Применение мембран для очистки и концентрации в технологических процессах

Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко

Реферат

по химической технологии

на тему: «Применение мембран для очистки и концентрации в технологических процессах»

Подготовила студентка 4-го курса

кафедры аналитической химии

Тумачева Анастасия Александровна

Киев 2009

Содержание

Введение

1. Типы мембран

2. Методы мембранного разделения

2.1 Диализ

2.2 Электродиализ

2.3 Баромембранные процессы

2.3.1 Микрофильтрация

2.3.2 Ультрафильтрация

2.3.3 Обратный осмос

2.3.4 Нанофильтрация

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Современные мембранные технологии относятся к числу энергосберегающих технологий и обеспечивают: непрерывность и безреагентность разделения, мягкие условия разделения и низкие энергозатраты, легкость масштабирования и сочетания с другими процессами, возможность контроля свойств мембран в широких пределах.

Мембраной называют пленку, плоское тело, протяженность которого по двум координатам значительно превышает протяженность по третьей координате. Мембраны могут быть проницаемыми для жидкостей и газов или непроницаемыми. Непроницаемые упругие мембраны применяют в микрофонах, телефонах, насосах, используют в качестве уплотняющих и предохраняющих прокладок. Совет Макиавелли политикам "divide et impera" (разделяй и властвуй) оказался полезным в первую очередь для химиков, для которых разделение смесей веществ стало важнейшей задачей анализа и производств, требующих получения чистых продуктов.

Естественный отбор за миллионы лет эволюции создал мембраны как самый совершенный инструмент для разделения веществ в живых организмах. Двойные белково-фосфолипидные мембраны окружают каждую клетку и ее важнейшие части: ядра, вакуоли, митохондрии. Процессы избирательного переноса веществ, протекающие в биологических мембранах, лежат в основе важнейших физиологических функций: генерации нервного импульса, движения мышц, питания, дыхания и т.д.

Непосредственное использование биологических мембран в лабораторной практике и технологических процессах в настоящее время невозможно, потому что они не имеют достаточной механической прочности для технического применения и управляются электрическими сигналами нервных импульсов.

На первой стадии экспериментов по мембранному разделению были попытки прямого заимствования у природы материала мембраны: свиного пузыря, яичного белка. Однако на следующей стадии развития мембранных методов разделения в качестве мембран были использованы модифицированные природные вещества. Наибольшее распространение получили мембраны из продуктов целлюлозы. Как известно, целлюлоза является природным полимером в-D-глюкозы.

Целлюлоза (клетчатка) является главной составной частью оболочек растительных клеток. Древесина хвойных деревьев содержит около 50% целлюлозы. Нитроцеллюлоза может быть использована для изготовления коллодиевых мембран. Если в гидроксильных группах заменить атомы водорода ацетильными группами, то получаются мембраны, называемые ацетилцеллюлозными. Эти мембраны до сих пор применяются в технологических процессах мембранного разделения.

1. Типы мембран

Мембраны бывают симметричные и асимметричные. Симметричные делятся на: изотропные микропористые, плотные непористые, заряженные мембраны, керамические, металлические и жидкие мембраны (Рис. 1).

Наш век называют веком полимеров. Синтетические полимерные материалы получили широкое распространение во всех областях науки и техники. Реакция мембранной науки была адекватной, и в настоящее время полимерные мембраны являются основой технологических процессов, использующих принципы мембранного разделения.

Рисунок 1 - Типы мембран

2. Методы мембранного разделения

Перенос веществ через мембраны может происходить под действием:

- разности концентраций;

- разности электрических потенциалов по обе стороны мембраны;

- разности давлений.

Метод мембранного разделения, использующий в качестве движущей силы процесса разность концентраций вещества на границах мембраны, называют диализом, а, метод, использующий разность электрических потенциалов по обе стороны мембраны, - электродиализом. Перепад давления по обе стороны мембраны лежит в основе баромембранных методов разделения: микрофильтрации, ультрафильтрации, обратного осмоса и нанофильтрации.

2.1 Диализ

Диализ (от греч. - отделение) основан на диффузионном транспорте веществ через мембраны. Для количественного описания диализа используют уравнения диффузии Фика.

Первый закон Фика позволяет описать стационарный процесс с помощью уравнения (1).

(1)

- плотность потока вещества через мембрану, - приращение количества вещества в приемной секции диализатора, - поверхность мембраны, - время, - коэффициент диффузии вещества в мембране, 1 и 2- концентрации вещества в мембране на границе с исходной и приемной секциями электродиализатора, - толщина мембраны.

Уравнение (1) показывает, что разделяемые при диффузии компоненты движутся от больших концентраций в исходной секции к меньшим концентрациям в приемной секции. Если диффузионный поток одного из компонентов значительно отличается от потоков других компонентов, то его легко выделить из их смеси.

Впервые диализ применил Нолле, установивший в 1748 году, что мембрана из свиного пузыря избирательно пропускает молекулы воды из водно - спиртового раствора. Избирательная диффузия воды через мембраны была им названа осмосом. Критическим моментом в становлении коллоидной химии стало применение Т. Грэмом в 1856 году пергаментных мембран из модифицированной целлюлозы для отделения и очистки коллоидных растворов от истинных растворов.

Молекулярная диффузия - медленный процесс, и для ее ускорения природа создала много дополнительных механизмов. Один из самых эффективных - процесс облегченной диффузии. При облегченной диффузии переносимое вещество вступает в реакцию с другим веществом - переносчиком, образует с ним комплекс, который имеет более высокий коэффициент диффузии. Особенность переносчика заключается в том, что он не покидает мембрану вместе с переносимым компонентом, а остается в ней и вновь используется для нового транспортного акта. Например, гемоглобин является переносчиком кислорода и увеличивает скорость диффузии в 80 раз. Технологическое использование явления облегченной диффузии только начинается, однако уже сейчас применяется процесс, в котором катионообменная перфторированная мембрана, имеющая в качестве подвижных ионов (противоионов) водородные, переносит аминокислоту почти в три раза быстрее, чем мембрана с ионами натрия в качестве противоионов. Причиной этого является образование аминокислотой катионного комплекса с подвижными водородными ионами, выполняющими функции переносчика. Образованный таким образом катион аминокислоты имеет большее преимущество при диффузии в катионообменной мембране, чем биполярный ион аминокислоты.

Диализ электролитов имеет свои особенности в связи с переносом заряженных частиц - ионов. Например, если катионы имеют более высокую подвижность, чем анионы, то они опережают их при диффузии. Стремление более подвижных катионов уйти от менее подвижных анионов (или наоборот) приводит к незначительному разделению в пространстве зарядов, создающему разность электрических потенциалов, называемую диффузионным потенциалом.

Диффузионный потенциал препятствует дальнейшему разделению ионов, и они диффундируют вместе. Диализ применяют для удаления кислот или оснований из сточных вод.

Поскольку молекулярная диффузия электролитов - медленный процесс, то для ее ускорения была использована взаимодиффузия катионов в катионообменной или анионов в анионообменной мембранах. Например, для ускорения транспорта катионов из раствора через мембрану в приемную секцию помещают раствор электролита с общим анионом, но с катионом, который не влиял бы на качество очистки раствора в исходной секции. Например, для умягчения воды можно в приемную секцию поместить раствор хлорида натрия. Противоположно направленные потоки катионов кальция и натрия через катионообменную мембрану не тормозятся потоками анионов, которые остаются при взаимодиффузии на месте. Мембранный метод, использующий взаимодиффузию, был назван доннановским диализом в честь Доннана, исследовавшего особенности равновесия на границах селективной мембраны и раствора. Доннановский диализ находит применение для удаления из разбавленных сточных и производственных растворов изотопов 137Cs, 90Sr, ртути, свинца, цинка, меди, серебра, никеля, кадмия, хрома.

2.2 Электродиализ

Электромембранные процессы обусловлены градиентом электрического потенциала по толщине мембран. Наибольшее применение нашел электродиализ - разделение растворов под действием электродвижущей силы, которая создается по обе стороны полимерных и неорганических перегородок (размер пор (2-8).10-3 мкм), проницаемых для любых ионов (отделение электролитов от неэлектролитов), или ионообменных мембран, проницаемых лишь для катионов либо только для анионов (обессоливание водных растворов или фракционирование солей). Аппараты с ионообменными перегородками (электродиализаторы), напр. для обессоливания растворов NaCl , состоят из ряда камер (ячеек), по которым перемещаются растворы электролитов (Рис. 2).

Рисунок 2. Схематическая диаграмма электродиалического стэка. Чередующиеся катион- и анионпроницаемые мембраны организованны в стэк величиной до 100 пар ячеек. С - катионообменная мембрана; А - анионообменная мембрана

В крайних камерах расположены электроды. Поскольку катионообменные мембраны пропускают лишь катионы, а анионообменные - только анионы, камеры поочередно обогащаются и обедняются электролитом. В результате исходный раствор разделяется на два потока - обессоленный и концентрированный. Разделение ионов с одинаковым знаком заряда происходит вследствие различия между скоростями их переноса через перегородку.

Электродиализ широко используют для обессоливания морской и солоноватой вод, сахарных растворов, молочной сыворотки и др., а также для извлечения минерального сырья из соленых вод.

2.3 Баромембранные процессы

Баромембранные процессы (обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, нанофильтрация) обусловлены градиентом давления по толщине мембран, в основном полимерных, и используются для разделения растворов и коллоидных систем при 5 - 30 °С. Первые два процесса принципиально отличаются от обычного фильтрования. Если при нем продукт откладывается в виде кристаллического или аморфного осадка на поверхности фильтра, то при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. В этих процессах накопление данного вещества у поверхности мембраны недопустимо, т.к. приводит к снижению селективности и проницаемости мембраны.

Обычная фильтрация позволяет отделить от жидкости или газа частицы с размером более 10 мкм. Для процесса используют давление до 2 атм (~200 000 Па). Фильтрация позволяет отделять от растворов и газов водные грибы, эритроциты, цветочную пыльцу, пепел, угольную пыль, простейшие организмы.

2.3.1 Микрофильтрация

Для отделения от жидкости или газа частиц с размером 0,1 ? d ?10 мкм Зигмонди в 1922 году предложил метод микрофильтрации. Микрофильтры имеют меньшие размеры пор, чем обычные, и поэтому требуется избыточное давление до 5 атм. Для микрофильтрации обычно применяют микропористые симметричные мембраны (Рис. 3).

Рисунок 3 - Микропористые мембраны характеризуются длиной поры , пористостью и средним диаметром поры . (a) Срезы пористых мембран, содержащих цилиндрические поры. (b) Поверхности пористых мембран с одинаковой пористостью , но с различными размерами пор.

Главными областями применения микрофильтрации являются получение стерильной воды, осветление и стабилизация вин. Если в левую секцию аппарата, показанного на Рис. 4, подавать под давлением исходный раствор, то истинные растворы будут свободно переноситься в правую секцию, на выходе из которой их можно собирать для использования. Дисперсные частицы, для которых мембрана непроницаема, будут с раствором вытекать из левой секции аппарата. Мембранные методы не только экологически и экономически эффективны, но и позволяют сохранить первоначальный аромат продукта. В пивоварении замена пастеризации микрофильтрацией позволяет сохранить вкус и аромат свежего пива.

Наиболее эффективным способом приготовления мембран для микрофильтрации является бомбардировка поликарбонатных пленок ионами 129Xe, полученными на циклотроне, с последующим травлением треков на поверхности мембраны щелочью и отмывкой. Изготовленные таким образом мембраны называют ядерными, или трековыми. Они в значительно большей степени, чем другие мембраны, обладают равенством радиусов пор (изопористостью).

2.3.2 Ультрафильтрация

Метод ультрафильтрации был предложен Бехгольдом еще в 1907 году. Он позволяет отделять частицы с размером 5·10-7 1·10-5 см. Для проведения ультрафильтрации необходимо избыточное давление от 2 до 10 атм.

Ультрафильтрация позволяет отделять коллоидные растворы и растворы высокомолекулярных соединений, для которых мембрана непроницаема, от электролитов, концентрировать фруктовые соки, кофе, белки из молочной сыворотки, яичный белок. Особо важным применением ультрафильтрации является выделение альбумина и других белков из кровяной плазмы. В самых тяжелых случаях, когда неизвестна группа крови больного, и медлить нельзя, инъекция альбумина спасает человека от смерти. Установки для ультрафильтрации способны отделить от растворов не только бактерии, но и вирусы. Воду, пропущенную через ультрафильтры, можно пить даже тогда, когда исходная вода биологически заражена.

2.3.3 Обратный осмос

Для разделения молекул или ионов Манегольд в 1929 году предложил метод обратного осмоса. Промышленным метод обратного осмоса стал после 1962 года, когда Лоэб и Сурираджан получили асимметричные ацетилцеллюлозные мембраны, имевшие тонкий и плотный активный слой с узкими порами и толстый слой с широкими порами.

Фактической толщиной такой мембраны является толщина активного слоя, и поэтому поток через мембрану значительно больше, чем через однородную (изотропную) мембрану.

Явление осмоса (греч. - толчок, давление) возникает, если, например, в левую секцию ячейки, показанной на Рис. 4 и разделенной селективной мембраной, поместить раствор, а в правую - чистую воду. Концентрация воды в правой секции будет больше, и она диффундирует в левую секцию, разбавляя раствор. Если мембрана полностью непроницаема для ионов или молекул растворенного вещества, то они не переносятся через мембрану. При этом односторонний поток молекул воды из правой секции в левую создает на мембране давление, которое называют осмотическим. Для осмотического давления Вант-Гофф получил уравнение (2)

(2)

- степень диссоциации электролита, - универсальная газовая постоянная, - абсолютная температура, - молярная концентрация раствора.

Например, для морской воды с концентрацией соли 0,6 моль/л осмотическое давление, рассчитанное по уравнению (2), имеет величину 29,3 атм. Для того чтобы поток воды изменил направление (поэтому метод назван обратным осмосом), необходимо, чтобы давление в левой секции превысило осмотическое, так как движущей силой процесса является разность приложенного к мембране и осмотического давлений.

В результате приложения силы большей, чем разность внешнего и осмотического давления, молекулы воды направятся против их градиента от меньших к большим концентрациям. Так как радиус молекулы воды 0,174 нм, а радиус гидратированного иона натрия имеет величину 0,180 нм, то идеальная мембрана должна иметь радиус в этом промежутке. Иметь жесткий радиус такой величины в текучих полимерных мембранах нельзя, поэтому изготавливают мембраны с ионогенными или полярными группами, которые при гидратации сокращают радиус пор.

В качестве мембран для обратного осмоса используют:

- ацетилцеллюлозные;

- полиамидные;

- полисульфоновые;

- полиимидные мембраны.

Из мембран для компактности делают рулоны, формируют из них полые волокна, что существенно увеличивает удельную производительность мембранных установок.

2.3.4 Нанофильтрация

Сравнительно недавно арсенал баромембранных методов пополнил промежуточный между ультрафильтрацией и обратным осмосом метод, который был назван нанофильтрацией. Название указывает на порядок размеров удерживаемых частиц (1 нм 1·10-9 м). Для нанофильтрации требуется давление от 8 до 13 атм. Селективность мембран в процессах нанофильтрации и обратного осмоса оценивают величиной удерживания .

(3)

- концентрация пермеата (раствора, прошедшего мембрану), - концентрация исходного раствора.

У высококачественных мембран при обратноосмотической обработке растворов хлорида натрия , у мембран, применяемых для нанофильтрации , а для мембран, используемых при ультрафильтрации, .

Нанофильтрация применяется для очистки водных растворов от органических веществ и минеральных примесей на стадиях, предшествующих финишной очистке воды ионным обменом или электродиализом с заполнением межмембранного пространства гранулированными ионообменниками.

Заключение

Таким образом, на сегодняшний день существует большое разнообразие мембранных методов очистки и концентрирования, которые можно объединить в три большие группы в зависимости от движущей силы процесса.

Эти методы нашли всеобщее применение в различных сферах деятельности человека, таких как медицина, пищевая промышленность, химическая промышленность, а также для очистки воды.

В будущем предполагается усовершенствование существующих методов, и развитие новых, поскольку мембранные методы являются экономичными и безотходными. Они прокладывают мост между химической технологией и экологией.

Список использованной литературы

1. М. Мулдер, Введение в мембранную технологию, пер. с англ., под ред. Ю. П. Ямпольского, М., МИР: 1999. - 513 с.

2. С. Т. Хванг, К. Каммермейер, Мембранные процессы разделения, М., Химия, 1981. - 465с.

3. Ю. И. Дытнерский, Мембранные процессы разделения жидких смесей, М., Химия, 1975. - 232с.

4. С. Ф. Тимашев, Физикохимия мембранных процессов, М., Химия, 1988. - 240с.

5. Шапошник В.А. Мембранная электрохимия // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. № 2. С. 71- 77.

6. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. М.: Химия, 1986.