Мембраны и их назначение
Введение
Разработка в области мембранных технологий - это поистине
инновационная технология - она открывает новые горизонты, давая все большие и
большие возможности человеку в процессе его жизнедеятельности. Именно благодаря
этим технологиям стал возможным и был заметно упрощен процесс опреснения
морских вод, реальностью стала возможность получения каустической соли и хлора.
Благодаря им все это возможно уже сегодня. Сложно представить, насколько
прогресс продвинется в этом направлении уже завтра. Современные темпы развития
позволяют применять данную технологию в различных условиях, порой близких к
экстремальным. Широкий простор для мысли и творчества открывают инженерам
подобные технологии, позволяя создавать принципиально новые устройства и
значительно совершенствовать уже имеющиеся, но все инновационные технологии
требуют точного, методичного и кропотливого подхода. Несмотря на
астрономические скорости развития, уходят годы исследований. На то, чтобы
проект от приблизительных очертаний и чертежей приобрел конкретную форму,
обладал бы конкретными свойствами, порой могут уходить десятилетия. Также одним
из главных тормозящих факторов является повышенная финансовая требовательность,
проще говоря, подобные разработки требуют огромных финансовых вложений. И, несмотря
на всю перспективность средства, находятся не всегда. Но данная технология
процветает, и непременно развитие будет продолжаться, а сами технологии
непременно найдут применение и в других областях науки.
Актуальность темы подчёркивается тем, что мембранная
технология причисляется к технологиям будущего - энерго- и ресурсосберегающим,
экологически чистым. Уже сегодня на её основе решаются многие крупномасштабные
проблемы, такие как опреснение солоноватых и морских вод, получение
каустической соды и хлора. Однако прежде чем достичь сегодняшних рубежей по
эффективности применения мембранной технологии многие зарубежные фирмы вели
длительные научные исследования соответствующих процессов.
Целью данной работы является рассмотрение сущности мембран,
мембранных технологий и их применение.
Основные задачи работы:
Определить сущность, физико-химические свойства мембран
Определить сущность мембранных технологий, основные области
применения мембран.
1. Сущность мембран и мембранных технологий
Мембрана (в узком смысле этого слова) - это пленка, способная
тем или иным способом (в виде водяного пара через поры или с помощью диффузии
отдельных молекул через сам материал мембраны) транспортировать влагу через
себя по градиенту влажности воздуха (то есть в сторону, где водяного пара в
воздухе меньше). При этом сама по себе пленка практически не пропускает воду в
жидком виде против градиента концентрации водяного пара.
Мембрана (в широком смысле) - это
технологическая перегородка, обеспечивающая путем селективной проницаемости
разделение веществ без химических превращений, а в некоторых случаях и при
наличии целенаправленных химических превращений с помощью введенных в мембрану
катализаторов и ферментов.
Мембранная технология относится к
новейшему весьма перспективному направлению химической технологии. Все
мембранные методы разделения отличает простота установок, возможность
осуществлять процесс при обычных температурах, экономичность, простота
варьирования масштабов производства. Применение полупроницаемых мембран дает
значительный экономический эффект в традиционных производствах, открывает
широкие возможности для создания принципиально новых, простых и мало
энергоемких технологических схем, улучшает качество продукции и позволяет
использовать вторичные сырьевые ресурсы и отходы, обеспечивает эффективную
очистку сточных вод и газов[1].
Широкое развитие мембранной технологии
обусловлено, прежде всего, успехами науки по созданию материалов, обладающих
рядом уникальных свойств.
Мембранный процесс имеет кажущееся внешнее
сходство с процессом фильтрации. В ходе фильтрации хотя бы один из компонентов
смеси задерживается и фиксируется внутри или вблизи поверхности фильтра,
поэтому фильтр со временем отрабатывается, забивается, снижается его
производительность. Мембрана же обеспечивает разделение исходного потока смеси
на два, один из которых проходит через мембрану, а другой уносит часть
компонентов смеси на следующую ступень разделения или в сброс. Селективные
свойства мембраны обеспечивают изменения состава смеси в каждом из этих
потоков. Теоретически мембрана должна работать неопределенно долгое время, и на
практике удается обеспечить достаточно длительную эксплуатацию мембраны.
Мембрана работает не только как самоочищающийся фильтр, но и позволяет
использовать для осуществления процесса разделения, кроме градиента давления,
градиенты химического потенциала, температуры и электрического потенциала
(рисунок 1).
Рисунок 1 - Сравнительная схема фильтрации
и мембранного процесса
С технологической точки зрения для градиента электрического
потенциала не имеет принципиального значения, какой материал применяется в
качестве мембран: полимерная пленка; тонкая металлическая или керамическая
пластина; слой жидкости[1].
Кроме того, если раствор отделяется от
растворителя (или другого раствора) некоторым пространством, заполненным паром
растворенного вещества, то это пространство вместе с поверхностями раздела
может действовать как полупроницаемая мембрана - слой материала, который
вследствие своего строения обладает способностью пропускать одни частицы и
задерживать другие. Поэтому вакуум или газ также могут служить в качестве
мембран, типы которых представлены ниже.
Твердые:
поликристаллические (органические и
неорганические);
- монокристаллические (органические и неорганические).
Жидкие:
анионные;
катионные;
нейтральные.
Твердые мембраны должны быть:
высокопористыми;
в порах мембраны частицы должны быть в
виде ионов;
заряды должны быть фиксированы;
растворы электролитов, контактирующие с
мембраной, должны быть полностью диссоциированы.
Жидкие мембраны должны быть:
нерастворимыми во внешнем и внутреннем
растворах;
не должны смешиваться с внутренним и
внешним растворами;
вещество мембраны и растворы, ее
окружающие, должны быть в виде ионов.
Жидкие мембраны представляют собой
растворы ионообменных веществ в органических растворителях (иониты или
синтетические нейтральные соединения - природные, или синтетические полимеры,
ионит состоит из полимерного каркаса, в узлах которого находятся фиксированные
ионы, т.е. анионы или катионы, в порах каркаса циркулируют ионы
противоположного знака - противоионы) отделенные от водных растворов
нейтральными, пористыми перегородками (стеклянными или полимерными) [1]. Поры
нейтральной перегородки пропитаны раствором ионита, что обеспечивает
электролитический контакт фаз (рисунок 2).
Рисунок 2 - Схема жидкой
мембраны
В растворе электролита иониты способны
обменивать свои противоионы на ионы того же знака и заряда в строго
эквивалентных количествах. В зависимости от того, какой ионообменный раствор
используют в мембранах, жидкие мембраны разделяют на катионные, анионные,
нейтральные.
Мембранная технология - это новый принцип
организации процесса разделения. В зависимости от физического состояния
разделенных фаз (твердое, жидкое, газообразное) и от типа применяемых мембран
реализуются различные мембранные процессы. Рассмотрим наиболее важные из них.
Диализ - перенос растворенного
вещества через мембрану за счет градиента его химического потенциала по обе
стороны мембраны. Разделение веществ при диализе осуществляется за счет
различной скорости их диффузии через мембрану. Процесс используется для
отделения щелочи от коллоидной гемоцеллюлозы в производстве вискозы, для
выделения кислот из тривиальных растворов, очистки биологических растворов.
Недостатком процесса является низкая производительность[1].
Осмос - перенос растворителя через
мембрану из области с меньшей концентрацией раствора в область с большей
концентрацией. Движущая сила процесса - осмотическое давление растворителя.
Обратный осмос - разделение
истинных растворов при наложении на мембранную систему разности давлений,
превышающих осмотическое давление.
Ультрафильтрация - отделение
молекул или частиц, существенно различающихся по размерам, под действием
давления, приложенного к пористой мембране.
Разделение газов через мембраны осуществляется
за счет селективной проницаемости материала мембраны и, как правило,
сопровождается приложением к системе разности давления[1].
Обмен в системе газ - жидкость через
мембрану осуществляется за счет разности давлений и изменения агрегатного
состояния веществ. При использовании полимерных мембран в химической
промышленности осуществляется разделение жидких азеотропных смесей.
Особую область представляют процессы с
наложением на мембранную систему электрического поля - процессы мембранного
электролиза. При таких процессах осуществляется перенос растворенных
веществ через мембрану под действием электрического поля (электродиализ),
перенос растворителя через мембрану под действием электрического поля
(электроосмос), электрохимические реакции на электродах и взаимодействия
переносимых через мембрану компонентов с продуктами электродных реакций.
Мембранный электролиз достиг достаточно высокого технико-экономического уровня
и широко внедряется в промышленность[1].
Мембранная технология причисляется к технологиям будущего -
энерго- и ресурсосберегающим, экологически чистым.
2. Физико-химические свойства мембран,
структура и применение полимерных мембран
В различных отраслях промышленности, в том числе и пищевой,
выбор мембранной технологии для процессов очистки, разделения, концентрирования
или фракционирования растворов вещества всегда сопряжен с рациональным
использованием определенного типа мембран (ионообменных, обратноосмотических,
ультра- и микрофильтрационных), наиболее полно соответствующих особенностям
проводимого процесса и требованиям, предъявляемым как к исходному раствору, так
и получаемым фильтрату и концентрату. Для этих целей важно знать принципы
получения различных мембран, их физико-химические и разделительные свойства,
структурные особенности[2].
В различных процессах пищевой промышленности находят
применение ионообменные, обратноосмотические, ультра- и микрофильтрационные
мембраны, краткие характеристики которых представлены ниже.
Мембраны для электродиализа. Одним из методов удаления из
растворов ионизированных частиц (ионов, молекул) путем переноса их через
мембраны, которые можно классифицировать по химическому составу как
гетерогенные или гомогенные и по природе функциональных групп как
катионообменные и анионообменные.
К ионоообменным мембранам предъявляется ряд требований:
высокая избирательная проницаемость для ионов определенного сорта (только
катионов или анионов); высокая электрическая проводимость; водонепроницаемость
под давлением; высокая химическая и механическая стабильность; однородность и
малая степень набухания; стабильность геометрических размеров и формы мембраны
при её переходе из одной в другую ионообменную форму.
Гетерогенные мембраны. Получают их из смеси дисперсного
ионообменника (катионита или анионита) и полимерного связующего (как правило,
полиэтилена или других полиолефинов) [2]. Смесь компонентов, содержащую 60-65%
ионообменника, подвергают вальцеванию, прессованию при температуре, превышающей
температуру текучести связующего. Для увеличения прочности листы гетерогенных
мембран армируют капроновой или лавсановой тканью.
Кроме метода получения гетерогенных ионитовых мембран через
расплав связующего, существует способ введения дисперсии ионита в раствор
пленкообразующего полимера, так называемый лаковый или мокрый метод. Суспензию
ионита в растворе полимера, полученную этим методом, выливают на гладкую и
твердую подложку и испаряют растворитель. Лаковый метод получения гетерогенных
мембран не очень распространен, поскольку для его осуществления необходимы
большие количества органических растворителей. В связи с этим чаще применяют
пастовый метод, занимающий промежуточное положение между методами получения
мембран через расплав и раствор. Применяя пастовый метод, дисперсию ионита
смешивают с дисперсией полимера-связующего, набухшего в растворителе, который
после смешивания компонентов системы испаряется, причем часто при повышенных
температурах, что способствует улучшению слипания частиц полимера-связующего и
физико-механических свойств получаемых мембран[2].
Гомогенные ионообменные мембраны. Этот тип мембран, в которых
ионообменный компонент представляет собой сплошную непрерывную фазу, делится на
полимеризационные, поликонденсационные, активированные (полученные за счет
полимераналогичных превращений и прививки боковых цепей с функциональными
группами), интерполимерные и мозаичные.
В связи с тем, что поликонденсационные гомогенные мембраны
имеют низкие механические характеристики и малую химическую стойкость, они не
нашли широкого практического применения.
Полимеризационные гомогенные ионообменные мембраны получают
полимеризацией или сополимеризацией мономеров, содержащих ионогенные группы,
например, карбоксильные. Но учитывая сравнительно небольшой выбор ионогенных
мономеров, а также не всегда удовлетворительные физико-химические и
механические свойства мембран, получаемых в виде армированных или
неармированных пленок, этот метод не получил достаточного распространения.
Наиболее широко для получения гомогенных ионообменных мембран применяется метод
полимераналогичных превращений или привитой полимеризации ионогенного мономера
в заранее изготовленной полимерной матрице. Типичным примером реализации этого
метода является прививка к фторуглеродным полимерам полистирола с последующим
его сульфированием. Гомогенные мембраны, полученные этим способом, имеют
достаточно высокие электрохимические и физико-механические характеристики[2].
Мембраны для обратного осмоса, микро- и ультрафильтрации. Для
осуществления процесса баромембранного разделения раствора необходимы
полупроницаемая мембрана, способная задерживать одни компоненты и пропускать
другие, поддержание определенной разности давления по обе её стороны. Между
макроструктурой мембраны и величиной прилагаемого давления существует
определенная взаимосвязь: уменьшение размера пор в мембране, приводящее к
способности задерживать более мелкие частицы, требует использования более
высокого градиента гидродинамического давления. Исходя из этого, существующие
баромембранные методы условно разделяют на четыре группы: классическая
фильтрация, микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос[2].
Между химической (молекулярной) структурой полимера, методами
формирования, надмолекулярной и макроскопической структурами мембран
существует, хотя и очевидная, но достаточно сложная, а также неоднозначная
взаимосвязь. В свою очередь, между структурой мембраны и её свойствами, в том
числе физико-химическими, механическими и разделительными, также существуют
очевидные корреляции.
Установление взаимосвязей между структурой мембран и их
свойствами - теоретически и практически важная задача. Важнейшим структурным
фактором, влияющим на свойства формируемых полимерных мембран, является
химическое строение полимеров. Многообразие химического строения полимеров,
используемых для получения мембран, может быть сведено к разнице в полярности и
размере макромолекул. Полярность полимеров, зависящая от неравномерного
распределения электронных облаков по химическим связям, можно количественно
характеризовать по таким показателям, как плотность заряда, образование водородных
связей с различной энергией. От различий в полярности полимерных молекул
зависят значения их межмолекулярного взаимодействия и гибкости. Это, в свою
очередь (вместе с величиной молекулярной массы), сказывается на растворимости
полимеров, реологических и структурных характеристиках их концентрационных
растворов, т.е. в конечном итоге - на надмолекулярной и макроскопической
структурах мембран, их разделительных и других свойствах.
Важно отметить, что полярность макромолекул оказывает влияние
на взаимодействие разделяемых веществ с полимерной мембраной и, следовательно,
на их проницаемость. Полимерные мембраны с высокой степенью кристалличности
менее проницаемы, чем аморфные, поскольку кристаллическая фаза полимера плотно
упакованная, набухающая и нерастворяемая в разделимых средах. Повышение степени
кристалличности, зависящее для кристаллизующихся полимеров от условий
формирования мембран, снижает объем аморфной фазы, доступный для переноса
веществ, и удлиняет путь проникновения веществ через мембрану вследствие
увеличения его извилистости. Кроме того, соотношение кристаллической и аморфной
фаз в мембране определяет её механические свойства[2].
Степень кристалличности мембран определяется концентрацией
формовочного раствора, условиями испарения растворителя, осаждения и их отжига.
Эти факторы влияют на толщину и макроскопическую структуру слоев мембраны,
поэтому возможны различия в надмолекулярной структуре и соотношений аморфной и
кристаллической фаз в данных слоях.
Внутренние напряжения, возникающие в процессе формирования
мембран, способствуют упорядочению аморфных областей и возникновению
микротрещин на границе раздела аморфной и кристаллических фаз.
Полимерные мембраны имеют сложную макроскопическую структуру,
характеризующуюся существенными параметрами, оказывающими влияние на их
разделительные свойства. К ним относят общую и эффективную пористость, средний
диаметр пор и их распределение по размеру, форме, извилистость и ориентацию
пор. Существует ряд прямых и косвенных экспериментальных и расчётных методов
для определения приведенных характеристик макроскопической структуры мембран.
Безусловно, результаты, полученные при изучении некоторых характеристик
пористости мембран, не совпадают, так как учитывают различные свойства объекта
исследования, имеют определенные ограничения и погрешности[2].
3. Мембранная технология и природа
Вода, которую забирают для различных целей
из рек, озер и других источников расходуется далеко не рационально. Около
половины потребляемой воды используется на промывку полей. При поливе вода
испаряется, а содержащиеся в ней соли остаются в земле, в результате почва
засоляется и теряет плодородие. Чтобы его восстановить, поля приходится
промывать. При этом содержание солей в воде, использованной для промывки,
поднимается до 5-10 г./л (при максимально допустимой концентрации для питьевой
воды - 1 г/л). Вода растворяет в земле не только соли, но и пестициды,
дефолианты, т.е. все, чем человек обрабатывает поля, чтобы увеличить
урожайность. Отработанную промывную воду сбрасывают в низины, где она образует
огромные озера, а затем просачивается в колодцы и другие источники, откуда люди
берут воду. Использование подобной воды экологически опасно и приводит к
серьезным заболеваниям. Но в бассейне Арала не хватает даже и такой воды; ее
потребление в 5-6 раз ниже нормы. Причин аральской катастрофы несколько, но
главная из них - резкое сокращение речного стока. Выход один - вернуть в оборот
накопившиеся после промывки полей коллекторно-дренажные воды: тогда можно будет
брать из рек значительно меньшую часть их стока. Для этого необходимо опреснить
эти воды, извлечь из них лишнюю соль. В данном случае наиболее пригодны и
экономичны мембранные методы[1].
Мембраны-опреснители. Мембраны, с помощью
которых опресняют воду, бывают двух видов - катионитовые и анионитовые.
Катионитовая мембрана - это тонкая (0,5 мм) полиэтиленовая пленка, при
изготовлении которой в полиэтилен был добавлен порошок катионита, например
марки КУ-2, представляющего собой сульфированный сополимер стирола и
дивинилбензола:
По такому же принципу устроены и
анионитовые мембраны, только в них роль фиксированных ионов играют группы
четвертичного аммониевого основания.
Естественно, свойства у них противоположные - в водном
растворе соли мембрана заряжается положительно и отталкивает катионы.
Другими словами, и катиониты, и аниониты
обладают униполярной проводимостью: каждый из них может пропускать только одну
разновидность ионов, а другую задерживает.
Такую их способность и используют для
опреснения воды. При этом соленую воду разделяют перегородками из чередующихся
катионитовых и анионитовых мембран и пропускают через нее постоянный ток
(рисунок 3). Передвигаясь под действием электрического поля (на рисунке 3 -
вправо), ионы соли из четных ячеек через катионитовые мембраны (они, напомним,
для катионов «прозрачны») проникают в нечетные и там попадают в ловушку: путь
дальше преграждает анио-нит, а обратно не пускает электрическое поле. Таким
образом, в четных ячейках вода опресняется, а в нечетных концентрируется
рассол[7].
Рисунок 3 - Электродиализатор для опреснения воды
К сожалению, в этом простейшем
электродиализаторе получить из засоленных стоков воду, пригодную для полива,
нельзя. При этом имеет значение не только количество, но и состав катионов.
Ионы натрия разрушают структуру почвы, поэтому из засоленной воды их следует
удалять в первую очередь, а ионы кальция и магния оставлять: вода для полива
должна быть жесткой. Если опреснять воду электродиализатором с обычными
мембранами, как было описано выше, происходит как раз обратное, - ионы кальция
и магния, обладающие большим
зарядом, под действием электрического поля
быстрее проходят через катионит, чем однозарядные ионы натрия, и опресняемая
вода становится мягче. Таким образом, нужны такие мембраны, которые были бы
избирательно проницаемы, наоборот, для ионов натрия, а ионы кальция и магния
пропускали бы хуже. Для этого на поверхность катионитовой мембраны наносят
тонкий слой вещества-модификатора, заряженный положительно, причем его положительный
заряд намного слабее отрицательного заряда самой мембраны[3].
Пробиться сквозь такую бислойную мембрану
иону кальция или магния труднее, чем иону натрия, потому что их заряд больше.
При электродиализе на этих мембранах из засоленной воды будут удаляться в
первую очередь именно ионы натрия, что и требуется. К тому же это сократит
расход электроэнергии (надо удалять меньше солей) и позволит повысить
концентрацию рассола; меньше опасность выпадения в осадок малорастворимых
кальциевых солей.
С помощью бислойных мембран можно решить и
еще одну проблему, которая возникает при опреснении коллекторно-дренажных вод,
- защитить анионитовые мембраны от отравления органическими ионами. В таких
водах обычно много гуминовых и фульво-кислот, вымываемых из почвы, - их анионы
нейтрализуют положительно заряженные фиксированные ионы анионита, и он теряет
свою фильтрующую способность - перестает задерживать катионы. Если же на
поверхность анионитовой мембраны нанести модифицирующий слой со слабым
отрицательным зарядом, то он будет электростатически отталкивать органические
анионы и тем самым предотвратит отравление мембраны.
Описанный выше способ опреснения
коллекторно-дренажных вод уже прошел крупномасштабные испытания, которые
подтвердили его эффективность. На удаление из засоленной воды килограмма солей
при этом расходуется не так уж много электроэнергии - около 0,5 кВт·ч; это
означает, что для превращения кубометра рассола с содержанием солей 6 г/л в
кубометр воды, вполне пригодной для орошения (3 г/л), достаточно примерно 2
кВт·ч.
Электродиализ и кислотные дожди. С помощью мембран
можно решить и еще одну экологическую проблему глобального масштаба - это
устранение основной причины возникновения кислотных дождей[1].
Они вызывают гибель лесов и рыбы в озерах
многих стран мира, снижают урожаи сельскохозяйственных культур, усиливают
коррозию металлов, неблагоприятно сказываются на здоровье человека. Своим
происхождением кислые дожди на 80% обязаны диоксиду серы, который тысячами тонн
попадает в атмосферу. И здесь страны СНГ и государства на постсоветском
пространстве «впереди планеты всей», хотя большую часть диоксида серы они
производят для своего «внутреннего употребления».
Основной поставщик диоксида серы в
атмосферу - тепловые электростанции, работающие на угле. Среднее содержание
серы в угле - 2,5%; несложные расчеты показывают, что электростанция мощностью
3600 МВт сжигает в сутки 10 вагонов серы.
Если бы всю серу, которую в виде диоксида
выбрасывают в атмосферу электростанции России, удалось уловить, то это не только
очистило бы воздух, но и покрыло бы примерно на 60% потребности промышленности
всей страны в серной кислоте. Но сделать это непросто: методы десульфирования
топлива дороги и громоздки.
Дешевле обходится нейтрализация
выбрасываемого в воздух диоксида серы известняком:
СаСО3 + SО2 → СаSО3 + СО2.
Средней электростанции для этого нужно
ежедневно до 20 вагонов известняка, а отработанный известняк в смеси с
сульфатом кальция никто не берет, в том числе и потому, что в нем накапливаются
радиоактивные примеси, содержащиеся в ничтожных количествах в ископаемом
топливе и при его сжигании переходящие в дым.
Диоксид серы хорошо поглощается и
раствором сульфата натрия:
SО2 + Nа2SО3 + Н2О
→ 2NаНSО3.
Но что делать дальше с бисульфатом натрия,
который при этом образуется? Тут и уместно снова вспомнить о мембранах[1].
Если сложить вместе катионитовую и
анионитовую мембраны, погрузить такую биполярную мембрану в раствор
био-сульфита натрия и пропустить через него электрический ток, то на границе
катионита и анионита в результате диссоциации воды будут возникать катионы
водорода (протоны) и анионы гидроксила. Протоны будут перемещаться сквозь
катионитовый слой биполярной мембраны и разлагать биосульфит натрия до диоксида
серы. Анионы же гидроксила будут проникать сквозь анионитовый слой мембраны, и
превращать тот же биосульфит натрия в сульфит. Образовавшийся диоксид серы
можно использовать для получения серной кислоты, а сульфит натрия снова
направить на очистку дымовых газов от диоксида серы, - круг замкнется.
. Основные области применения
мембран.
Основной объём выпускаемых мембран
предназначен для газоразделения, гемодиализа и микрофильтрации. Значительно
меньше их выпускается для электродиализа, обратного осмоса и ультрафильтрации.
Исходя из объёмов и типов выпускаемых мембран, складывается структура их
потребления. Основные потребители мембран для разделения жидких растворов - это
предприятия, выпускающие медицинские и биологические препараты, биотехнология,
водное хозяйство и электронная промышленность.
Следует отметить, что структура
потребления мембран, возможно, будет изменяться в зависимости от развития работ
в области мембран и внедрения мембранной технологии[3].
Тенденция к расширению сферы применения
мембранной технологии также отмечается в ряде экономически развитых стран. Так,
по прогнозам американских специалистов, постоянно будет возрастать
использование обратного осмоса для опреснения воды. Мембранная технология, как
и любая другая, имеет определённые ограничения и пределы применения.
Обратный осмос, электродиализ, микро- и
ультрафильтрацию достаточно широко применяют в очистке и опреснении природных
вод, в том числе и морских, а также промышленных сточных вод и технологических
растворов, что позволяет в значительной мере решать проблемы предотвращения
загрязнения окружающей среды[4].
Баромембранные методы в сочетании с
другими методами (элекродиализ, выпаривание, вымораживание и др.) можно
использовать не только для очистки или частичного концентрирования, но и для
полной утилизации веществ, то есть создания замкнутых циклов водопотребления с
одновременным извлечением ценных продуктов. Комплексное использование
перечисленных методов имеет важное значение для решения экологических задач.
Кроме того, отсутствие фазовых переходов обуславливает высокую экономичность
мембранных процессов.
Применение некоторых типов мембран
(керамических или динамических) дает возможность решать весьма специфические
технологические задачи, например, очистку сильноагрессивных жидкостей (кислот,
щелочей, некоторых органических соединений), где применение полимерных мембран,
как и других методов, невозможно или неэффективно.
Практически мембранную технологию
используют в обратноосмотическом и электродиализном опреснении природных и
технологических вод; микро - и ультрафильтрационной очистке воды до её
мембранного опреснения и финишной очистке особо чистой воды, используемой в
электронной и других отраслях промышленности; ультрафильтрационном
концентрировании и очистке жидких пищевых продуктов (молока, соков, вин и др.),
масляных эмульсий и лакокрасочных материалов; фракционировании коллоидных и
полимерных растворов; очистке и концентрировании фармацевтических препаратов,
биологически активных веществ и крови с использованием микро - и
ультрафильтрации, гемодиализа[5].
Эффективность использования мембранных
процессов в различных технологиях определяется рациональным выбором типа
мембраны, аппарата и установки, а также технологическими условиями проведения
этих процессов, позволяющими избежать или уменьшить ряд отрицательных явлений
(гелеобразование, отравление), снижающих эксплуатационные характеристики
мембран и продолжительность их использования.
Заключение
Выполнив данную работу можно сделать выводы: одной из причин
интенсивного развития мембранной технологии является сравнительно низкие
энергетические затраты на процессы разделения, они важны не только и даже не
столько для опреснения воды. Они особенно эффективны в ряде процессов,
связанных с концентрированием, очисткой и фракционированием технологических
растворов, жидких пищевых продуктов и др. Использование мембранных процессов
позволяет создать экономически высокоэффективные и малоотходные технологии
переработки растворов неорганических и органических соединений.
Также быстрый рост популярности мембран объясняется их
великолепными технологическими и пользовательскими качествами: полимерные
мембраны исключительно долговечны, просты в эксплуатации, нетребовательны к
погодным и температурным условиям, что позволяет работать с ними круглый год.
Мембраны можно классифицировать также по назначению (силовые
мембраны, мембранные чувствительные элементы, разделительные мембраны и пр.),
по материалу (резиновые, резиново-тканевые, мембраны из полимерных материалов,
комбинированные многослойные и пр.) и по конструктивным признакам (плоские мембраны,
гофрированные мембраны, манжетные мембраны, цилиндрические мембраны и пр.).
Мембраны могут найти применение в микроэлектронике,
биотехнологии, медицине, фармацевтической, пищевой и парфюмерной
промышленности, экологии.
В итоге, в тесной взаимосвязи наук, исследующих транспортные
процессы и процессы переноса в искусственных мембранах видится залог их будущих
успехов - понимание принципов функционирования живых систем и новые
практические достижения мембранной технологии.
Список литературы
мембрана сельский химический
1
Кафедра ОТСП Воронежского государственного технического университета. - Режим
доступа: http://etwm.narod.ru/
Тимашев
С.Ф. Физикохимия мембранных процессов / С.Ф. Тимашев. - М.: Химия, 1988. - 311
с.
Брык
М.Т. Мембранная технология в пищевой промышленности: учеб. пособие / М.Т. Брык,
В.Н. Голубев. - Киев: Урожай, 1991. - 220 с.
Дытнерский
Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей: учеб. пособие / Ю.И.
Дытнерский. - М.: Химия, 1975. - 232 с.
Дытнерский
Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация: учеб. пособие / Ю.И. Дытнерский. - М.:
Химия, 1994. -271 с.
Водяник
В.И. Эластичные мембраны: учебник / В.И. Водяник. - М.: Машиностроение, 1974. -
136 с.
Козырев
Ю.Г. Справочник по химии: справочник / Ю.Г. Козырев. - М.: Слово, 2001. - 527
с.
Назаренко
Е.А. Биофизика мембран: учеб. пособие / Е.А. Назаренко; под ред. О.В.
Родионова. - М-во образования и науки РФ, Изд-во ВГТУ, 2004. - 94 с.
Русанов
Е.С. Мембраны в химических процессах: учеб. пособие / Е.С. Русанов - М.:
Просвещение, Слово, 1997. - 198 с.
Хванг
Сан-Так Мембранные процессы разделения / Сан-Так Хванг, К. Каммермейер. - М.:
Химия. 1981. - 464 с.