Мембранные методы разделения и концентрирования
Описание файла
Документ из архива "Мембранные методы разделения и концентрирования", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физическая химия" из 4 семестр, которые можно найти в файловом архиве МПУ. Не смотря на прямую связь этого архива с МПУ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "физическая химия" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Мембранные методы разделения и концентрирования"
Текст из документа "Мембранные методы разделения и концентрирования"
Исследование процессов разделения с использованием молекулярных сит позволило выделить мембранный метод, как наиболее перспективный для тонкой очистки. Этот метод, характеризуется высокой четкостью разделения смесей веществ. Полупроницаемая мембрана - перегородка, обладающая свойством пропускать преимущественно определенные компоненты жидких или газообразных смесей. Широко мембранный метод используют для обработки воды и водных растворов, очистки сточных вод, очистки и концентрации растворов.
Мембраны
Процессы мембранного разделения зависят от свойств мембран, потоков в них и движущих сил. Для этих процессов также важен характер потоков к мембране со стороны разделяемых сред и отвода продуктов разделения с противоположной стороны.
Принципиальное отличие мембранного метода от традиционных приемов фильтрования - разделение продуктов в потоке, т.е. разделение без осаждения на фильтроматериале осадка, постепенно закупоривающего рабочую пористую поверхность фильтра.
Основные требования, предъявляемые к полупроницаемым мембранам, используемым в процессах мембранного разделения, следующие:
-
высокая разделяющая способность (селективность);
-
высокая удельная производительность (проницаемость);
-
химическая стойкость к действию среды разделяемой системы;
-
неизменность характеристик при эксплуатации;
-
достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортировки и хранения мембран;
-
низкая стоимость.
Для разделения или очистки некоторых нетермостойких продуктов применение мембранного метода является решающим, так как этот метод работает при температуре окружающей среды.
В то же время мембранный метод имеет недостаток - накопление разделяемых продуктов вблизи рабочей поверхности разделения. Это явление называют концентрационной поляризацией, которая уменьшает проникновение разделяемых компонентов в пограничный слой, проницаемость и селективность, а также сокращает сроки службы мембран.
Для борьбы с этим явление проводят турбулизацию слоя жидкости, прилегающего к поверхности мембраны, чтобы ускорить перенос растворенного вещества.
Для мембран используют разные материалы, а различие в технологии изготовления мембран позволяет получить отличные по структуре и конструкции мембраны, применяемые в процессах разделения различных видов.
Процессы, возникающие при разделении смесей, определяются свойствами мембран. Необходимо учитывать молекулярные взаимодействия между мембранами и разделяемыми потоками, физико-химическую природу которых определяет скорость переноса. Эти взаимодействия с материалом мембран отличают мембранный метод от микроскопических процессов обычного фильтрования.
Мембранные методы отличаются типами используемых мембран, движущими силами, поддерживающими процессы разделения, а также областями их применения.
Существуют мембранные методы шести типов:
микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления;
ультрафильтрация - процесс мембранного разделения жидких смесей под действием давления, основанный на различии молекулярных масс или молекулярных размеров компонентов разделяемой смеси;
обратный осмос - процесс мембранного разделения жидких растворов путем проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного раствору давления, превышающего его осмотическое давление;
диализ - процесс мембранного разделения за счет различия скоростей диффузии веществ через мембрану, проходящий при наличии градиента концентрации;
электродиализ - процесс прохождения ионов растворенного вещества через мембрану под действием электрического поля в виде градиента электрического потенциала;
разделение газов - процесс мембранного разделения газовых смесей за счет гидростатического давления и градиента концентрации.
В ряду технологических приемов, используемых для разделения смесей по размерам частиц, мембранным методам уделяют большое значение. Выбор процесса для применения в заданной области разделения смесей зависит от различных факторов: характера разделяемых веществ, требуемой степени разделения, производительности процесса и его экономической оценки.
Промышленное использование процессов мембранного разделения требует надежного, стандартного и технологического оборудования. Для этой цели в настоящее время применяют мембранные модули, которые компактны, надежны и экономичны. Выбор конструкции модуля зависит от вида процесса разделения и условий эксплуатации в промышленных установках.
Характеристика синтетических мембран
Тип | Материал | Структура | Метод | Применение |
Керамические и металлические | Глина, силикагель, алюмосиликат, графит, серебро, вольфрам | Микропоры с диаметром от 0,05 до 20 мкм | Плавление и спекание керамических или металлических порошков | Фильтрование при повышенных температурах, разделение газов |
Стеклянные | Стекло | Микропоры с диаметром от 10 до 100 мкм | Вывод растворимой в кислоте фазы из двухкомпонентной стеклянной смеси | Фильтрование суспензий и воздуха |
Спеченные полимерные | Политетрафторэтилен, полиэтилен, полипропилен | Микропоры с диаметром от 0,1 до 20 мкм | Плавление и спекание полимерного порошка | Фильтрование суспензий и воздуха |
Протравленные | Поликарбонат, полиэфир | Микропоры с диаметром от 0,02 до 20 мкм | Облучение полимерной пленки и травление кислотой | Фильтрование суспензий и биологических растворов |
Симметричные микропористые с обратной фазой | Целлюлозные эфиры | Микропоры с диаметром от 0,1 до 10 мкм | Литье полимерного раствора и осаждение полимера осадителем | Стерильное фильтрование, очистка воды, диализ |
Асимметричные | Целлюлозный эфир, полиамид, полисульфон | Гомогенная или микропористая, «покрытие» микропористой подложки | Литье полимерного раствора и осаждение полимера осадителем | Ультрафильтрация и разделение обратным осмосом молекулярных растворов |
Составные | Целлюлозный эфир, полиамид, полисульфон | Гомогенная полимерная пленка на микропористой подложке | Осаждение тонкой пленки на микропористой подложке | Обратный осмос, разделение молекулярных растворов |
Гомогенные | Силиконовый каучук | Гомогенная полимерная пленка | Экструзия гомогенной полимерной пленки | Разделение газов |
Ионообменные | Поливинилхлорид, полисульфон, полиэтилен | Гомогенная или микропористая полимерная пленка с положительно или отрицательно заряженными фиксированными ионами | Погружение ионообменного порошка в полимер или сульфанирование и аминирование гомогенной полимерной пленки | Электродиализ, обессоливание |
Промышленные процессы разделения с использованием мембран
Процесс | Мембрана | Движущая сила | Метод разделения | Применение |
Микрофильтрация | Симметричная микропористая мембрана с радиусом пор от 0,1 до 10 мкм | Гидростатическое давление от 0,01 до 0,1 МПа | Сетчатый механизм, обусловленный радиусом пор и адсорбцией | Стерильное фильтрационное осветление |
Ультрафильтрация | Асимметричная микропористая мембрана с радиусом пор от 1 до 10 мкм | Гидростатическое давление от 0,05 до 0,5 МПа | Сетчатый механизм | Разделение макромолекулярных растворов |
Обратный осмос | Асимметричная мембрана типа «оболочки» | Гидростатическое давление от 20 до 10 МПа | Механизм диффузии раствора | Отделение солей и микрорастворенных веществ от растворов |
Диализ | Симметричная микропористая мембрана с радиусом пор от 0,1 до 10 мкм | Градиент концентрации | Диффузия в конвективном свободном слое | Отделение солей и микрорастворенных веществ от макромолекулярных растворов |
Электродиализ | Катионо-анионообменные мембраны | Градиент электрического потенциала | Электрический заряд и размер | Обессоливание ионных растворов |
Разделение газов | Гомогенный или пористый полимер | Гидростатическое давление, градиент концентрации | Растворимость, диффузия | Разделение газовых смесей |
Микрофильтрация
Микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления. Размер разделяемых частиц от 0,1 до 10 мкм. Микрофильтрация - переходный процесс от обычного фильтрования к мембранным методам.
Для микрофильтрации используют мембраны с симметричной микропористой структурой. Размеры пор от 0,1 до 10 мкм. Мелкие частицы растворенного вещества и растворитель проходят через мембрану, а концентрация задерживаемых частиц возрастает. Поток раствора вдоль разделительной мембраны позволяет удалять концентрированный слой, примеси твердых частиц и других образований, от которых была необходимость освободить раствор и растворитель. Прошедший через мембрану растворитель выносит микровключения, которые направляют на технологические линии для разделения в следующих циклах.
Широко мембранный метод микрофильтрации используют при разделении суспензий, эмульсий и очистке загрязненных механическими примесями промышленных сточных вод, а также при получении стерильных растворов.
Применяемые для микрофильтрации мембраны имеют пористую структуру и действуют как глубокие фильтры. Удерживаемые частицы осаждаются внутри мембранной структуры. Концентрационная поляризация при микрофильтрации относится к учитываемому явлению. Для удаления осаждающихся частиц с поверхности микрофильтрационной мембраны используют приемы специального воздействия: поперечный поток, обратная промывка, ультразвуковая вибрация.
Долговечность мембран зависит от химической стойкости материала, из которого они сделаны.
Микрофильтрацию осуществляют в аппаратах плоскорамного типа. При промышленном использовании микрофильтрации обычно применяют горизонтальные пластинчатые системы или патронные фильтры; наиболее распространены рамные фильтр-прессы. В качестве патронных фильтров применяют гофрированный мембранный патрон, расположенный в корпусе, рассчитанном на работу под давлением. Исходный раствор поступает в фильтр со стороны корпуса, продукт собирается в центральной трубе, которая уплотнена с корпусом прокладкой. При постоянном гидростатическом давлении производительность фильтра постепенно уменьшается до значения, при котором дальнейшая эксплуатация становится неэкономичной и фильтр заменяют.
Основные параметры микрофильтрации | |
Мембраны | Асимметричные или симметричные, пористые |
Толщина, мкм | 10-150 |
Размер пор, мкм | 0,05-10 |
Движущая сила (перепад давлений), бар | не более 2 |
Принцип разделения | ситовый механизм |
Мембранные материалы | Полимеры, керамика, металл |
Сравнительная характеристика аппаратов различных типов
Тип | Преимущества | Недостатки |
Фильтр-пресс | Небольшой объем воды в аппарате на единицу поверхности мембраны, надежность и простота конструкции, небольшая занимаемая площадь пола | Возможность образования застойных зон, труднодоступен для чистки, небольшая плотность укладки мембран в аппарате до 150 м2/м3, ручная сборка |
Фильтр-пресс с узкими переточными каналами | То же, удобство работы с вязкими растворами за счет повышения линейной скорости потока, смазывающего мембрану | То же, возможность образования пробок, плотность укладки мембран до 200-250 м2/м3 |
Трубчатые с прямыми трубами | Простота очистки, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность эффективного снижения концентрационной поляризации, возможность замены отдельных трубчатых элементов | Большой объем воды в аппарате, сравнительно высокая стоимость, большие габариты и занимаемая площадь пола, плотность укладки мембран 160-200 м2/м3 |
С трубами, свернутыми по спирали | Тоже, кроме простоты очистки | Тоже, кроме больших габаритов |
Рулонные | Низкие капитальные затраты, плотность укладки мембран до 650 м2/м3 , небольшая занимаемая площадь пола, небольшой объем воды в аппарате | Возможность образования пробок, трудность очистки, повышенное гидравлическое сопротивление |
С полыми волокнами | Минимальная стоимость, максимальная плотность укладки мембран (до 16500 м2/м3), небольшой объем воды в аппарате | Трудность работы на загрязненных жидкостях, трудность очистки, возможность образования пробок, высокие требования к предварительной водоподготовке, повышенное гидравлическое сопротивление, значительно более низкая удельная производительность мембран |
Ультрафильтрация