Теоретические основы защиты окружающей среды мембранным методом: ультрафильтрация, диализ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ПЕНЗЕНСКАЯГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯКА АКАДЕМИЯ 

ИНСТИТУТ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ  ТЕХНОЛОГИЙ 

КАФЕДРА: Технологии и Инженерные Средства Защиты Окружающей  Среды 
 
 

Дисциплина: «Теоретические основы защиты окружающей среды » 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

На  тему: Теоретические  основы защиты окружающей среды мембранным методом: ультрафильтрация, диализ 
 

                      

                                                                              Выполнила:

                                                                              Студентка группы 04эк.1В

                                                                              Гриб Н. С.

                                                                              Проверила:

                                                                              Момелина Т. Ю. 

                                                                               
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пенза 2007

     Содержание 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Введение 

     Загрязнение окружающей среды представляет собой  изменение качества среды способное  вызвать отрицательное воздействие.

     Очистка от низкомолекулярных примесей и  электролитов производится мембранными методами.

     Мембрана  – разделяющая фаза, расположенная между двумя другими фазами и действующая как активный (если есть переносчики) или пассивный (если мембрана нейтральна к переносимому веществу) барьер в процессе переноса вещества между фазами. Мембраны представляют собой пористые тела и непроницаемость их для коллоидных частиц значительно(на несколько порядков) меньше, чем для ионов и молекул, имеющих намного меньшие массу и размеры.

     В мембранных процессах большое значение имеют барометрические процессы, которые включают такие методы как диализ и ультрафильтрация. С их помощью происходит удаления из золей избыточного количества электролитов. Как правило, ультрафильтрацию применяют в том случае, если молекулы растворенного вещества более чем на порядок превышают размеры молекул растворителя и лежат ниже предела разрешения оптического микроскопа (0,5 мкм). Диализ широко используется для очистки растворов белков и других ВМС от растворенных солей, для отделения щелочи от гемицеллюлоз после процесса обработки целлюлозы щелочью (мерсеризации) и т. п. 
 
 
 
 

     2 Ультрафильтрация

     Фильтрация — один из наиболее важных процессов в промышленности  и в лабораторных исследованиях. Мембранная фильтрация — это разновидность фильтрации, когда фильтр представляет собой тонкую перегородку толщиной менее 0,1 мм и с высокой степенью пористости. Диаметры пор мембранных фильтров тщательно контролируются и поддерживаются постоянными в процессе их изготовления. Хотя фильтрация исторически является чрезвычайно старым процессом, использующимся еще древними египтянами, которые процеживали виноградный сок через ткань, мембранная фильтрация — процесс относительно новый, получивший широкое распространение лишь после второй мировой войны.

     Мембранные  фильтры имеют следующие преимущества:

     • они не требуют какого-то особого  обращения с ними, и их можно  легко доставить в любое место, где их предполагают использовать;

     • их можно изготавливать одним и тем же способом при точно контролируемых условиях;

     •  вследствие высокой пористости через  них можно пропускать жидкость с  большой скоростью потока;

     • при помощи мембранного фильтра  можно задерживать частицы размерами порядка размеров бактерий и меньше;

     • некоторые из них могут работать как сита, т. е. разделять частицы разных размеров.

     Мембранные  фильтры получили очень широкое  распространение в науке и технике. При лабораторных исследованиях их применяют в самых разных областях знания для получения жидкостей, свободных от частиц. В микробиологии мембранные фильтры применяют для выделения микроорганизмов из различных сред, для подсчета колоний микроорганизмов, а также для быстрого диагностирования индикаторов загрязнения и наличия патогенных организмов. В биохимии мембранные фильтры применяются в качестве пористых подложек при электрофорезе и для связывания нуклеиновых кислот при изучении гибридизации. Они широко используются в клинической практике, в том числе для установления наличия раковых клеток в ткани, при цитологических исследованиях тканевых жидкостей, для приготовления тех или иных лекарственных средств и т. п. В аналитической практике вещества, собранные на фильтре, можно подвергнуть рентгеноструктурному анализу, эмиссионной спектроскопии, микроскопии, гравиметрии или активационному анализу. Мембраны используются во многих аналитических приборах, например в газоанализаторах на кислород, в рН-метрах и электролитическом разделении ионов. В процессах диализа и ультрафильтрации используют по существу те же мембранные фильтры, но с другими размерами пор. Ныне один из самых тонких методов получения высококачественной воды, свободной от ионов, состоит в комбинировании микрофильтрации с обратным осмосом; в последнем случае применяют более тонкопористые мембраны.

     Мембранные  фильтры находят также очень  широкое применение в промышленности. Одним из самых крупных их потребителей является химико-фармацевтическая промышленность (для получения стерильных растворов термолабильных материалов). Различные отрасли промышленности (например, электроника, производство компьютеров, аэрокосмическая промышленность) нуждаются в сверхчистых веществах, которые нетрудно получить с помощью мембранной фильтрации. Ее также применяют при производстве пищевых продуктов и различных напитков.

     Большинство мембранных фильтров изготавливают  из эфиров целлюлозы, главным образом  из нитрата и ацетата целлюлозы, хотя используется большое множество и других исходных веществ, в том числе регенерированная целлюлоза, винил, акри-лонитрил, поливинилхлорид, нейлон, полипропилен, поликарбонат и политетрафторэтилен (тефлон). Для некоторых конкретных случаев применения мембранные фильтры во время или после их изготовления могут подвергнуться определенной модификации, а именно можно изменить их цвет (сделав их зелеными или черными вместо белых), нанести на поверхность сеточные маркеры, создать гидрофобное кольцо по краю мембраны и подвергнуть предварительной стерилизации перед упаковкой. Кроме того, мембраны изготавливаются не только в общепринятой форме дисков, но мембранные фильтры могут поставляться также в виде больших листов или фильтр-патронов, последнее имеет место главным образом для промышленного применения.

      Ультрафильтрация  является мембранным процессом, проводимым под давлением. По существу ультрафильтрация является не методом очистки золей, а лишь методом их разделения и концентрирования. С помощью ультрафильтрации можно осуществлять также фракционирование растворов ВМС и коллоидных систем. Как правило, УФ применяют в том случае, если молекулы растворенного вещества более чем на порядок превышают размеры молекул растворителя и лежат ниже предела разрешения оптического микроскопа (0,5 мкм). В отличие от диализных мембран УФ мембраны задерживают частицы по принципу сита.

     На  схеме прибора: А – коллоидный раствор; М – мембрана, п – пластина с мелкими отверстиями, служащая опорой для мембраны; В – воронка; У – ультрафильтрат.

     В биохимии часто определяют методом  ультрафильтрации размеры белковых частиц, частиц ферментов и т. д. В микробиологии УФ получила широкое применение при изучении размеров вирусов и бактериофагов. Для этого фильтруют суспензии вирусов через ряд ультрафильтров и определяют так называемую конечную точку фильтрации. По диаметру пор ультрафильтра, начинающего задерживать вирусы, рассчитывают диаметр частиц.

     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.

     Процессы  ультрафильтрации хорошо сочетаются с  различными методами разделения и концентрирования жидких сред: обратный осмос, диализ, электродиализ и др. При этом создаются высокоэффективные технологические цепи с замкнутым водоснабжением и возвратом в производство ценных продуктов в концентрированном виде.

           Технико-экономические показатели  мембранных методов разделения характеризуют процесс ультрафильтрации как малоэнергоемкий с рядом преимуществ по сравнению с другими методами.