Курсовая работа (т): Мембраны и их назначение

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.