 |
Мембранное разделение – процесс разделения газовых или жидких смесей с помощью мембран. Мембраны – полупроницаемые перегородки, избирательно пропускающие компоненты газовых или жидких смесей.
|
|
|
|
М. 1. Общие сведения. Классификация методов мембранного разделения
Мембранное разделение – процесс разделения газовых или жидких смесей с помощью мембран. Мембраны – полупроницаемые перегородки, избирательно пропускающие компоненты газовых или жидких смесей.
Рассмотрим процесс мембранного разделения на примере бинарного раствора компонента В в растворителе А. Пусть растворитель проходит сквозь мембрану лучше, чем растворенное вещество. Тогда после контакта с мембраной исходная смесь разделится на два продукта: концентрат (ретант), обогащенный растворенным веществом В и фильтрат (пермеат), сменьшей концентрацией компонента В по сравнению с исходной смесью (рис. М.1.).
 |
Рис. М.1. Схема процесса мембранного разделения: 
- массовые расходы и 
массовые доли компонента В в исходной смеси, концентрате и фильтрате; < 
< .
Для представленной схемы процесса мембранного разделения можно записать уравнения материального баланса по смеси в целом и компоненту В соответственно:
(М.1.) 
(М.2)
Процесс мембранного разделения может характеризоваться селективностью j и проницаемостью j. Селективность определяется долей растворенного компонента В, не прошедшего сквозь мембрану
. (М.3.)
Если мембрана совершенно не пропускает компонент В, то 
- достигается полное разделение (компонент В отсутствует в фильтрате). Если же мембрана одинаковым образом пропускает оба компонента А и В, то ее селективность 
, 
, разделение полностью отсутствует.
Проницаемость (удельная производительность, поток массы) – масса фильтрата, проходящая через единицу поверхности мембраны за единицу времени
|
|
|
, (кг/м2с). (М.4.)
Классифицировать методы мембранного разделения можно по различным признакам. Так, в зависимости от природы движущей силы их можно подразделить на:
1) баромембранные (движущей силой является градиент давления 
);
2) диффузионно-мембранные (движущей силой являются градиенты химических потенциалов 
);
3) электромембранные (движущей силой наряду с градиентами химических потенциалов является градиент электрического потенциала 
)
Баромембранное разделение осуществляется за счет разности давлений по обе стороны мембраны. В зависимости от размера задерживаемых мембраной частиц баромембранные процессы подразделяют на:
а) обратный осмос (10-4 – 10-3 мкм);
б) ультрафильтрацию (10-3 – 2 
10-2 мкм);
в) микрофильтрацию (2 10-2 – 10мкм).
Обратный осмос. В основе этого процесса разделения лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через мембрану в раствор. Перепад давлений, который устанавливается при этом между раствором и растворителем по достижении равновесия, называется осмотическим давлением 
(рис. М.2.)
 |
Рис. М.2. Схематическое изображение переноса растворителя и состояние равновесия в сосуде, разделенном мембраной 3: 1 – расположение растворителя, 2 – расположение раствора; р1 и р2 – давления жидкости в соответствующих частях сосуда на одинаковом расстоянии от днища, 
- осмотическое давление.
Для проведения процесса обратного осмоса необходимо создать перепад давлений между раствором и растворителем, превышающий осмотическое давление. Это приведет к переносу растворителя из раствора и увеличению концентрации раствора (рис. М.2.) Обратный осмос применяется, в основном, для разделения растворов электролитов. При этом осмотическое давление может составлять десятки и сотни атмосфер, а рабочее давление в аппарате и того больше. Так, для морской воды = 25 атм, а рабочее давление при ее опреснении составляет примерно 60 атм.
|
|
|
Ультрафильтрация применяется для отделения высокомолекулярных соединений от низкомолекулярных, при этом проходят сквозь мембрану лишь последние. Осмотическое давление в таких растворах невелико и рабочие давления не превышают, как правило, десяти атмосфер.
Микрофильтрация служит для концентрирования растворов крупных коллоидных частиц. Этот процесс является промежуточным между ультрафильтрацией и обычным фильтрованием. Следует иметь в виду, что в отличие от фильтрования при мембранном разделении образуется концентрат в виде раствора, а не осадок.
Достоинствами баромембранных процессов разделения являются малые энергозатраты ввиду отсутствия фазовых превращений (мембранное опреснение воды требует в 10-15 раз меньше энергозатрат, чем дистилляция); низкие температуры, позволяющие разделять термически нестойкие соединения. К их недостаткам относятся высокие рабочие давления (особенно для обратного осмоса), а также падение селективности и проницаемости при увеличении концентрации растворов, обусловленное концентрационной поляризацией – увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Для снижения концентрационной поляризации можно применить турбулизацию потока, перемешивание, вибрацию, что приводит к выравниванию концентраций.
Диффузионно-мембранное разделение осуществляется за счет различной скорости диффузии компонентов смеси через мембраны. Компоненты должны обладать различными коэффициентами диффузии, следовательно, отличающимися молекулярными массами и потенциалами взаимодействия (смотри 1.3.1. и П.3.2.). Диффузионно-мембранные процессы используют при испарении через мембрану (исходный раствор и концентрат жидкости, а фильтрат – пар); для разделения жидких растворов – диализ (исходный раствор и оба продукта жидкости), а также для разделения газовых смесей.
Электромембранные процессы применяют для разделения ионосодержащих растворов (электродиализ). Их движущей силой является совокупность градиентов химического и электрического потенциалов. Выражение для потока компонента i в отличие от (1.16.) будет иметь вид:
|
|
|
, (М.5.)
где ezi – заряд иона, 
- потенциал электрического поля.
|
|
|
