Мембранные технологии

Тем не менее, в процессе фильтрации, перед мембраной накапливаются соли и различные примеси. Чтобы она не засорилась, перед мембраной создается принудительный поток воды, смывающий сконцентрированные загрязнения в дренаж.

В настоящее время в водоочистителях обратного осмоса наиболее широкое распространение получила компоновка мембран в рулонные мембранные элементы.

 

1.2.5 Газоразделение

Другая важная отрасль использования мембранных нанотехнологий - газоразделение. В этом случае принцип функционирования другой. Здесь разделение происходит из-за разной скорости проникновения (диффузии) газов через мембрану. Существует особая шкала подвижности газов, согласно ей более «быстрые» газы будут проходить через специальным образом наноструктурированный материал быстрее, а текущий через установку газ обогатится более «медленными». Часто таким материалом являются цеолиты, но могут применяться и полимерные наноматериалы.

Движущей силой переноса газов через мембрану является разность парциальных давлений. При продвижении смеси газов через разделитель более подвижный газ преимущественно проходит через мембрану, руководствуясь принципом «хорошо там, где нас нет». А по научному - по градиенту концентрации.

 

1.2.6 Электродиализ

Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обуславливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки. Метод электродиализа обеспечивает более полное и быстрое удаление электролита. Под действием электрического поля ионы электролита проходят через мембраны к соответствующим электродам и уносятся проточной водой. По такому принципу работают электродиализаторы. Электродиализ применяется в настоящее время преимущественно для опреснения природных горько-соленых вод и при повышенной минерализации последних ( более 5 - 10 г / л) является более экономичным, чем обессоливание на ионитовых фильтрах. Установлено, что метод электродиализа можно с успехом применять для глубокой очистки жидких кристаллов.

 

1.2.7 Первапорация

Первапорация -- это процесс выпаривания воды через тонкую, похожую на осмотическую, мембрану. Эффективность и надежность первапорации в первую очередь обуславливается свойствами используемой мембраны, которая позволяет производить разделение жидкостей на молекулярном уровне. Очистка воды методом первапорации предполагает помещение жидкой смеси в корпус фильтра, разделенный непористой полимерной мембраной. В ходе продувки рабочей секции газом или воздухом со стороны подачи жидкости. В результате этого компоненты жидкости адсорбируются на поверхности мембраны, вследствие чего происходит их диффузия через мембрану и очистка, и в том числе обезжелезивание воды. За счет разности скоростей диффузии различных веществ достигается эффект первапорации воды -- процесс образования пара с обратной стороны мембраны, в то время как загрязнитель остается в жидкой форме. Полученный методом первапорации пар дистиллируется и образуется кристально чистая вода, полностью избавленная от любого рода загрязнителей.

 

1.2.8 Дистилляция

Этот метод предполагает мгновенное вскипание, когда морскую воду испаряют через несколько камер, в которых постепенно происходит понижение давления. Метод мембранной дистилляции подразумевает использование гидрофобной мембраны, по одну сторону которой производится нагрев морской воды. Пар проходит через мембрану, и с противоположной стороны ее охлаждается, и как следствие - конденсируется в чистую воду. Многоколонная дистилляция предполагает нагрев морской воды в первой колонне, а пар, который образуется вследствие нагрева - идет в последующие колонны. Метод вымораживания - это охлаждение морской воды до кристаллизации и выделение кристаллов, из которых потом можно получить пресную воду.

 

1.3 Материалы

Создание новых материалов - это существенная необходимость нашей современности. В современных технологиях часто используют большое давление, температуру и агрессивное действие химических веществ. Мембранные материалы сегодня применяются во многих отраслях промышленности.

Мембраны могут быть изготовлены из самых разнообразных материалов. Мембраны делятся на биологические и синтетические; последние, в свою очередь, подразделяются на органические и неорганические, причем важнейший класс мембранных материалов - это органические, а именно полимерные мембраны.

Полимеры - это высокомолекулярные вещества, построенные из большого числа повторяющихся, или мономерных, звеньев. Некоторые важные виды виниловых полимеров: полипропилен, полибутилен, полистирол, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил, поливинилхлорид, полиметакрилат, поливинилпирродидон.

Большой класс полимеров - полиэлектролы, содержащие ионогенные группы. Такие полимеры используются как мембранные материалы главным образом в процессах, в которых движущей силой является разность электрических потенциалов, например в электродиализе. Они могут быть также использованы в других мембранных процессах, таких, как микрофильтрация, ульртафильтрация и первапорация.

Наиболее известным классом гидрофильных полимеров является целлюлоза и ее производные. Целлюлоза - это полисахарид, который может быть получен из растительного сырья. Целлюлоза и ее производные используются не только для микрофильтрации и ультрафильтрации, но также и для обратного осмоса, газоразделения и диализа. Она представляет собой очень важный класс основных материалов для мембран.

Другим классом мембранных полимеров являются полиамиды. Для этих полимеров характерно наличие амидной группы (-CO-NH-). Полиамиды имеют преимущества в качестве мембранных материалов из-за высокой механической, химической и термической устойчивости, а также их свойств по проницаемости и селективности, особенно в процессах обратного осмоса.

Полисульфоны и полиэфирсульфоны. Полисульфоны имеют высокую химическую и термическую стабильность. Эти полимеры широко используются как базовые материалы для ультрафильтрационных мембран и как подложки для композиционных мембран.

Важной группой полимеров являются полиимиды. Они имеют высокую термическую стабильность в сочетании с хорошей химической стабильностью.

Полимеры, которые не содержат атомов углерода в основной цепи называются неорганическими. К наиболее важным из этих полимеров относятся полисилоксаны, или силиконовые каучуки, которые содержат в цепи кремний, а не углерод. Другая группа неорганических полимеров - это полифосфазены, которые содержат фосфор в основной цепи. Классификация по типу неорганических материалов позволяет выделить три вида часто используемых мембран: керамические, стеклянные и металлические.[1]

Металлические мембраны получают спеканием металлических порошков (например, вольфрама или молибдена).

Керамические материалы мембран представлены соединениями металлов (алюминий, титан, цирконий и т.д.) с неметаллами в виде оксидов, нитридов или карбидов. Как наиболее важные могут быть отмечены оксид алюминия (Al2O3) и оксид циркония (ZrO3). Такие мембраны могут использоваться до 800°C. Керамические мембраны в большинстве случаев являются гидрофильными. Следовательно, они могут быть успешно применены для осушки различных органических соединений. Данные мембраны эффективны для выделения воды из смесей с самыми различными органическими жидкостями.

Стеклянные мембраны ( оксид кремния, SiO2) обладают термической, химической и механической стабильностью неорганических мембран.

Химическая стабильность неорганических материалов существенно выше. Они могут применяться при любых pH и в разных растворителях. Другим важным фактором является более легкая очистка неорганических мембран, особенно в таких условиях высокого загрязнения, какие встречаются в микрофильтрации и ультрафильтрации. Для неорганических мембран могут быть использованы все виды моющих агентов, что позволяет применять сильные кислоты и щелочи.

Мембраны делят на пористые и непористые. Мембраны с открытой пористостью применяются в микрофильтрации и ультрафильтрации, непористые применяются в газоразделении и первапорации. Важными факторами при выборе материала являются химическая и термическая устойчивость мембраны. Для второй группы полимеров, которая используется для газоразделения и первапорации, выбор материала напрямую определяет транспортные характеристики мембраны: селективность и проницаемость. Выбор материала зависит в большей степени от типа применения, и спектр используемых полимеров может простираться от эластомеров до стеклообразных полимеров.

В последние годы ведется активный поиск новых типов полимерных матриц. Известно о применении полисульфоновых полимеров, полиэфирэфиркетонов, полиариленсульфамидных матриц для получения гомогенных мембран с катионообменными функциями.[4]

 

1.4 Перспективы

Мембранные методы считаются передовыми в химическом производстве и широко используются для очистки, изменения концентрации и разделения жидких смесей. В промышленности мембранные технологии используются в качестве составляющих, как в простых, так и в многостадийных процессах.

Обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, нанофильтрация - широко известные мембранные процессы, в которых движущей силой является градиент давления. Эти процессы происходят при применении микропористых мембран в различном техническом оформлении. Создание непористых полимерных мембран привело к развитию новых технологий разделения веществ, таких как газоразделение, мембранная дистилляция, первапорация и др. Одним из самых перспективных является относительно новый мембранный метод, получивший название «первапорация», который представляет собой процесс разделения жидких смесей, при котором исходная жидкость контактирует с непористой полимерной мембраной. Компоненты смеси селективно проникают через нее с различными скоростями, что и позволяет им разделяться. Фракции разделенного вещества удаляются с противоположной стороны мембраны потоком инертного газа или в виде пара с помощью вакуумирования. Процесс первапорации обладает значительными преимуществами перед другими методами разделения веществ, так как является низкоэнергоемким, безотходным, экологичным способом разделения различных смесей: азеотропных (неразделяемых дестиляцией), изомеров, а также близкокипящих, термически - и химически неустойчивых веществ. Это делает первапорацию привлекательной для химической, нефтехимической, биохимической, фармацевтической промышленности. Хотя механизмы первапорации являются на сегодняшний день недостаточно изученными, эти мембранные процессы имеют довольно широкую область применения. Исследование процесса первапорации ведется в нескольких направлениях: разработка теории и моделирование процесса, поиск и изучение новых материалов для первапорационных мембран, конструирование более эффективных мембранных модулей и первапорационных установок. В настоящее время существуют промышленные первапорационные установки для глубокой очистки спиртов и других растворителей, а также для удаления небольших количеств органических соединений из загрязненных вод (контроль загрязнений). Процесс первапорации практически не используется в биологии и фармакологии. Изучение механизмов действия мембран подобного типа открывает широкие перспективы развития мембранных технологий и, следовательно, расширяет области применения их в фармакологии.

Метод электродиализа широко применяется в настоящее время. Этот метод является перспективным для очистки сточных вод от растворенных солей, радиоактивных загрязнений. Это дает возможность использовать не только очищенную воду, но и сконцентрированные вещества: кислоту, щелочь.

Несомненно, метод электродиализа является перспективным и для очистки сточных вод от растворенных электролитов, однако во всех случаях использования данного метода необходимо учитывать возможность засорения мембран взвешенными и коллоидными веществами.

Самый многообещающий и пока недоиспользуемый вариант применения микрофильтрации в молочной промышленности - это отделение казеина от сывороточных белков. При этом производится обогащенный казеином концентрат молока, который можно применять для сыроделия, и очищенный от жира раствор сывороточных белков, из которого с помощью ультрафильтрации можно изготовить концентрат сывороточного белка.

Мембранные установки стали все больше и больше использоваться в быту. Это стало возможным благодаря научным и технологическим достижениям.

Круг применения мембранной технологии достаточно обширен. Она используется для получения соли из морской воды (например, в Японии, в которой нет естественных месторождений соли и которая закупается в других странах), и для переработки молочной продукции (выделение сыворотки при изготовлении сыра), и как в спиртовом, так и дрожжевом производстве, и для очистки сточных вод, которые есть почти в любом производстве.

Они улучшают эффективность технологических процессов, экономичны, быстродейственны и перспективны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Большинство традиционных способов получения воды питьевого качества обладают целым рядом существенных недостатков: значительное колебание качества очищенной воды; большие габариты и ресурсоёмкость оборудования; возможность образования опасных канцерогенов при обеззараживании хлорсодержащими реагентами; потребление больших количеств дорогостоящих химических реагентов, а также необходимость в организации их хранения и приготовления. Вышеперечисленных недостатков лишен ультрафильтрационный мембранный метод очистки воды (ультрафильтрация), применяемый для получения питьевой воды в промышленности и коммунальном хозяйстве непосредственно из поверхностного источника. Качество очищенной воды после обработки на ультрафильтрационной мембране стабильно хорошее независимо от состава исходной воды и безопасна по микробиологическим показателям.

Но метод ультрафильтрации эффективен в основном при удалении примесей природного происхождения. За последние десятилетия значительно возросло количество техногенных загрязняющих веществ, которые не всегда могут быть удалены из воды отстаиванием и фильтрованием. По новым санитарным нормативам насчитывается около 1000 контролируемых химических веществ.