Применение мембранных методов разделения. Аппараты

 

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".