствор примесей). Явление прохождения воды через пленку из малоконцентрированного раствора в более концентрированный раствор было открыто еще в XVIII в. Это явление получило название осмоса, а пленка, пропускающая воду, названа мембраной.

 

Явление осмоса лежит в основе обмена веществ  всех живых организмов. Благодаря  ему в каждую живую клетку поступают  питательные вещества и, наоборот, выводятся  шлаки. Явление осмоса наблюдается, когда два соляных раствора с разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной. Эта мембрана пропускает молекулы и ионы определенного размера, но служит барьером для веществ с молекулами большего размера. Таким образом, молекулы воды способны проникать через мембрану, а молекулы растворенных в воде солей — нет.

 

Наибольшее  признание получили обратноосмотические  системы благодаря уникальному  качеству воды, достигаемому после  фильтрации. Такие мембраны эффективно справляются с низкомолекулярными гуминовыми соединениями, которые придают воде желтоватый оттенок и ухудшают ее вкусовые свойства, и которые очень трудно удалить другими методами. С использованием мембранных обратноосмотических систем можно получить чистейшую воду. Такая вода не только безопасна для здоровья, но и сохраняет белоснежность дорогостоящей сантехники, не выводит из строя бытовую технику и систему отопления, и просто радует глаз.

 

Однако мембранные системы очистки воды достаточно дорогостоящи. Но, учитывая то, что при  использовании «накопительных» систем скорее всего понадобится несколько установок различного действия, то общая их стоимость тоже обойдется недешево. А если говорить об эксплуатационных затратах, то для мембранных систем они значительно меньше.

 

Установка или  фильтр тонкой очистки воды, в основу которой заложена микрофильтрация воды, удаляет мелкие взвеси размером свыше 0,1…1,0 микрон (коллоидные частицы, определяющие мутность воды). Как правило, такой мембранный фильтр воды используется, когда необходима очистка воды с повышенной мутностью. Также эти системы применяются для предварительной фильтрации воды перед более селективными мембранными фильтрами (нанофильтрация или обратный осмос) или ионообменными фильтрами, эффективность которых напрямую зависит от качества предварительной подготовки воды.

 

Установка или  фильтр ультратонкой очистки воды, в основу которой заложена ультрафильтрация воды, задерживает мелкие взвеси (коллоиды), высокомолекулярную органику, бактерии и вирусы размером свыше 0,01…0,1 микрон. При этом минеральный состав воды не меняется (растворённые в воде соли не задерживаются).

 

Ультрафильтрационные  фильтры и ультрафильтрационные мембраны имеют широкую область  применения. Ниже приведены некоторые  из них:

• ультратонкая очистка воды (ультратонкая фильтрация воды)
• обеззараживание воды
• очистка грязной воды (снижение мутности воды – осветление воды)
• предочистка речной воды и очистка воды поверхностных источников
• осветление минеральной воды
• доочистка воды
• очистка стоков
• предварительная подготовка воды перед фильтрами обратного осмоса
• предварительная доочистка воды при помощи ультрафильтрационных мембран

 

Мембраны обратного  осмоса содержат самые узкие поры (около 0,0001 мкм) и потому являются самыми селективными (если рассматривать другие технологии мембранной очистки воды). Эти фильтры задерживают все бактерии и вирусы, значительную часть растворенных солей и органических веществ. В среднем система обратного осмоса задерживает 85-99 % всех растворенных веществ. Такие мембраны используется во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (розлив питьевой воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность, аквариум, обессоливание морской воды и т.д.). Обратноосмотические мембраны широко применяются в быту – семиступенчатая или шестиступенчатая система обратного осмоса позволяют получить чистейшую воду в домашних условиях.

 

Особый интерес  в промышленности представляет использование  двухступенчатой установки обратного осмоса (двухкаскадный фильтр обратного осмоса), в которой осмотическая вода из первой ступени (пермеат 1) повторно фильтруется на второй ступени (пермеат 2). Такая мембранная система очистки воды позволяет получать дистиллированную и деминерализованную воду. Такие обратноосмотические фильтры являются экономически выгодной альтернативой дистилляторам-испарителям и используются на многих производствах (гальваника, электроника, производство высокоомной воды и т. д.).

 

Нанофильтрационные  мембраны содержат более крупные поры, чем обратный осмос (от 0,001 до 0,01 мкм). Фильтры нанофильтрации воды задерживают органические соединения с молекулярной массой выше 300 и пропускают 15-90 % солей в зависимости от структуры мембраны и характера загрязнений. Эти системы задерживают все бактерии и вирусы, высокомолекулярные соединения и органические вещества. Промышленные установки нанофильтрации позволяют осуществлять эффективное умягчение и обезжелезивание воды.

 

Современные системы  практически полностью автоматизированы, оснащены системой блокировки в случае перебоев в подаче электроэнергии и защитой от «сухого хода». Мембранная фильтрация получает все большую популярность в бытовом использовании благодаря надежности, компактности, удобству в эксплуатации и, конечно же, стабильно высокому качеству получаемой воды.

 

 

 

 

 

 

 

 

Мембранные  аппараты

 

Мембранные  аппараты подразделяют на плоскокамерные, трубчатые, рулонные, с полыми волокнами, а также электродиализатор.

 

Плоскокамерный аппарат

 

Плоскокамерный  многосекционный аппарат типа "фильтр - пресс": 1-мембрана; 2-дренажный материал.

 

В плоскокамерных аппаратах разделительный элемент  состоит из двух плоских (листовых) мембран, между которыми расположен пористый дренажный материал. Элементы размещены на небольшом расстоянии один от другого (0,5-5 мм), в результате чего между ними образуются мембранные каналы, по которым циркулирует разделяемая смесь. Образовавшийся концентрат выводится из аппарата, а пермеат отводится по дренажному материалу в коллектор. Для турбулизации потока путем поперечного перемешивания и предотвращения соприкосновения проницаемых элементов применяют сетку-сепаратор. В случае необходимости значительного концентрирования исходного раствора в аппарате устанавливают несколько последовательно работающих секций. Поверхность разделительной мембраны, приходящаяся на единицу объема аппарата, т.е. плотность упаковки мембраны, для плоскокамерных аппаратов низка (60-300 ), поэтому их используют в установках небольшой производительности для разделения жидких и газовых смесей.

 

Трубчатый аппарат

 

Трубчатый аппарат: 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-трубчатый фильтрующий элемент.

 

Трубчатые аппараты состоят из набора пористых дренажных  трубок диаметром 5-20 мм, на внутренней или наружной поверхности которых расположены мембраны. В соответствии с этим исходный поток направляют в трубное либо межтрубное пространство. Трубчатые аппараты, в которых плотность упаковки мембран составляет 60-200 , используются для очистки жидких сред от загрязнений, опреснения воды с высокой концентрацией солей. а также для разделения газовых смесей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рулонный аппарат

 

Рулонный  аппарат: a-корпус, б-фильтрующий элемент; 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-фиксатор; 4-сепаратор; 5-отводная трубка.

 

В рулонных, или  спиральных, аппаратах мембранный элемент  имеет вид пакета; три его кромки герметизированы, а четвертая прикреплена  к перфорированной трубке для  отвода пермеата, на которую накручивается  пакет вместе с сеткой-сепаратором. Разделяемый поток движется в осевом направлении по межмембранным каналам, а пермеат - спиралеобразно по дренажному материалу и поступает в отводящую трубку. Аппараты этого типа отличаются высокой плотностью упаковки мембран (300-800 ), но сложнее, чем плоскокамерные, в изготовлении. Они используются в установках средней и большой производительности для разделения жидких и газовых смесей.

 

 

 

 

 

 

 

Аппарат с волокнистыми мембранами

 

Аппарат с волокнистой мембраной: 1-трубная решетка с открытыми концами волокон; 2 полое волокно.

 

В аппаратах  с волокнистыми мембранами рабочий  элемент обычно представляет собой  цилиндр, в который помещен пучок  полых волокон с наружным диаметром 80-100 мкм и толщиной стенки 15-30 мкм. Разделяемый раствор, как правило, омывает наружную поверхность волокна, а по его внутреннему каналу выводится пермеат. Благодаря высокой плотности упаковки мембран (до 20000 ) эти аппараты применяют в опреснительных установках большой производительности (десятки тыс. ).

 

Для обратного  осмоса, как правило, используют плоскокамерные, трубчатые и рулонные аппараты; для  ультрафильтрации - плоскокамерные и  трубчатые; для микрофильтрации - те же аппараты, а также обычные патронные фильтры; для электродиализа - кроме электродиализаторов, иногда плоскокамерные и с полыми волокнами, снабженные подводкой электропитания; для мембранного газоразделения-рулонные, плоскокамерные и трубчатые; для испарения через мембрану - те же аппараты, что и для баромембранных процессов, снабженные системами подогрева, вакуумирования,, подачи инертного газа и конденсаторами паров; для диализа - плоскокамерные и др. мембранные.

 

Мембранные  процессы разделения осуществляют, как правило, при температуре окружающей среды без фазовых превращений и применения хим. реагентов, что наряду с простотой аппаратурного оформления и его обслуживания определяет их экономичность и широкие перспективы для создания принципиально новых, малоэнергоемких и экологически чистых производств. Для организации и практической реализации работ в области мембранных технологий в СССР создан (1986) межотраслевой научно-технический комплекс "Мембраны".