Кинетика процесса разделения растворов методом обратного осмоса с использованием ацетатцеллюлозных и боросиликатных мембран (1095032), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Комплексные решения. (Левинтерскиечтения)», Самара, 2009 г.; Всероссийской научно-практической конференциимолодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий»,Саратов, 2009 г.; Юбилейном XX Международном научном симпозиуме«Неделя Горняка – 2012», Москва, 2012 г.Степень достоверности и обоснованности научных положений ирезультатовисследования.Достоверностьполученныхрезультатовобеспечивалась использованием современных взаимодополняющих научноисследовательскихметодов,стандартныхметодикиоборудования.Обоснованность результатов исследований базировалась на согласованностиданных,полученныхэкспериментальнымиметодамиииспользовании8принятых в мировой научной практике теоретических положений при ихтрактовке.Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 11 печатныхработ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.Структура и объѐм работы. Диссертационная работа изложена на 153страницах, содержит 39 рисунков, 2 таблицы. Диссертация состоит из введения,4 глав, выводов, списка литературы и 4 приложений.Личный вклад автора. Непосредственное участие на всех этапах работы:постановка целей и задач работы, планирование эксперимента, выполнениеэкспериментальныхисследований,анализэкспериментальныхобсуждение полученных результатов, формулировка выводов.данных,9ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОРФизико-химический метод разделения растворов с помощью мембран, какизвестно, приводит к тому, что число молекул растворителя, переходящих израствора меньшей концентрации в раствор большей концентрации, превышаетчисло молекул, движущихся в обратном направлении.Витогеэтогоявления,называемогоосмотическим,получаетсярезультирующий поток растворителя от раствора менее концентрированного краствору более концентрированному.
Поток растворителя можно уменьшить,создавая давление над концентрированным раствором.Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим.Величина осмотического давления π, для случая разбавленных растворов,определяется выражением:nRT xRT ,n p V(1.1)где n – число молей растворѐнного вещества; np – число молей растворителя,ΔV – объѐм одного моля растворителя, перенесѐнного через мембрану отконцентрированного к разбавленному раствору; R – газовая постоянная; Т –абсолютная температура; х – мольно-объѐмная концентрация растворѐнноговещества.Для сильных электролитов, диссоциирующих на ионы, осмотическоедавление подсчитывается по формуле: xRT ,(1.2)где ν – количество ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы;Φ – практический осмотический коэффициент.В общем случае осмотическое давление π определяется выражением: RTln a,V1(1.3)где V1 – парциальный объѐм растворителя; a – коэффициент активностирастворителя.10Когда давление, приложенное к раствору, превысит осмотическое,начинается переход растворителя из раствора.
Процесс перехода растворителяиз раствора через мембрану под давлением, превышающим осмотическое,называется обратным осмосом.Преимущество метода обратного осмоса состоит в том, что процессосуществляется при температуре окружающей среды, прост в аппаратурномоформлении, энергоѐмок, высокоэффективен.Технологические схемы переработки растворов методом обратного осмосасобираются для любых целей разделения из небольшого количества одних итех же составных частей и легко автоматизируется.Недостатком обратного осмоса является концентрационная поляризация.[1 - 4]. При этом на границе с мембраной увеличивается концентрация менеепроникающего вещества.
В результате возрастает сопротивление прохождениюфильтрата и резко снижается интенсивность процесса.Для устранения вредного влияния концентрационной поляризациинеобходимо турбулизировать граничный с рабочей поверхностью слойжидкости. Это ведѐт к увеличению расхода энергии.С учѐтом подбора пористых поверхностей принцип обратного осмосаможет быть применѐн при разделении многих однородных систем.На сегодняшний день процессы разделения с использованием мембранширокоиспользуютсядляпереработкираствороворганическихинеорганических веществ, для получения медицинских препаратов, опресненияводы, очистки сточных вод и др.
[1-15].Однако, несмотря на очевидную перспективность, освоение даннойтехнологии в России сопряжено с целым рядом проблем [16]:-недостаточностьассортиментаразнопористыхнаноматериалов,выпускаемых отечественной промышленностью в качестве мембран;- несовершенство, сложность и дороговизна технологий изготовлениямикропористых наноматериалов, которые используются для производствамембран;11-несоответствиепромышленныхсовременномуаппаратовимировомуустановокдляуровнюотечественныхпроцессовглубокогобаромембранного разделения;- существование проблемы гармоничного внедрения и адаптации научныхразработок в промышленность;- отсутствие надѐжных научно обоснованных методов расчѐта иконструированиявысокопроизводительныхпроцессовбаромембранногоразделения.В настоящее время понятие полупроницаемой перегородки представленодовольно широкой классификацией (рис.
1.1). Несмотря на то, чтопредставленные на рис. 1.1 процессы имеют много общего, их отличаютвеличины движущих сил и разница в размерах, разделяемых на молекулярномуровне компонентов истинных растворов [1 – 5]. Традиционно различаютмикрофильтрацию (МФ), ультрафильтрацию (УФ), нанофильтрацию (НФ) иобратный осмос (ОО). Высоконапорный обратный осмос (ВНОО) такжевыделен в отдельную группу из-за ряда особенностей, проявляющихся приотносительно высоких давлениях [17]. Данный процесс на сегодняшний деньизучен в наименьшей степени.В большинстве случаев под мембраной понимается поверхность разнойтолщины и разной степени жесткости с микропористой структурой. Следуетзаметить, что массоперенос через жидкие пленки, который осуществляются приотсутствии избыточного давления, не рассматривается в работе, поскольку подопределение «баропроцессы» процессы этого вида не попадают [18, 19].Мембраныможноклассифицироватьсогласнорис.1.1,ноданнаяклассификация не является единственной.
Замечено, что единая классификацияне может дать ясное и компактное представление о той или иной мембране, воснове изготовления которой лежат микропористые наноматериалы, имеющиесвойственную им индивидуальную классификацию. Содержательную картинупозволяетполучитьлишьрассмотрениеклассификаций по разным признакам.несколькихвзаимосвязанныхРис.
1.1 Классификация мембранных методов по размеру частиц и рабочему давлению.1213Так, например, все микропористые наноматериалы для изучаемыхбаропроцессовможноразделитьнаприродные(биологические)исинтетические. Синтетические микропористые наноматериалы, в свою очередь,делятся на органические и неорганические. Также следует различать пористыеи непористые (диффузионные) наноматериалы. Пористые наноматериалы чащеиспользуютсявмикро-,ультра-инанофильрации.Диффузионныенаноматериалы обычно применяются в обратном осмосе и газоразделении.Различают пористые наноматериалы для баропроцессов с анизотропной(асимметричной) или изотропной (симметричной) структурой.
По материалу ипроисхождению микропористые наноматериалы для баропроцессов бываютполимерные(нитроцеллюлоза,ацетилцеллюлоза,поливинилхлорид,фторуглерод и т.д.), керамические, металлокерамические, на основе пористогометалла, углеродных материалов и пористого стекла и др. Все их можноразделить на однородные по материалу и композиционные, состоящие изхимически неоднородных слоев.Существует и ряд других способов классификации мембран. Например, потехнологии получения, по форме исполнения и др.
В соответствии с текстом,приведенным в литературе [1 - 3] можно выделить ключевые характеристикиработы изучаемых мембран (рис. 1.2, а) и факторы, влияющие на этихарактеристики (рис. 1.2, б).Образованныйвпроцессесорбциидиспергированныхчастицнаповерхности пористых подложек микропористый слой не жесткой структурывыделяется, в соответствии с приведенными классификациями, в, такназываемые, динамически образованные мембраны. Обычно данный типсформированного нанослоя желеобразной структуры классифицируют взависимости от рода и свойств материала используемой для этих целейподложки. Замечено, что еслидинамически сформированные нанослоижелеобразной консистенции соответствуют требованиям, предъявляемым кочистке макромолекулярных размеров загрязняющих исходные растворыкомпонентов то, как правило, их использование оказывается экономическиэффективнее полимерных мембран [2, 20].14абРис.
1.2. Ключевые характеристики работы мембран (а)и факторы, влияющие на эти характеристики (б).15В настоящее время наибольшее применение получили полимерныемембраны для высокоэффективных разделительных процессов молекулярногоуровня. Вместе с тем, исследования показали, что если процесс проходит вагрессивных средах или при высоких температурах использование полимерныхнаноматериаловнеприемлемо.Всвязисэтимпоискматериаловсжесткоструктурной и устойчивой к агрессивным средам наноматериаловявляется актуальной задачей.Предварительные исследования показали, что поиск новых материаловнеобходимо осуществлять в секторе жесткоструктурных наноматериалов. Споявлением возможности использовать новые жѐсткопористые материалы,возникаетнеобходимостьвразработкеаппаратовсопределѐннымитребованиями. Геометрические формы классических или вновь разработанныхмембран в виде пленок, трубок или капилляров для работы при высокихдавлениях требуют разработки соответствующих эти формам ячеек дляпроведения исследований.Классификация аппаратов, в которую войдут аппараты с нового видажесткоструктурными наноматериалами, схематически приведена на рис 1.3, аосновные требования, предъявляемые к работе аппаратов, показаны на рис.
1.4.Каждый класс аппаратов в разных условиях может обладать какпреимуществами, так и недостатками относительно других аппаратов. Поэтомудля каждого конкретно взятого процесса согласно классификации подбираетсятакой аппарат, который в наибольшей степени подходит к данным условиямэксплуатации.Анализ классической литературы для расчѐта баромембранных процессовпозволил сделать вывод, что при проектировании промышленных установок,работающих при высоких давлениях исходных растворов, основное вниманиеуделяется изменению характеристик мембран под влиянием внешних факторов.Однакопрактикапоказывает,чтохарактеристикиразделениямогутсущественно меняться со временем даже при неизменных внешних факторах.При этом причины изменения характеристик разделения могут быть разными.16Рис.1.3.Классификацияразделения.аппаратовдляпроцессовбаромембранногоРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
