Общая характеристика баромембранных методов

Юферева Л.Л., Ефремов Г.И.

МГОУ имени В.С. Черномырдина

Баромембранные методы (БМ) – современный инструмент реализации ряда приоритетных направлений развития науки, технологий и техники, их практическое значение связано, прежде всего, с решением глобальных проблем, стоящих перед человечеством в XXI в.: создание высоких технологий, обеспечение безопасности проживания, производство экологически чистых продуктов питания, высококачественной питьевой воды, а также формирование должного баланса между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды.

С помощью БМ процессов удается охватить практически весь диапазон возникающих разделительных задач: от самых тонких – концентрирования изотопов урана методом газовой эффузии – до относительно «грубых» – микрофильтрационной очистки жидкостей от взвешенных частиц субмикронных размеров.

Движущей силой БМ процессов является перепад давлений. Под влиянием приложенного давления, растворитель и молекулы некоторых растворенных веществ проникают через мембрану, тогда как другие молекулы или частицы в различной мере задерживаются мембраной.

В число БМ процессов входят микрофильтрация (МФ), ультрафильтрация (УФ), обратный осмос.

Микрофильтрация – это БМ процесс разделения, в котором мембраны не пропускают частицы и растворенные макромолекулы размером свыше 0,1 мкм,рабочее давление процесса 0,03–0,1 МПа. МФ присущ ситовой или экранный механизм разделения, соотношение размеров частиц и размера пор (практический, без учета гидратации) являются величинами одного порядка. Размеры пор в микрофильтрации варьируются от 10 до 0,05мкм.

Ультрафильтрация– процесс мембранного разделения растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений (размер частиц 0,001–0,02 мкм; давление 0,1 – 1,0 МПа), а также их фракционирования и концентрирования. При УФ на ситовой механизм накладывается явление гидратации. Для УФ мембран сопротивление локализуется в верхнем слое, а нижний слой выполняет лишь функцию подложки.

Обратный осмос - БМ разделение истинных растворов (размер частиц 0,0001–0,001 мкм; давление 0,15 – 4,0 МПа). Он заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающим осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживаю­щие молекулы либо ионы растворенных веществ. В основе опи­сываемого метода лежит явление осмоса — самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление, при котором наступает равно­весие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет происходить в об­ратном направлении, что нашло отражение в названии про­цесса «обратный осмос».

Несмотря на сравнительно высокие рабочие давления, обратный осмос оказывается энергетически выгоднее большинства других массообменных процессов и даже многокорпусного выпаривания. Обратноосмотический процесс протекает без фазовых превращений, что также позволяет снизить затраты энергии на разделение до минимальной термодинамической энергии.

Обратный осмос используется для обессоливания растворов и получения особо чистой воды, в промышленности стал применяться после 1962 г., когда С.Лоэб и С.Соурираджан получили асимметричные ацетилцеллюлозные мембраны, состоящие из тонкого и плотного активного слоя с узкими порами и толстого слоя с широкими порами.

Многочисленными исследованиями было установлено, что эффект разделения в обратном осмосе может быть объяснён лишь с учетом сложных физико-химических взаимодействий между молекулами растворителя и растворённого вещества с мембраной.

Для обеспечения качественной и стабильной работы обратноосмотических мембран в течение длительного периода эксплуатации необходимо обеспечить высокий уровень предварительной очистки, т.к. образование аморфного осадка - геля на поверхности полупроницаемой мембраны резко ухудшает условия её работы.

Помимо качественной предварительной очистки необходимо своевременно проводить химическую очистку мембран, для удаления загрязнений с поверхности, образующихся в процессе эксплуатации.

Список литературы.

1. Дубяга В.П., Поворов А.А. Мембранные технологии для охраны окружающей среды и водоподготовки // Крит. технологии. Мембраны. 2002. № 13. С. 3–10.

2. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. М.: Химия, 1986. 272 с.

3. Колзунова Л.Г. Баромембранные процессы разделения: задачи и проблемы.

4. Мулдер М. Введение в мембранную технологию / под ред. Ю.П.Ямпольского, В.П.Дубяги. М.: Мир, 1999. 513 с.

5. Свитцов А.А. Основы проектирования производств, использующих мембранное разделение. Учебное пособие – М:РХТУ им.Д.И.Менделеева, 2007.