Основы мембранной технологии

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 легкое». 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.

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 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 обогащен по сравнению с исходным каким-то компонентом. Такой принцип действия мембраны делает ее способной к практически неограниченному сроку службы, без заметного изменения в эффективности разделения смесей.

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 является наиболее экономичным методом и широко используется для получения урана-235, являющегося ядерным топливом, для создания аппаратов «искусственное легкое», 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 газо-воздушных смесей в системах жизнеобеспечения людей в замкнутых пространствах, для создания контролируемой атмосферы, обогащенной диоксидом углерода при хранении овощей и фруктов.

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.

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 соленой 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.

Электродиализ 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 жесткости, электролиза растворов. Среди наиболее перспективных областей применения электродиализа, наряду с отмеченными, перечислим регенерацию растворов в гальванических производствах; очистку хлор- и медьсодержащих сточных вод, очистку сточных вод в производстве аммиачной селитры.