- •А.А.Свитцов введение в мембранную технологию Учебное пособие
- •Глава 1. Вода и ее свойства
- •Какая же она – молекула воды?
- •Структура жидкой воды
- •Водные растворы
- •Растворы неэлектролитов в воде
- •Растворы электролитов в воде
- •Энергетические эффекты растворения
- •Осмотическое давление раствора
- •0,5 Г/л, температура – 10оС.
- •32,0 Г/л; температура – 20оС.
- •Осмотическая машина
- •Глава 2. Мембранные процессы
- •2.1. Массоперенос через мембраны
- •2.2.Баромембранные процессы
- •2.2.1.Обратный осмос
- •2.2.2. Ультрафильтрация
- •2.2.3. Микрофильтрация
- •2.2.4. Нанофильтрация
- •2.2.5. Классификация баромембранных процессов
- •2.3. Диффузионные мембранные процессы
- •2.3.1. Разделение газовых смесей
- •2.3.2. Диализ
- •2.3.3. Мембранная экстракция (жидкие мембраны)
- •2.4. Термомембранные процессы
- •Мембранная дистилляция
- •2.4.2.Первапорация (испарение через мембрану)
- •2.5. Электромембранные процессы (электродиализ)
- •Глава 3. Поляризационные явления на мембранах
- •3.1. Концентрационная поляризация
- •3.2. Гелевая поляризация
- •3.3. Осадкообразование на мембране
- •3.4. Влияние поляризационных явлений на удельную производительность мембран
- •Глава 4. Полупроницаемые мембраны
- •4.1. Классификация мембран
- •4.3.1. Основные понятия о полимерах
- •4.3.3.Растворы полимеров
- •4.3.4.Расплавы полимеров
- •4.3.5. Методы получения полимерных мембран
- •4.22. Схема строения активного слоя анизотропной мембраны
- •4.26. Схема получения полого волокна методом сухого формования:
- •4.3.5.3. Получение пористых мембран из порошков полимеров
- •4.3.5.4.Получение пористых мембран растворением полимера
- •4.4.1.Мембраны из микропористого стекла
- •4.4.2. Металлические мембраны
- •4.4.3.Мембраны из керамики
- •4.4.4.Мембраны из графита
- •4.5.Композиционные мембраны
- •4.5.1.Композитные мембраны с полимерным разделительным слоем, полученным методом полива на поверхность воды
- •4.5.3.Композитные мембраны с полимерным разделительным слоем, полученные методом полива на подложку
- •4.5.3.Композитные мембраны с полимерным разделительным слоем, полученные методом межфазной поликонденсации
- •4.5.4. Композитные мембраны на неорганических носителях
- •4.5.5. Динамические мембраны
- •4.5.6.Нанесенные мембраны
- •Определение структуры и свойств мембран
- •4.6.1. Общая пористость
- •4.6.2.Размер пор
- •1. Электронная микроскопия
- •2.Ртутная порометрия
- •3.Метод "точка пузырька"
- •4. Проточная порометрия
- •4.6.3.Физико-механические характеристики мембран
- •1. Толщина мембраны
- •2.Механическая прочность
- •3.Анизотропия мембран
- •4.6.4.Технологические свойства мембран
- •1. Удельная производительность (проницаемость)g.
- •2.Задерживающая способность r
- •4.6.5. Методы калибровки пористых мембран
- •1. Калибровка по определению молекулярно-массового отсекания (cut-off) мембран.
- •2.Калибровка по задержанию частиц определенного размера.
- •Глава 5. Мембранная техника
- •Мембранные элементы
- •5.1.1. Аппараты с плоскими мембранными элементами
- •Аппараты с рулонными мембранными элементами
- •Аппараты с патронными мембранными элементами
- •Аппараты с трубчатыми мембранными элементами
- •Аппараты с капиллярными мембранными модулями
- •5.2. Мембранные установки
- •Генератор движущей силы
- •Предварительная обработка исходной смеси
- •Регенерация мембран и мойка оборудования
- •Рекуперация энергии
- •3) Составим материальный баланс процесса опреснения:
- •6) Расход энергии на нагнетание морской воды в опреснительную установку
- •Контроль, управление и автоматизация
- •5.3.Поточные схемы мембранных установок
- •Глава 6. Прикладная мембранная технология
- •6.1. Технологические приемы осуществления мембранных процессов разделения
- •6.1.1. Диафильтрация
- •6.1.2. Мицеллярно-усиленная ультрафильтрация
- •6.1.3. Мембранный реактор
- •6.2. Рынок мембранных технологий
- •6.2.1. Опреснение соленых вод
- •6.2.2. Получение сверхчистой воды
- •6.2.3. Переработка промышленных отходов
- •6.2.4. Биотехнология
- •6.2.5. Пищевая промышленность
- •6.2.6. Медицина
- •6.2.7. Первапорация
- •6.2.8. Разделение газовых смесей
2.5. Электромембранные процессы (электродиализ)
Совершенно очевидно, что сочетание электролиза с полупроницаемыми мембранами должно было привлечь внимание исследователей. Заставить двигаться ионы через сплошные мембраны под действием электрического поля, а не градиента концентрации – это значит резко интенсифицировать процесс диализа. В 30-е годы ХХ века появились первые аппараты, однако промышленного применения процесс не нашел.
В следующие 10 лет были получены первые синтетические ионообменные материалы на основе пластмасс. Например, обработкой серной кислотой нейтральных полимеров получают сульфированные полимеры с привитой активной группой – SO3‾ H+, которая в воде диссоциирует на ионы. При наличии в воде любого катиона происходит ионообменная реакция, в результате чего катион металла оказывается довольно прочно связанным с полимером. Таким образом, воду можно очистить от ионов – катионы на сульфогруппах, анионы – на аммониевых группахNH4+OH‾.
Для регенерации ионитов используют концентрированные растворы кислоты и щелочи, проводя обратные обменные реакции. Чтобы достичь полноты регенерации, приходится пропускать через слой ионита существенно больше стехиометрического количества регенерирующего вещества, образуются опасные промышленные отходы. Однако процесс ионного обмена до сих пор является основным при обессоливании воды.
Если же модифицированный, теперь уже ионообменный полимер измельчить до частиц 2-5 мкм, затем смешать порошок с расплавом любого нейтрального полимера, например, полиэтилена, сформовать из этой вязкотекучей жидкости пленки и остудить их, то мы получим так называемые гетерогенные ионообменные мембраны. Их изготавливают катионообменные и анионообменные.
В 1940 году была опубликована статья известного физико-химика Мейера с описанием процесса обессоливания растворов с использованием постоянного электрического поля и ионообменных мембран. Процесс уже получил название электродиализа (ЭД). На рисунке 2.23 показана принципиальная схема электродиализного процесса в многокамерном аппарате.
Рисунок 2.23. Электродиализный процесс обессоливания
Между катодом и анодом помещается большое количество катионо- и анионообменных мембран в чередующемся порядке. В межмембранные каналы подается исходный раствор. Под действием электрического потенциала катионы стремятся к катоду, анионы – к аноду. Когда на пути катиона встречается анионообменная мембрана, она его дальше не пропускает. То же случается с анионом на катионообменной мембране. Половина камер превращается в камеры концентрирования, половина – в камеры обессоливания. На катоде в результате электролиза воды выделяется водород, на аноде – кислород по следующим реакциям:
2 Н2О + 2е‾ → Н2+ 2ОН‾
Н2О → ½ О2+ 2Н++ 2е‾ (2.20)
С тех пор электродиализ получил очень широкое развитие как процесс обессоливания, опреснения морской воды без затрат реагентов на регенерацию ионитов, а также получения концентратов солей, чистых щелочей и кислот. До сих пор процесс ЭД является конкурентом обратного осмоса, хотя каждый из них может занять определенную нишу.
Из уравнений 2.20 видно, что на катоде выделяется газообразный водород и формируется щелочная среда. Материал катода при этом практически не изнашивается и его можно изготовить из обычной углеродистой стали. Анод же подвергается сильному окислению, так как на нем в кислой среде генерируется кислород. Поэтому материал анода – благородные металлы, обычно платина, иногда – платинированный титан.
В ЭД удельная производительность мембраны обусловлена переносом ионов через мембрану, который, в свою очередь, формирует электрический ток.
Плотность электрического тока (т.е. приходящегося на единицу площади мембраны) записывается выражением:
I=G∙Z∙F(2.21)
где G– удельная производительность мембраны;
Z– заряд иона;
F– число Фарадея (показывает количество электричества, способное
перенести 1 г-экв ионов к электроду, F= 96500 амп/с).
С точки зрения законов электричества, ток связан с электрическим потенциалом по закону Ома:
Е = I∙R(2.22)
В нашем аппарате общее электросопротивление составляется из суммы четырех сопротивлений:
R = RAM + RKИ + RKM + RKK (2.23)
где RAM–cопротивление анионообменной мембраны;
RKM– сопротивление катионообменной мембраны;
RКИ - сопротивление камеры исходного раствора;
RКК– сопротивление камеры концентрирования.
Из уравнений 2.21 и 2.22 можно получить выражение для G:
G=z∙F∙E/R(2.24)
Отсюда следует, что чем более концентрированный раствор подается на разделение, тем меньше величина RКИ, тем меньше общее электросопротивлениеR, тем выше будет удельная производительность мембран. Это и определяет ту нишу, в которой может эффективно применяться ЭД, - переработка концентрированных растворов. Вспомним, что обратный осмос имеет естественный предел концентрации исходного раствора – граница полной гидратации ГПГ.