Мембранные технологии

Содержание

Введение ·········································································· 2

Мембранные технологии····················································· 3

• Мембрана ································································· 3
• Мембранные процессы ················································· 4
• Материалы ······························································· 10
• Перспективы ····························································· 12

Заключение ······································································ 15

Список литературы ·························································· 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Цель работы: изучить мембранные технологии, значение мембранных технологий для промышленности.

Задачи: изучить мембранные процессы, материалы, перспективы использования мембранных технологий.

В истории мембранной технологии может быть выделено два этапа развития - научный и промышленный. Хотя мембранные явления наблюдались и изучались еще в середине XVIII века, сначала надо было изучать барьерные свойства материалов и соответствующие явления и только затем создавать мембраны для технического и промышленного применения. Традиционно исследования мембран и мембранного разделения осуществлялись не только физиками и химиками, но также специалистами в таких областях науки, как биология, биофизика, биохимия и зоология.

Мембранные методы разделения жидких и газообразных сред заняли прочное место в арсенале промышленных технологических процессов, хотя полное становление и отдача мембранной науки и технологии ожидается в ХХI веке. Существуют области, где мембранная технология вообще не имеет конкурентов. Значение мембранной технологии в последние годы резко возросло, прежде всего, как технологии, способной навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию.

Глобальный характер воздействия и влияния мембранной технологии на реализацию российских и мировых научно-технологических приоритетов в последнее время получил свое дальнейшее подтверждение.

Мембранные процессы перестали сегодня быть только предметом узкого интереса небольших групп ученых и специалистов в академических институтах и высших учебных заведениях. О мембранных методах разделения и очистки сейчас можно услышать по телевизору и прочесть в газетах. Мембранами интересуются медики и биологи, специалисты пищевой промышленности и сельского хозяйства. Легче указать сферы, в которых мембраны не используются, чем перечислить все области их применения. Ежегодно в мире появляются ряд монографий по разным методам мембранного разделения. Многочисленные конференции по мембранам публикуют свои материалы.

Решением Правительственной комиссии России по научно-технической политике от 21 июля 1996 г. мембранная технология получила статус критической технологии федерального уровня.

 

1. Мембранные технологии

Мембранные технологии применяются для очистки и разделения смесей. Смесь- это продукт смешения, механического соединения каких-нибудь веществ. Происходит это таким образом: сосуд разделен на две части (или секции) мембраной, секция 1 наполнена смесью из веществ A и B. К обоим веществам прилагается движущая сила. Движущей силой мембранных процессов могут служить градиенты давления, концентрации, температуры или электрического потенциала. Мембрана может отличать два типа молекул из-за различий в размерах, форме или химической структуре. Разделение будет достигнуто, но только в определенной степени. Мембрана не способна разделить смесь полностью. К системе подводится энергия в виде работы или тепла. Основной принцип всех процессов разделения- для их осуществления требуется некое минимальное количество энергии. Следовательно, два вещества A и B будут самопроизвольно смешиваться, если свободная энергия продукта (смеси) меньше, чем сумма свободных энергий индивидуальных веществ. Минимальное количество энергии (Wmin), необходимое для достижения полного разделения, равно или больше, чем свободная энергия смеси.

 

1.1 Мембрана

Существует много мембранных процессов, базирующихся на различных принципах разделения или механизмах и применимых для разделения объектов разных размеров - от частиц до молекул. Несмотря на эти различия, все мембранные процессы имеют нечто общее, а именно мембрану. Основные характеристики мембран - селективность (коэффициент разделения), проницаемость, стабильность, химическая и термическая устойчивость и др. Мембрана- это сердце каждого мембранного процесса, ее можно рассматривать как селективно проницаемый барьер между двумя фазами. Фазу 1 называют сырьевой фазой (или просто сырьем), а фазу 2 называют пермеатом. Разделение достигается благодаря тому, что один компонент из сырьевой фазы переносится через мембрану с большей скоростью, чем другой компонент или компоненты.

Мембраны, использующиеся в различных мембранных процессах можно классифицировать по разным признакам. Наиболее простой является классификация всех мембран на природные (биологические) и синтетические, которые, в свою очередь, подразделяются на различные подклассы исходя из свойств материала.

Другой способ классификации мембран - по морфологии - позволяет разделить твердые синтетические мембраны на пористые и непористые, симметричные и асимметричные, композиционные и однородные по материалу - по структуре, а также на плоские, трубчатые и половолоконные - по форме.

Под асимметричными понимаются мембраны, состоящие из двух или более структурно неоднородных слоев одного и того же материала, а под композиционными - мембраны, состоящие из химически неоднородных слоев. В этих случаях крупнопористый слой большей толщины называют подложкой, а мелко- или непористый слой - селективным, т. к. именно он обеспечивает разделительные свойства мембран.

Половолоконные мембраны - это трубчатые мембраны с диаметром менее 0,5 мм. Трубчатые мембраны с диаметром от 0,5 до 5 мм называются капиллярными.

Жидкие мембраны обычно представляют собой жидкость, заполняющую поры пористой мембраны и содержащую молекулы вещества-переносчика, которое и обеспечивает транспорт.

Пористые мембраны используются для разделения молекул и частиц, различных по размеру. Селективность таких процессов (микрофильтрация, ультрафильтрация) в основном определяется соотношением размера пор и размера разделяемых частиц, а материал мембраны мало влияет на разделение.

Непористые мембраны способны отделять друг от друга молекулу примерно одинакового размера, но с различной растворимостью и/или коэффициентом диффузии. Селективность таких процессов (обратный осмос, первапорация, диализ, мембранное газоразделение) практически полностью зависит от специфических свойств материала мембраны.[3]

 

1.2 Мембранные процессы

Мембранные процессы можно классифицировать на следующие типы:

1) микрофильтрация;

2) ультрафильтрация;

3) нанофильтрация;

4) обратный осмос;

5) газоразделение;

6) электродиализ;

7) первапорация;

8) мембранная дистилляция.

 

1.2.1 Микрофильтрация

Микрофильтрация - это мембранный процесс, в наибольшей степени близкий к обычной фильтрации. Он основан на применении мембран, которые пропускают только некоторые компоненты определенной жидкости или газа, исключая нежелательное попадание иных элементов.

Размер пор в мембранах для микрофильтрации составляет от 0.1 до 10 мкм. Соответственно, величина разделяемых частиц лежит в том же диапазоне.Среди всех методов мембранной фильтрации микрофильтрация выделяется самым большим размером пор.

Мембраны для микрофильтрации могут быть изготовлены из разнообразных органических (полимеры) или неорганических (керамика, металлы, стекла) материалов.

Микрофильтрация применяется для стерилизации и осветления всех видов напитков и лекарственных препаратов в пищевой и фармацевтической промышленностях, получения ультрачистой воды в полупроводниковой промышленности. Также применяется в области биотехнологий и биомедицинских технологий.

Данный метод фильтрации чаще всего применяется для очистки молока от бактерий и спор. В процессе микрофильтрации молоко проходит сквозь мембраны, а бактерии, размеры которых довольно велики, задерживаются. Микрофильтрацию можно использовать и для подготовки к пастеризации, что позволяет произвести продукты с увеличенным сроком годности при стандартной методике пастеризации.[2]

 

1.2.2 Ультрафильтрация

Метод отделения мелких частиц из суспензии или коллоидных растворов с использованием фильтрации под давлением. Малые молекулы, ионы и вода продавливаются через полупроницаемую мембрану. Крупные молекулы через мембрану не проходят. Ультрафильтрационные мембраны с размером пор от 0,01 до 0,1 мкм удаляют крупные органические молекулы (молекулярный вес больше 10 000), коллоидные частицы, бактерии и вирусы, не задерживая при этом растворенные соли. Такие мембраны применяются в промышленности и в быту и обеспечивают стабильно высокое качество очистки от вышеперечисленных примесей, не изменяя при этом минеральный состав воды.

Ультрафильтрационная обработка речной, озерной воды и вод поверхностных источников в России в промышленности и коммунальном хозяйстве широко используют методы осаждения и фильтрования с предварительной коагуляцией. Этот метод широкомасштабно применяется с середины XX в. До сих пор не претерпел радикальных изменений.

Ультрафильтрация - наиболее часто применяемый мембранный процесс при переработке молочного сырья. Ультрафильтрации подвергают цельное молоко, обезжиренное молоко, предварительно сквашенное молоко, а также сыворотку.

Задачами ультрафильтрации являются:

• предварительное концентрирование белков в молоке для производства традиционных видов сыров;
• значительное изменение соотношения между белками и другими компонентами для создания новых видов сыров;
• нормализация молока по белку для обеспечения однородности и воспроизводимости свойств получаемого сыра независимо от сезонности;
• выделение сывороточных белков из сыворотки с целью получения белковых концентратов и лактозного раствора.
• Использование ультрафильтрации молока повышает выход сыра, например, в производстве сыра Фета расход молока сокращается с 8,5 до 6,5 кг/кг сыра.

Кроме того, ультрафильтрационное концентрирование позволяет сократить расход молокосвертывающего фермента (до 60%) и бактериальной закваски, уменьшить время созревания сыра и продолжительность технологического процесса, а также автоматизировать процесс производства и контроля.

 

 

 

 

Мембранная технология промышленность

1.2.3 Нанофильтрация

Метод нанофильтрации применяют для получения высокоочищенной воды для использования в бытовых нуждах, в пищевой и фармацевтической промышленности, для удаления тяжелых металлов, для снижения содержания солей в системах водоподготовки для теплоэнергетики.

Нанофильтрация воды базируется на способе её прохождения под давлением около 8 мПа через селективные мембраны. Основным материалом для изготовления мембран являются: полисульфоамид, фторопласт, ацетат целлюлозы и другие материалы. Размер отверстий мембран, который колеблется от 0,001 мкм до 0,01 мкм, подобран таким образом, что сквозь них могут проходить одновалентные ионы, а двухвалентные ионы и более крупные примеси остаются. Они задерживают органические соединения с молекулярной массой выше 300 и пропускают 15-90 % солей в зависимости от структуры мембраны. Наиболее эффективно при этом удаляются из воды разнообразные красители, пестициды, органические вещества, вирусы и некоторые растворённые соли. В результате нанофильтрации вода очищается, умягчается и теряет часть солей.

 

1.2.4 Обратный осмос

Обратноосмотические мембраны содержат самые узкие поры, и потому являются самыми селективными. Они задерживают все бактерии и вирусы, бoльшую часть растворенных солей и органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность и патогенные вещества), пропуская лишь молекулы воды небольших органических соединений и легких минеральных солей. В среднем мембраны задерживают 97-99 % всех растворенных веществ, пропуская лишь молекулы воды, растворенных газов и легких минеральных солей.

Сегодня по принципу обратного осмоса работает большинство фильтров, кулеров и других водоочистителей. Этот метод позволяет добиться наивысшей степени очистки воды, и удаляет до 99,9%. Кроме того, проходя через фильтр обратного осмоса, вода обогащается кислородом, придающим воде приятный свежий вкус. Обратный осмос принципиально отличается от обычной фильтрации. При осмосе образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. 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. Если по разные стороны полупроницаемой мембраны находятся солесодержащие растворы с разной концентрацией, молекулы воды будут перемещаться через мембрану из слабо концентрированного раствора в более концентрированный, повышая в последнем уровень жидкости.[1]

В случае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление (создаваемое насосом), превышающее осмотическое, молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Этот процесс называется "обратным осмосом".

В системах обратного осмоса бытового назначения давление входной воды на мембрану соответствует давлению воды в трубопроводе. В случае, если давление возрастает, поток воды через мембрану также возрастает.

Фильтр, работающий по принципу обратного осмоса, устроен достаточно просто: основной элемент, позволяющий получать воду высокой степени очистки - это тонкопленочная мембрана. Если объяснять совсем просто, то она представляет собой некое подобие сетки, размер ячеек которой сравним с размером молекулы воды. Разумеется, сквозь такую «сетку» могут пройти либо сами молекулы воды, либо вещества, размер молекул которых еще меньше - растворенный в воде кислород, водород и т. Чтобы мембрана не забивалась, перед ней устанавливают предфильтры - несколько ступеней предварительной очистки.