Курсовая работа (т): Мембраны и их назначение

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].