Основы мембранных процессов

Оглавление

1. Основные понятия

2. Основы мембранных процессов

3. Схема установки «Универсальная платформа для тестирования мембран»

4. Принцип работы «Универсальная платформа для тестирования мембран»

5. Практическая часть

6. Вывод

Основные понятия

Существует множество мембранных процессов разделения, базирующихся на различных принципах или механизмах и применимых для разделения объектов разных размеров – от частиц гетерофазы до молекул. Однако все мембранные процессы имеют нечто общее, а именно мембрану, которую можно рассматривать как селективно проницаемый барьер между двумя фазами. Разделение достигается благодаря тому, что один компонент из сырьевой фазы переносится через мембрану с большей скоростью, чем другой компонент или компоненты. То есть разделительная мембрана – это технологическая перегородка, обладающая свойством преимущественно пропускать определенные компоненты жидких или газовых смесей.

Как правило, перенос через мембрану происходит без химических реакций. Хотя при переносе через мембрану могут происходить химические превращения с участием содержащихся в мембране катализаторов или ферментов (мембранные каталитические реакторы, биологические мембраны).

Прежде всего следует провести четкое различие мембранного процесса разделения от процесса фильтрации, с которым мембранный процесс имеет кажущееся сходство. При фильтрации проводится разделение веществ, находящихся в разных фазах, разных агрегатных состояниях. Это отделение жидкости или газа от твердых веществ, очистка газа от жидкости. Например, очистка воздуха от дыма (газ – твердое вещество), очистка воздуха от аэрозоля (газ – жидкость), очистка воды от взвеси твердых частиц (жидкость – твердое вещество). В фильтре разделение смесей происходит вследствие задерживания частиц гетерофазы в лабиринте пустот фильтра, в результате чего, по крайней мере, один из компонентов смеси задерживается и фиксируется внутри или вблизи поверхности фильтра. Поэтому фильтр со временем забивается (отрабатывается), в результате чего снижается его производительность. На фильтр подается смесь веществ, под действием разности давлений над и под фильтром один из компонентов этой смеси проходит через фильтр, другой компонент оседает на его поверхности.

В отличие от фильтра мембрана обеспечивает разделение не только веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях – многофазных систем. Мембраны позволяют разделять смеси газов, смеси жидкостей, выделять газы из жидкостей, селективно разделять ионы, разделять коллоидные растворы и другие. В мембранном процессе разделения в отличие от фильтрации происходит разделение исходного потока смеси на два, один из которых проходит через мембрану, а другой уносит часть компонентов смеси на следующие ступени разделения или в сброс. При этом целевым продуктом может быть как тот, так и другой поток. К полупроницаемым разделительным мембранам относятся только те материалы, которые обеспечивают разделение смесей на поверхности материала. Поры мембраны остаются недоступными для проникновения задерживаемого компонента.

Поток смеси веществ, подающийся на мембрану для разделения, называется сырье. Поток, прошедший сквозь мембрану, называется пермеат. Поток, не прошедший через мембрану, называется ретентат или концентрат.

Движущей силой мембранного процесса разделения является градиент химического потенциала по обе стороны мембраны. В зависимости от параметра преобладающего градиента мембранные процессы различаются на:

- барометрические (при разности давлений);

- диффузионные (при разности концентраций или парциальных давлений);

- термомембранные(при разности температур);

- электромембранные(при разности электрохимических потенциалов).

Задачи мембранного процесса разделения:

- концентрирование (целевой продукт присутствует в низкой концентрации и растворитель должен быть отделен);

- очистка (нежелательная примесь должна быть отделена);

- фракционирование (смесь должна быть разделена на два или более целевых компонента).

Если цель процесса – концентрирование, то целевым продуктом является ретентат. Однако в случае очистки в качестве целевых продуктов в зависимости от примесей, которые должны быть отделены, могут быть как пермеат, так и ретентат. Например, если требуется получить питьевую воду из воды, в которой присутствуют следы летучих органических соединений, то для разделения могут быть использованы обратный осмос и первапорация (эти процессы мембранного разделения будут рассмотрены ниже). В обратном осмосе растворенное вещество задерживается и пермеат (питьевая вода) является целевым продуктом. Напротив, в первапорации возможно селективное проникновение сквозь мембрану органических соединений и их отделение от воды. Поэтому целевым продуктом (питьевой водой) в этом случае является ретентат. При фракционировании целевым продуктом может быть как пермеат, так и ретентат.

Мембранные процессы разделения имеют ряд неоспоримых преимуществ перед другими процессами разделения (ректификацией, экстракцией, адсорбцией и другими):

- непрерывность;

- низкие энергетические затраты;

- легкость сочетания с другими технологическими процессами;

- мягкие технологические условия;

- возможность масштабирования;

- отсутствие необходимости введения дополнительных веществ-добавок;

- легкость контроля.

К недостаткам мембранных процессов разделения относятся:

- концентрационная поляризация и отложение осадка на мембране (ее загрязнение);

- непродолжительный срок эксплуатации некоторых видов мембран;

- во многих процессах низкая селективность мембран.

Требования, предъявляемые к мембране:

- высокая производительность и селективность по выделяемому компоненту;

- химическая стабильность, биологическая и тепловая стойкость, сохранение физико-механических и диффузионных характеристик в условиях эксплуатации и хранения (ресурс работоспособности);

- санитарные требования (при использовании мембран в пищевой и медицинской промышленности они сертифицируются на предмет вымывания из них различного типа компонентов);

- технологичность изготовления;

- низкая стоимость;

- утилизируемость мембран (отработанные мембраны относят к твердым отходам, поэтому должна быть возможность их сжигания или микробного разложения).

Основы мембранных процессов

Общий механизм процесса мембранного проницания включает в себя комплекс явлений. Поэтому решение проблемы полного раскрытия механизма этих процессов представляет большие трудности, поскольку для четкого их описания необходимо касаться многих аспектов.

Хотя процесс разделения представляет собой операции со смесью веществ, содержащей как минимум два компонента, рассмотрим сначала поведение однокомпонентных систем. Дело в том, что существует много случаев, когда проницание смеси может интерпретироваться на основе поведения отдельных его компонентов. Характернымипримерами таких случаев могут служить процессы переноса газа через полимерные пленки, использующиеся для упаковки продуктов. При этом проницаемости кислорода, азота, водяных паров и двуокиси углерода не зависят друг от друга.

В принципе должно существовать различие между проницаемостью вещества через пористую и непористую среды. Для условий разделения потока термин «пористость» ограничивается более узким понятием «микропористость», отражающим ту область, где размер пор должен быть таким, чтобы доминировала молекулярная диффузия, т.е. частота столкновений молекул со стенкой поры превышала частоту столкновений между молекулами газа. Это означает, что размер пор должен находиться в интервале от 50 до 300 А (5­− 30 нм).

Для непористых мембран разделение в первую очередь зависит от соотношения растворимости компонентов в материале мембраны и коэффициентов диффузии. Таким образом, механизмы разделения в пористой и непористой средах совершенно различна.

В микропористой среде с ее развитой капиллярной системой действуют значительные адсорбционные силы, которые влияют на перенос компонентов газовой смеси и создают условия для возникновения потока, который значительно отличается от потоков в макропористой структуре. Аналогичные явления вызывают поток в диффузионной мембране, по своей сути являющейся пористым материалом. Такой поток может быть назван «потоком диффузионной растворимости».

Дополнительным фактором является поведение газовой фазы в системе газ – мембрана. Здесь удобно ввести понятие газа – как неконденсирующейся и пара –как конденсирующейся фазы при обычных давлениях и температурах. Однако в общем случае такое разграничение не может быть распространено на все мембранные системы. Процессы разделения могут быть вызваны высокими и низкими температурами, так же как и низкими и высокими давлениями и различным их сочетанием. Поэтому, например, гелий, который считается неконденсирующимся газом, при достаточно низких температурах может вести себя как конденсирующийся пар. Сходным образом конденсирующийся пар метилбромида при достаточно высокой температуре или низком давлении может вести себя как газ.

Таблица 1. Влияние основных переменных на проницаемость через микропористые мембраны

Обобщенное схематическое представление процессов газового разделения на микропористых мембранах приведено в табл. 1. В ней для газовой фазы рассмотрены молекулярный, скользящий и ламинарный потоки, а также адсорбированный поток, или поверхностный поток, который, как полагают, существует на поверхности твердой мембраны. Условия, которые вызывают различные потоки, определяются размером пор мембраны и свойствами газов.

Таблица 2. Влияние основных переменных на проницаемость через непористые мембраны

Важно отметить, что поверхностный поток, если он в системе имеется, является дополнением к нормальному мольному и объемному потокам и поэтому приводит к увеличению общего потока через мембрану.

Для непористых мембран важно рассмотреть влияние растворимости и температуры. Большая часть непористых мембран изготовлена из полимерных материалов. Поведение мембран из металлической фольги и стеклянных мембран требует отдельного рассмотрения.

При использовании полимеров(табл. 2) на проницаемость будут влиять температура стеклования самого полимера; наличие и отсутствие кристалличности; сольватационные эффекты, приводящие к набуханию полимера; давление, особенно для веществ, склонных к конденсированию. Ясно, что для случая полимерных пленок, при разделении должна использоваться не такая высокая температура, как при разделении на неполимерных пористых мембранах.

Таблица 3. Влияние основных переменных на газовую проницаемость

Переменный параметр	Влияние переменного параметра
Температура	1) эффект типа эффекта Аррениуса − для инертных и других
	низкомолекулярных газов;
	2) энергия активации есть функция температуры − для и выше температура стеклования;
	3) эффект типа эффекта Аррениуса не наблюдается для
	органических веществ
Давление, концентрация	1) для инертных газов и концентрация не зависит от
	давления;
	2) для большинства других газов проницаемость является
	функцией давления
Природа пермеата	1) проницаемость обратно пропорциональна размеру
	молекулы;
	2) взаимная совместимостьи легкость конденсации
	увеличивают проницаемость
Пластифицирующий эффект	1) способность полимера пластифицироваться увеличиваетпроницаемость
Структура полимера	1) кристаллические области действуют как непроницаемаяфаза, поэтому скорость потока
	пропорциональна объемнойфракции аморфной фазы;
	2) важен термический и механический ресурс работы;
	3) важен кондиционный растворитель;
	4) поперечные сшивки уменьшают скорость диффузии
Прививка	1) существенно понижает проницаемость
Радиация	1) вызывает поперечные сшивки, которые уменьшают
	диффузию
Толщина пленки	1) обычно не оказывает влияния, но очень важна для оченьтонких пленок или для пленок при значительном
	концентрационном градиенте

Обе обобщенные схемы должны интерпретироваться с осторожностью. Приведенные уровни температуры и давления для определенных мембран и газовых смесей могут сильно варьироваться. Поэтому, например, для метилбромида, проходящую через полиэтиленовую пленку, высоким давлением будет считаться величина около 700 мм рт. ст. (0, 093 МПа), а для гелия, проходящего через фторопластовую пленку, − величина 60 фунт/кв. дюйм (0, 41 МПа). Аналогично этому допустимые температурные уровни будут зависеть от материала мембраны. Так, с полимерными материалами, по всей вероятности, необходимо работать при температурах от 40 до 100˚ C. Но при работе с неорганическими микропористыми мембранами наиболее приемлемыми считаются температуры от 200 до 300˚ C.

Фредлендер и Риклес удачно определили влияние различных переменных на проницаемость газов и паров, что отражено в табл. 3.

Схема установки «Универсальная платформа для тестирования мембран»

Установка включает в себя:

· мембранный модуль (1)

· вакуумную станцию (2)

· редуктор (3)

· мембранные вентили (4)

· пневматические клапаны (5)

· датчики давления (6)

· манометры (7)

Принцип работы «Универсальная платформа для тестирования мембран»

Газ подается в систему из баллона, причем давление регулируется с помощью редуктора. Пневматические клапаны открываются или закрываются в зависимости от величины давления в магистрали.

Клапан, который находится на входе в мембранный модуль, обеспечивает постоянное давление и объем в надмембранном пространстве. Клапан со стороны пермеата обеспечивает постоянный объем с этой же стороны.
Пневматический клапан, установленный на выходе из мембранного модуля, со стороны питающего потока, позволяет проводить эксперименты, по оценки эффективности разделения газовых смесей в мембранных модулях различных конструкций в нестационарных режимах работы. Важно обозначить, что для качественного измерения газопроницаемости требуется создать в подмембранном пространстве постоянство объема и замкнутость измерительной камеры. Мембранный вентиль на участке, соединяющий газовый баллон и платформу служит для управления подачи газа в систему.
Мембранные вентили на вакуумной линии требуются для управления дегазацией газораспределительной системы платформы. Так же имеется дополнительный объем в полости низкого давления это нужно как для увеличения объема самой полости (если тестируем высокопроницаемую мембрану), так и для калибровки объема полости низкого давления установки при замене мембранных модулей. Основными контрольно-измерительными приборами являются датчики давления и термопара. Для визуального контроля давления в системе установлены манометры.