- •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
6.1.2. Мицеллярно-усиленная ультрафильтрация
В этом технологическом приеме для увеличения эффективности разделения многокомпонентных смесей используют различия в химических свойствах компонентов. Метод основан на переводе растворенных низкомолекулярных компонентов в новое ассоциированное молекулярное или коллоидное состояние с последующим отделением ассоциированной формы на крупнопористой мембране.
Перевод в ассоциированное состояние проводят реагентами, которые вступают в различные химические реакции с целевыми компонентами раствора, поэтому процесс иногда называют «реагентная ультрафильтрация».
Ассоциирование, т.е. кардинальное укрупнение частиц целевого компонента, можно осуществить несколькими способами:
1. Добавление в раствор водонерастворимого органического соединения, которое по механизму экстракции взаимодействует с нужным компонентом. Образуется микроэмульсия, которая далее разделяется на мембране с выполнением соответствующих требований.
2. Добавление в раствор водорастворимых полиэлектролитов с такими функциональными группами, которые способны по механизму ионного обмена, комплексообразования и т.п. присоединить к себе нужные компоненты. Образуется комплексное соединение большой молекулярной массы (см.рис.6.4).
Рис.6.4. Структура комплексной молекулы функционально активного полиэлектролита
с присоединенным целевым компонентом:
1 – функциональные группы полиэлектролита; 2 – основная цепь молекулы полимера;
3 – молекула целевого компонента
Раствор остается гомогенным, разделение осуществляют по закономерностям ультрафильтрации растворов ВМС. В процессе разделения очень эффективным является применение диафильтрации. После разделения возможна обратная реакция отсоединения целевого компонента от полиэлектролита и повторное разделение на ультрафильтрационной мембране. Тогда возникает возможность многократного использования полиэлектролита.
При использовании 2-го варианта надо учитывать проблемы гель-поляризации, которые осложняют также и прохождение остающихся неассоциированными нецелевых компонентов через мембрану, задерживающая способность которой по этим компонентам должна быть минимальной. Основным параметром, определяющим эффективность метода, является избирательность и полнота химической реакции связывания полиэлектролитом низкомолекулярного целевого компонента. Например, для иона йода идеальным партнером является крахмал.
3. Добавление в раствор свежеприготовленного золя, на частицах которого за счет физической адсорбции связывается нужный компонент.
4. Перевод растворенных ионных частиц компонента сначала в молекулярную, а затем в коллоидную форму при их гидролизе в результате добавления в раствор щелочи. В отличие от чисто осадительных процедур расход щелочи снижается в несколько раз до стехиометрического.
5. Добавление в раствор химических реагентов, при взаимодействии с которыми нужный компонент переводится в нерастворимую форму. Образование осадка должно быть остановлено на стадии формирования коллоидной фазы.
При использовании 4 и 5 вариантов учитывают закономерности процесса образования осадков. Известно, что это происходит при пересыщении системы и процесс можно разделить на четыре этапа: 1 – образование молекул будущего осадка; 2 – образование зародышей критического размера; 3 – рост частиц вокруг зародышей; 4 – осаждение хлопьев и старение осадка. Все эти четыре этапа происходят на фоне и по причине постоянно растущей концентрации реагентов. Остановить процесс на этапе коллоидной фазы, т.е. на втором, можно прекращением добавления реагентов, а, значит, существенным снижением их потребности.