Тема 37 . Технологии и оборудование мембранных технологий. Область применения.

Сущность и области применения мембранных технологий. Аппаратное обеспечение мембранных технологий.

Мембранная технология - новый принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.

Мембранные технологии интенсивно используются во многих отраслях. В химической промышленности - для разделения эмульсий и концентрирования растворов, отделения высокомолекулярных продуктов от низкомолекулярных, разделение смесей газов и т.д. В медицинской промышленности мембраны позволяют выделять и очищать вакцины, используются в аппаратах типа “искусственное лёгкое”. В пищевой промышленности мембранные технологии применяются для концентрирования соков, приготовления высококачественного сахара, получения высококачественных белков из отходов молочного производства и т.д.

По сравнению с традиционными процессами разделения неоднородных систем мембранная технология выгодно отличается высокой энерго- и ресурсоэкономичностью, простотой аппаратурного оформления, экологической чистотой.

Технологические особенности мембранного разделения неоднородных систем

В наиболее общем виде мембрану определяют как область, разграничивающую две фазы. Слово “мембрана” имеет латинское происхождение (membrana) и означает кожица, перепонка. В технологии под словом “мембрана” мы будем понимать перегородку, обладающую различной проницаемостью по отношению к отдельным компонентам жидких и газовых неоднородных смесей.

При внешнем сходстве процессов фильтрования и мембранного разделения (рис. 7.1) между этими процессами есть принципиальное отличие. В ходе фильтрования хотя бы один из компонентов газовой или жидкой смеси задерживается и фиксируется внутри фильтрующей перегородки. Это приводит к тому, что перегородка постепенно забивается и осуществление процесса фильтрования на ней без очистки делается практически невозможным. В отличие от фильтра мембрана не фиксирует в себе ни один из компонентов разделяемой жидкой или газовой смеси, а только делит первоначальный поток на два, один из которых обогащён по сравнению с исходным каким-то компонентом. Такой принцип действия мембраны делает её способной к практически неограниченному сроку службы, без заметного изменения в эффективности разделения смесей.

В качестве основных признаков классификации мембран рассматривают: материал, из которого они изготовлены; структуру; механизм мембранного действия и области применения мембран.

В зависимости от материала, из которого изготавливают мембраны, их делят на полимерные, металлические, стеклянные, керамические или композиционные.

По структуре мембраны делят на пористые и сплошные. Примерами пористых могут служить прессованные порошки металлов, керамики, стекла и полимеров, подвергнутые специальной обработке. К сплошным мембранам относят металлические, стеклянные и полимерные плёнки, трубки, полые структуры и т.д.

По механизму мембранного действия различают диффузионные, адсорбционные и ионообменные мембраны.

В зависимости от области применения выделяют мембраны для обессоливания воды, для получения питьевой воды и воды высокой степени чистоты, для очистки сточных вод, для фармацевтической и микробиологической промышленности, для медицины, пищевой промышленности, для замкнутых систем жизнеобеспечения, для разделения органических смесей и т.д.

Приведённая классификация мембран, не претендуя на полноту, даёт представление о многообразии мембранных процессов и сложности выбора подходящей мембраны для решения конкретной задачи.

Основные разновидности мембранных процессов и их характеристика

В зависимости от агрегатного состояния разделяемой смеси, движущей силы процесса разделения, размеров частиц компонентов и механизма разделения различают несколько разновидностей мембранных процессов:

- диффузионное разделение газов;

- разделение жидкостей методом испарения через мембрану;

- баромембранные процессы разделения жидких смесей;

- электродиализ.

Диффузионное разделение газов основано на различной проницаемости мембран для отдельных газовых смесей. В качестве мембран для осуществления диффузионного разделения газовых смесей используются как сплошные, так и пористые мембраны с размерами пор меньшими, чем длина свободного пробега молекул газов при заданном давлении. Движущей силой процессов диффузии компонентов является разность их концентраций на противоположных поверхностях мембраны.

Диффузионное разделение газов сегодня является наиболее крупномасштабным и экономичным методом и широко используется для получения урана-235, являющегося ядерным топливом, широко используется для создания аппаратов “искусственное лёгкое”, при производстве водорода, выделении гелия из состава природных и нефтяных газов, является перспективным для выделения кислорода из воздуха, удаления диоксида углерода, воды и других компонентов из газовоздушных смесей в системах жизнеобеспечения людей в замкнутых пространствах, для создания контролируемой атмосферы, обогащённой диоксидом углерода, при хранении овощей и фруктов. Весьма перспективным является применение мембранных процессов для очистки газовых выбросов от диоксида серы. Решение этой задачи позволило бы внести существенный вклад в защиту окружающей среды и получать продукты, необходимые для народного хозяйства.

Разделение жидкостей методом испарения через мембрану основано на различной диффузионной проницаемости мембран для паров веществ. Движущей силой процесса является разность концентраций или давлений. Смесь жидкостей, находящихся в контакте с мембраной, нагревают, а пары, проникающие через мембрану, отводят с помощью вакуумирования или потоком инертного газа. Наиболее широко этот метод применяется при разделении азеотропных смесей, а также смесей веществ, имеющих невысокую термическую стабильность. Так, в полупромышленном масштабе осуществлено разделение водных растворов изопропилового, н-пропилового и н-бутилового спиртов, разделение смесей пиридин-вода, водных растворов капролактама, смеси изопропанола, этанола и воды.

Баромембранные процессы разделения жидких смесей на практике осуществляются под избыточным давлением и поэтому объединены в группу баромембранных.

Установки, работающие на принципе баромембранного разделения, уже сегодня широко используются для обессоливания морской и солёной вод, очистки сточных вод, извлечения ценных компонентов из разбавленных растворов, в пищевой промышленности для концентрирования сахарных сиропов, фруктовых и овощных соков, растворимого кофе, для получения ультрачистой воды для электронной промышленности, медицины и фармацевтики.

Если мембранный процесс применяют для отделения от идеального раствора крупных коллоидных или взвешенных микрочастиц размером 0,1…10 мкм, то его называют микрофильтрацией или мембранной фильтрацией.

Микрофильтрация нашла широкое применение в микробиологической промышленности при концентрации водных растворов ферментов, белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других веществ в химической, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности для очистки сточных вод.

Микрофильтрация используется для концентрирования тонких суспензий, осветления растворов, очистки сточных и природных вод при проведении обессоливания морской воды.

Электролиз можно определить как перенос ионов через мембрану под действием электрического тока. При наличии мембран, избирательно пропускающих одни ионы и задерживающих другие, можно решать многочисленные задачи выделения ценных компонентов из растворов, обессоливания воды, снижения жёсткости, электролиза растворов. Среди наиболее перспективных областей применения электродиализа, наряду с отмеченными перечислим концентрирование сбросных карбонат-сульфатных растворов и возврат их в технологический цикл; регенерацию растворов в гальванических производствах; очистку хлор- и медьсодержащих сточных вод, очистку сточных вод в производстве аммиачной селитры; деминерализацию глицерина на предприятиях, вырабатывающих туалетное мыло из нейтральных жиров; получение лимонной кислоты и многих химических реактивов.

Аппаратурное оформление мембранных процессов

Для быстрого и эффективного разделения жидких и газовых смесей необходимо иметь аппараты, которые бы удовлетворили целому ряду иногда противоречивых требований. Важнейшими из них являются следующие:

- большая рабочая поверхность мембран в единице объёма аппарата;

- высокая проницаемость мембран и их избирательность по отношению к компонентам смеси;

- удобство сборки, монтажа и обслуживания;

- герметичность и механическая прочность.

В зависимости от способа укладки мембран аппараты для мембранных процессов делят на аппараты с плоскими мембранными элементами, аппараты с трубчатыми мембранными элементами, аппараты с мембранными элементами рулонного типа и аппараты в виде полых волокон.

Положительной особенностью плоскокамерных элементов является простота их устройства и надёжность в работе. Недостатки связаны с трудоёмкостью изготовления, высокой металлоёмкостью, низкой плотностью укладки мембран в единице объёма, невысокой интенсивностью процесса мембранного разделения.

Преимуществами трубчатых разделительных аппаратов являются: невысокие требования к предварительной очистке разделяемых смесей; более высокая удельная поверхность мембраны в аппарате; лёгкость очистки поверхности мембран от осадков, более интенсивный режим работы.

К достоинствам рулонных элементов следует отнести: высокую плотность упаковки мембран в единице объёма; удобство монтажа и демонтажа разделительного элемента в аппарате; возможность предварительного контроля качества мембранной поверхности. К недостаткам рулонных разделительных элементов относится необходимость тщательной предварительной подготовки разделяемой смеси, что удорожает процесс мембранного разделения.

Основными достоинствами разделительных аппаратов с полыми волокнами являются высокая удельная производительность, простота устройства и эксплуатации, однако и большая стоимость.

Таблица 19.1. Характеристика некоторых установок мембранного разделения жидкостей и газов

Тип разделительного элемента	Производительность куб.м/сутки	Назначение
1. Плоскокамерный	до 6000	Очистка сточных вод, опреснение солёных вод
2. Трубчатый	0,5…120	Микрофильтрация растворов
3. Рулонный	до 3000	Опреснение солёных вод, концентрирование растворов
4. Элемент из волокна	до 1400	Опреснение солоноватых вод, концентрирование и очистка стоков, получение ультрачистой воды

В таблице 19.1. приведена сравнительная характеристика разделительных аппаратов, используемых в мембранной технологии. Выбор того или иного из них решается в каждом конкретном случае в зависимости от природы разделяемой системы, требуемого количества очищенного компонента, степени его чистоты, доступности аппарата и многих других факторов.

Аппарат для мембранного разделения с плоскими элементами

Мембранная установка с трубчатыми элементами