М.2. Типы мембран. Теории мембранного разделения

Мембраны, применяющиеся в промышленности, должны удовлетворять следующим основным требованиям: обладать высокими селективностью и проницаемостью, химической стойкостью, долговечностью, а также быть недорогими. Все мембраны можно разделить на пористые и непористые, называемые еще жидкими или диффузионными. В зависимости от материала и способа изготовления пористые мембраны в свою очередь подразделяются на различные типы. Классификация мембран представлена на схеме.

 

 

Полимерные мембраны, изготавливаемые из полимерных материалов вымыванием предварительно введенных добавок или бомбардировкой - частицами с последующим травлением химическими реагентами, обладают узким распределением размеров пор.

Металлические мембраны получают выщелачиванием одного из компонентов сплава. Их достоинства заключаются в механической прочности, однородности структуры.

Керамические мембраны относятся к композитным материалам и изготавливаются двух- или трехслойными. На подложку с более крупными порами наносится тонкий мембранообразующий слой. Их основным преимуществом является химическая стойкость, что позволяет использовать для разделения агрессивных сред.

Мембраны из микропористого стекла получают путем кислотной обработки, при которой из стекломассы удаляются отдельные составляющие. Они также обладают химической стойкостью и жесткой структурой.

Нанесенные мембраны в зависимости от способа получения подразделяют на пропитанные и напыленные. Пропитанные мембраны изготавливают из пористого материала, например, металлокерамики, пропитывая его вначале раствором одной соли, а затем другой, образующей с первой нерастворимый осадок, уменьшающий размер пор до нужного. Напыленные мембраны получают напылением на пористую подложку тонкого слоя хорошо сцепляющегося с ней материала, обычно, полимерного, что позволяет регулировать размер пор.

Динамические мембраны получаются при фильтровании растворов, содержащих коллоидные частицы, через пористые подложки. Осадок коллоидных частиц составляет мембранный слой. Преимуществами таких мембран являются высокая проницаемость, долговечность, простота очистки (нужно просто смыть мембранный слой растворителем, подавая его под давлением с противоположной стороны мембраны, а затем при возобновлении процесса мембрана самовосстановится).

Непористые (диффузионные, жидкие) мембраны представляют собой, как правило, квазигомогенные гели, обуславливающие разделение веществ за счет различия их коэффициентов диффузии в мембране.

Единой теории, позволяющей объяснить и получить математическое описание мембранного разделения для всех типов мембран и методов мембранного разделения, не существует. Можно выделить несколько теорий, каждая из которых обладает ограниченной применимостью.

Теория просеивания предполагает, что через поры проходят частицы малых размеров, а большие задерживаются. Она применима для процессов ультрафильтрации и микрофильтрации, осуществляемых через пористые мембраны, но не пригодна для обратного осмоса и диффузионно-мембранного разделения.

Диффузионная теория, основанная на различии диффузионных потоков различных компонентов, применима только для диффузионно-мембранного разделения через жидкие мембраны.

В соответствии с теорией отрицательной адсорбции на поверхности мембраны адсорбируются только молекулы растворителя, поэтому они и проходят сквозь мембрану. Данная теория применима, в основном, для обратного осмоса.

 

М.3. Конструкции мембранных аппаратов

 

Аппараты с пористыми мембранами классифицируются по типу мембранных элементов, которые могут быть плоскими, трубчатыми, спиральными и волокнистыми.

Конструкцию аппаратов с плоскими мембранными элементами рассмотрим на примере аппарата типа «фильтрпресс» (рис. М.3.).Разделяющей элемент состоит из двух мембран 1, уложенных по обе стороны дренажной пластины 2, которая изготовлена из крупнопористого материала. Между разделяющими элементами расположены полые пластины (рамы) 3. Как показано на рис. М.3, полые элементы чередуются с разделяющими и такая сборка зажимается с двух сторон торцевыми пластинами 4 при помощи стягивающих болтов 5. Разделяемый раствор последовательно проходит через все разделительные элементы, концентрируется и удаляется из аппарата. Прошедший же через мембрану фильтрат стекает по дренажным пластинам вниз и выводится из аппарата.Аппараты типа "фильтрпресс" отличается простотой изготовления и сборки, замены мембран. Основным недостатком этих аппаратов является малая удельная поверхность мембран: 60 - 300 м²/м³(поверхность мембран на единицу рабочего объема аппарата).

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами применяют для обратного осмоса, но особенно широко их применяют для ультрафильтрации. Трубчатый мембранный элемент показан на рис. М.4, где обозначено: 1 - мембрана, 2 - подложка, 3 - пористая труба. Схема движения потоков - исходного раствора, концентрата и фильтрата также указана на рисунке. Аппарат с трубчатыми элементами показан на рис. М.5., где в трубных плитах 1 герметично закреплены разделительные трубчатые элементы 2. Потоки исходного раствора, концентрата и фильтрата указаны на рисунке.

По виду такой аппарат сходен с кожухотрубчатым теплообменным аппаратом. Положительные качества аппаратов с трубчатыми разделительными элементами заключаются в следующем: малая материалоемкость; хорошие гидродинамические условия работы мембраны, так как обеспечивается равномерность потока раствора во всех точках поверхности; относительно небольшое гидравлическое сопротивление разделительных элементов. Недостатком является малая удельная поверхность мембран: 60-200 м²/м³.

 

 

Рис. М.3. Мембранный аппарат типа «Фильтрпресс»:

1 – мембраны, 2 – дренажные пластины, 3 – рамы,

4 – торцевые пластины, 5 – стягивающие болты.

 

 

 

Рис. М.4. Трубчатый элемент для мембранного разделения:

1 – мембрана, 2 – подложка, 3 – пористая труба.

 

 

Рис. М.5. Мембранный аппарат с трубчатыми элементами.

 

Аппараты со спиральными мембранными элементами (рулонные) изготавливаются из четырехслойной пластины, свернутой в спираль и конструктивно схожи со спиральными теплообменниками. Схематично спиральный мембранный элемент изображен на рис. М.6. Он состоит из сетки-сепаратора 2, по которой подается исходный раствор и выходит концентрат, двух мембран 1 и расположенного между ними дренажного слоя. Раствор, проходя по сетке-сепаратору, концентрируется за счет удаления части растворителя через мембраны в дренажный слой, из которого отводится фильтрат. Аппараты со спиральными мембранными элементами обладают большей удельной поверхностью (300-800 м²/м³) и малой металлоемкостью, но более сложны в изготовлении и монтаже, а также имеют значительное гидравлическое сопротивление как сетки-сепаратора, так и дренажного слоя.

 

 

 

Рис. М.6. Схематическое изображение спирального мембранного элемента:

1 – мембраны, 2 – сетка- сепаратор, 3 – дренажный слой.

 

Аппараты с волокнистыми мембранными элементами представляют собой пучки мембран, изготовленных в виде полых волокон, концы которых с помощью эпоксидной смолы закреплены в трубных решетках 3 (рис. М.7.). Такие аппараты применяются для баромембранных процессов. Волокна имеют наружный диаметр 45-1000 мкм и толщину стенки 10-200 мкм. Подача исходного раствора возможна как внутрь волокон (рис. М.7.), так и снаружи. Достоинствами таких аппаратов является высокая удельная поверхность мембран (20000-30000 м²/м³), а недостатком – необходимость предварительной очистки растворов от механических примесей.

 

 

Рис. М.7. Схема мембранного аппарата с полыми волокнами:

1 –корпус, 2 – крышки, 3- трубные решетки, 4 – волокна.

 

Конструкции аппаратов с жидкими мембранами зависят от способа создания мембраны. Так, слой жидкой мембраны может располагаться между двумя плоскими параллельными полимерными пористыми перегородками, пропускающими исходный раствор, но удерживающими гель, из которого состоит мембрана. В этом случае конструкция аппарата будет идентична аппаратам с плоскими пористыми мембранами, например, «фильтрпресс» рис. М.3.

Мембрана может образовывать жидкую пленку на поверхности разделяемой жидкости (испарение через мембрану), но удельная поверхность мембраны в этом случае невелика. Гораздо большую удельную поверхность можно обеспечить, если «мембранная жидкость» будет обволакивать капли разделяемой жидкости, распределенные в сплошной фазе (эмульсия). В этом случае для проведения процессов мембранного разделения пригодны экстракторы, например, полый распыливающий, роторно-дисковый и другие.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: