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.