Методы разделения смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Любое тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от воздействия окружающей среды, называют системой. Системы могут быть гомогенными и гетерогенными. Гомогенными называют такие системы, внутри которых нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга части системы, различающиеся по свойствам. Гетерогенными называют такие системы, внутри которых имеются поверхности раздела, отделяющие друг от друга части системы, различающиеся по свойствам.

Гомогенную часть системы, отделенную от других частей системы поверхностью раздела и обладающую однородным составом и определенными физическими свойствами, отличными от других частей системы, называют фазой.

Системы и фазы могут состоять из одного или нескольких химически однородных веществ или компонентов, которые могут быть выделены из системы и существовать в изолированном виде длительное время.

Всякая неоднородная система состоит из двух или более фаз, при этом одна из них, дисперсная или внутренняя фаза, характеризуется мелко раздробленным (дисперсным) состоянием, другая же, дисперсионная, или внешняя фаза, окружает отдельные частицы первой и является той средой, в которой распределены частицы дисперсной фазы.

Деление систем на гомогенные и гетерогенные несколько условно. По существу, все системы состоят из дисперсионной среды и дисперсной фазы и различаются лишь размерами частиц последней: в гомогенных системах частицы дисперсной фазы имеют размеры молекул и атомов.

В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды гетерогенные системы могут быть газовыми, жидкими и твердыми.

РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ

Характеристика газовых гетерогенных систем.

Газовые неоднородные системы представляют собой газообразную дисперсионную среду, в которой взвешены твердые или жидкие частицы.

Эти системы делят на две большие группы: механические и конденсированные системы, отличающиеся друг от друга главным образом размером частиц.

Механические газовые системы получаются при дроблении твердых тел, при распыливании жидкостей или в иных процессах, где твердые или жидкие частицы распределяются в газе; такие диспергированные в газе частицы называются пылью. Размеры твердых частиц пыли колеблются в пределах 5-50 мю.

Конденсированные газовые системы получаются при конденсации частиц из газа или пара или при химическом взаимодействии двух газов, в результате чего частицы газа (пара) переходят в твердое или жидкое состояние. В первом случае получаются дымы, во втором - туманы. Размеры частиц в конденсированных газовых системах колеблются в пределах 0,3-0,001 мю.

Указанные выше пределы размеров частиц пылей, дымов и туманов являются в значительной мере условными. Средние размеры взвешенных в газе частиц некоторых применяемых в технике веществ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Следует указать, что частицы конденсированных систем могут объединяться в более крупные агрегаты и образовывать частицы, превышающие по размерам даже частицы механических взвесей. С другой стороны, твердые частицы, взвешенные в газах, получающиеся при сжигании твердых веществ, например в пылевидных колчеданных печах, при распиливающей сушке и др., могут приближаться по размерам к конденсированным частицам.

Взвешенные частицы размером от 1 мю и ниже находятся в так называемом броуновском движении, возникающем вследствие теплового движения отдельных молекул дисперсионной (в данном случае газообразной) среды.

Частицы размером меньше 0,1 мю практически уже не оседают под влиянием силы тяжести и могут находиться во взвешенном состоянии неограниченно большое время.

В химической промышленности имеется много источников образования неоднородных газовых систем. Пыли образуются при дроблении твердых материалов, просеивании, смешивании, пересыпании и в других механических процессах.

Дымы и туманы образуются в различных процессах, сопровождающихся конденсацией паров: при выпаривании жидкостей, сушке распылением и многих других.

В процессах горения часто образуются дымы, представляющие собой дисперсионную газовую среду со взвешенными в ней твердыми и жидкими частицами, причем первые возникают при неполном сгорании, а вторые при конденсации водяных паров. Примером образования дымов может также служить выпадение хлористого аммония в виде мельчайших твердых взвешенных частичек при смешении газообразного аммиака с хлористоводородным газом.

Примером образования туманов является конденсация серной кислоты в виде мельчайших капелек, образующихся при взаимодействии серного ангидрида с влажным воздухом.

В производственных процессах часто приходится проводить разделение газовых неоднородных систем для очистки газов от взвешенных в них твердых и жидких частиц.

Применяемые методы очистки газов могут быть разделены на следующие основные группы:

Механическая или сухая очистка, при которой осаждение частиц пыли происходит под действием механической силы: силы тяжести или центробежной силы.

Мокрая очистка путем пропускания газа через слой жидкости или орошения его жидкостью.

Фильтрование газов через пористые материалы, не пропускающие частиц, взвешенных в газе.

Электрическая очистка газов путем осаждения взвешенных в газе частиц в электрическом поле высокого напряжения.

Механическая очистка газов

Наиболее простым способом очистки газов от взвешенных в них частиц является осаждение этих частиц под действием силы тяжести в отстойных аппаратах и под действием центробежной силы, развиваемой потоком газов в центробежных аппаратах, называемых циклонами.



Рис. 1

Отстойные камеры. Для предварительной грубой очистки газов можно применять отстойные камеры, в которых отделение твердых взвешенных в газе частиц происходит вследствие свободного осаждения их под влиянием силы тяжести. Твердая взвешенная частица, попавшая с газом в отстойный аппарат (рис. 95), совершает сложное движение: она движется вдоль аппарата со скоростью wи под влиянием силы тяжести-вниз со скоростью осаждения w0. Величина абсолютной скорости движения частицы может быть определена как диагональ параллелограмма со сторонами wи w0. Длина аппарата l должна быть такой, чтобы частица, двигаясь с этой абсолютной скоростью, успела осесть на его дно.

Теоретически производительность отстойного аппарата определяется по уравнению расхода:

Если отстаивание частицы пыли в аппарате протекает за время т, то а следовательно,



В этих формулах принято: Н-высота аппарата в м; b-ширина аппарата в м; l-длина аппарата в м\ F0=bl-площадь горизонтального сечения аппарата или площадь плана его в м2;

w0-скорость осаждения. Уравнение (1-192) показывает, что теоретически производительность отстойных аппаратов не зависит от их высоты, а лишь от площади их сечения в плане и скорости осаждения.

Рис. 2

Простейшим устройством для предварительной очистки газов от пыли являются отстойные газоходы (рис. 2). Для лучшего осаждения пыли в газоходах иногда устраивают вертикальные перегородки, благодаря которым удлиняется путь газа и уменьшается его скорость, что способствует лучшему пылеулавливанию.

Для грубой очистки от пыли главным образом горячих печных газов применяют также пылеосадительные камеры (рис. 3), в которых газовый поток с помощью большого числа горизонтально расположенных стальных перегородок разбивается на ряд плоских горизонтальных струй.



Рис. 3

Газ, подлежащий очистке, непрерывно поступает через регулировочный шибер 2 в канал 3 и распределяется в камере между перегородками-листами 1. При прохождении газа вдоль камеры взвешенные твердые частицы оседают на поверхностях листов, а очищенный газ посту-пает через сборный канал 4 в вертикальный канал 5 и из него через за-слонку 6 направляется в газоход. Пыль, осевшая на листах, периодически сгребается с них специальными скребками через дверцы 7. Камера и газоходы сооружаются кирпичными.

Для того чтобы камера могла работать все время, ее обычно делят на два самостоятельных отделения, из которых одно находится в работе, а другое в это время очищается от пыли. Отделения отключаются при помощи колокольных песочных затворов; выгрузка пыли производится при помощи скребков через люк.

Расстояние между листами в камере обычно равно 40-100 мм. Для того чтобы частицы, успевшие осесть в камере, не захватывались потоком газа, скорость последнего не должна быть больше максимально допустимой величины, определяемой по уравнению

Мокрая очистка газов

Мокрую очистку применяют в тех случаях, когда допустимы увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а отделяемые от газа твердые взвешенные частицы имеют незначительную ценность. Мокрую очистку газа производят путем промывки его водой или какой-либо другой жидкостью.

Газ приводится в тесный контакт с жидкостью, которую разбрызгивают или распределяют в виде стекающей тонкой пленки. Аппараты для мокрой очистки работают также по принципу использования действия инерционных сил; при ударе газового потока о стенки, смоченные жидкостью, последняя поглощает взвешенные в нем частицы.

Под действием центробежных и инерционных сил взвешенные частицы довольно полно извлекаются из газа, который охлаждается и насыщается парами жидкости. Охлаждение газа ниже температуры конденсации находящихся в нем паров жидкости способствует и удалению из газа мельчайших твердых частиц, играющих в данном случае роль центров конденсации.

Фильтрация газов

Очистку газов от пыли производят также путем их фильтрации. Этот метод заключается в пропускании газа, содержащего взвешенные частицы, через пористые перегородки, обладающие свойством пропускать частицы газа и задерживать на своей поверхности твердые частицы, взвешенные в нем.

Выбор пористой перегородки обусловливается рядом факторов, из которых основными являются: химические свойства фильтруемого газа и его температура и размеры взвешенных частиц, которые должны быть задержаны фильтром.

Производительность фильтра (и его размеры) зависит от скорости фильтрации, которая определяется количеством газа, проходящего в единицу времени через единицу поверхности фильтрующей перегородки. Скорость фильтрации газов в значительной мере зависит от давления газа и сопротивления фильтрующей перегородки.

Рис. 4

Электрическая очистка газов

Механическим методам очистки газов и соответствующей аппаратуре присущи существенные недостатки.

Аппараты, в которых осаждение частиц происходит под действием силы тяжести (пылеосадительные камеры), громоздки и малоэффективны, и в них невозможно улавливать частицы размером менее 10 мю.

Циклоны значительно более компактны и производительны, но центробежные силы и силы инерции, возникающие при перемене направления газового потока, не дают возможности получить достаточную полноту очистки газов от мелкой пыли; кроме того, использование циклонов связано со значительным расходом энергии на продвижение газа, а сами аппараты подвержены износу от действия абразивной пыли.

В гидравлических пылеуловителях происходит охлаждение и насыщение газа парами жидкости, что в ряде случаев недопустимо.

При мокрой очистке часто приходится выделять представляющую ценность пыль из осадка, вследствие чего значительно удорожается очистка газа.

Тканевые фильтры не могут быть применены для очистки горячих и химически агрессивных газов; кроме того, эти фильтры быстро загрязняются и разрушаются.

Поэтому в ряде случаев применяется электрическая очистка газов.

Этот метод газоочистки обладает следующими преимуществами:

1. Принципиально возможно получить самую высокую чистоту газа. Правда, по экономическим соображениям степень очистки газа в электрофильтрах ограничивают 90-99%; превышение этих пределов привело бы к чрезмерному удлинению времени пребывания газа в электрическом поле и соответственно к увеличению объема аппаратуры.

2. Расход энергии на осаждение частиц составляет 0,1-0,8 квт. на 1000 м3газа, а потеря напора в электрофильтрах не превышает нормально 3-15 мм вод. ст. Таким образом, суммарные затраты энергии невелики.

3. Электрическую очистку можно производить также при высоких температурах и в условиях химически агрессивных сред.

4. Возможна полная автоматизация процесса очистки.

Данный метод основывается на ионизации очищаемого газа, путём его самостоятельной(!) ионизации. Осаждение пыли происходит на осадительный электрод.

Мембранное газоразделение

Мембранное газоразделение - разделение на компоненты газовых смесей или их обогащение одним из компонентов. При использовании пористых перегородок с преим. размером пор (5-30).10-3 мкм. разделение газов происходит вследствие т. наз. кнудсеновской диффузии. Для ее осуществления необходимо, чтобы длина своб. пробега молекул была больше диаметра пор мембраны, т. е. частота столкновений молекул газа со стенками пор превышала частоту взаимных столкновений молекул. Поскольку средние скорости молекул в соответствии с кинетич. теорией газов обратно пропорциональны квадратному корню их масс, компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями. В результате пермеат обогащается компонентом с меньшей мол. массой, концентрат - с большей. В реальных условиях весьма трудно с помощью пористых мембран обеспечить чисто кнудсеновский механизм разделения компонентов. Это объясняется адсорбцией или конденсацией их на стенках пор перегородки и возникновением дополнительного т. наз. конденсационного либо поверхностного газового потока.

При применении непористых мембран разделение газов осуществляется за счет разной скорости диффузии компонентов через перегородки. Для таких мембран проницаемость газов и паров на 2-3 порядка ниже, чем для пористых, но селективность значительно выше.

Мембранное газоразделение применяют: с помощью пористых мембран - в производстве обогащенного U, для очистки воздуха от радиоактивного Кr, извлечения Не из природного газа и т.п.; посредством непористых мембран для выделения Н2 из продувочных газов производства NH3 и др., для обогащения воздуха кислородом, регулирования газовой среды в камерах плодо-, овощехранилищ, извлечения Н2, NH3 и Не из прир. и технол. газов, разделения углеводородов и в перспективе для рекуперации оксидов S из газовых выбросов.

РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКИХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ И ИСТИННЫХ РАСТВОРОВ

гетерогенный газ очистка частица

Жидкие гетерогенные системы

Жидкие гетерогенные системы делятся на следующие три класса:

1. Суспензии-системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и твердых взвешенных в ней частиц.

2. Эмульсии-системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и взвешенных в ней жидких частиц одной или нескольких других жидкостей.

3. Пены-системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и взвешенных в ней частиц газов.

Отстаивание и декантация

Неоднородные жидкие системы с более или менее грубым раздроблением дисперсной фазы поддаются разделению под действием одной только силы тяжести. Если плотность дисперсной фазы больше плотности дисперсионной среды, взвешенные частицы оседают на дно сосуда, и, наоборот, если плотность дисперсионной среды больше плотности взвешенных частиц, последние всплывают кверху. Осаждение под действием силы тяжести твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой среде называют отстаиванием (сгущением, седиментацией). Скорость осаждения взвешенных частиц зависит как от их плотности, так и от степени дисперсности, причем осаждение будет протекать тем медленнее, чем меньшими размерами обладают частицы дисперсной фазы и чем меньше разность плотностей обеих фаз. Практически методом отстаивания и декантации пользуются главным образом для разделения грубых суспензий.

Фильтрация

В тех случаях, когда при разделении суспензий недопустимы потери жидкости с осадком или взвешенные твердые частицы весьма плохо оседают, или же необходимо выделить твердую фазу в виде осадка с некоторым минимальным содержанием влаги, метод отстаивания и декантации неприменим. В этих случаях суспензии разделяют при помощи фильтрации.

Процесс фильтрации основан на задержании твердых взвешенных частиц пористыми перегородками, способными пропускать только жидкость и задерживать частицы твердой фазы. В результате непосредственного контакта суспензии с поверхностью пористой перегородки и разного давления до и после перегородки жидкая фаза проходит через поры перегородки и собирается в виде освобожденного от твердых частиц фильтрата, а твердые частицы задерживаются на поверхности перегородки, образуя слой осадка, который затем удаляется.

Фильтрация находит в настоящее время широкое применение в технике как универсальный метод разделения суспензий, начиная от самых грубых и кончая тонкими мутями, и используется даже для разделения некоторых коллоидных растворов; в последнем случае необходим соответствующий фильтрующий материал.

При фильтрации жидкая фаза должна преодолеть гидравлическое сопротивление, оказываемое фильтрующей перегородкой току жидкости. Однако величина пор фильтрующей перегородки и ее сопротивление имеют значение только в начальный момент процесса, так как в дальнейшем на поверхности фильтрующей перегородки постепенно отлагается осадок. Этот увеличивающийся по мере протекания процесса слой осадка обычно используют как фильтрующую среду и стремятся уменьшить его гидравлическое сопротивление, что достигается путем периодического или непрерывного удаления большей части осадка с фильтрующей перегородки, иногда с последующей промывкой поверхности перегородки растворителями.

Характер и толщина слоя осадка, отлагающегося на поверхности фильтрующей перегородки, являются в большинстве случаев важнейшими факторами, определяющими эффективность фильтрации - производительность фильтра и расход энергии на проталкивание жидкости через фильтр. Большинство фильтрующих перегородок в начале процесса фильтрации обладает низкой задерживающей способностью, и при фильтрации тонких суспензий первые порции фильтрата почти всегда содержат некоторое количество суспендированных частиц, прошедших через поры перегородки вместе с жидкостью.

Такое явление будет наблюдаться до тех пор, пока на поверхности перегородки не возникнет слой осадка, имеющий поры значительно меньших размеров, чем поры перегородки. Этот слой и будет задерживать почти полностью все твердые частицы.

Степень полноты разделения в значительной мере зависит от давления, при котором протекает процесс фильтрации. Фильтрат получается более чистым, если фильтрацию начинают при низком давлении, а затем повышают его по мере увеличения осадка.

Существенное значение имеет также равномерность давления; при непрерывном и равномерном давлении может быть достигнута полнота разделения, если же давление неравномерно и передается толчками (например, при подаче суспензии на фильтр-прессы при помощи поршневых насосов), из-за возникающих при этом гидравлических ударов в фильтрат могут попасть наиболее тонко раздробленные частицы.

Хроматограмфия

Хроматограмфия (от греч. чсюмб - цвет) - метод разделения, анализа и физико-химического исследования смесей веществ; основан на различной подвижности компонентов исследуемого объекта в тонком слое вещества: распределении веществ между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент); разработан в 1903 году русским биохимиком М.С.Цветом; название метода связано с первыми экспериментами по хроматографии, в ходе которых Михаил Цвет разделял ярко окрашенные растительные пигменты: он показал, что при пропускании смеси растительных пигментов через слой бесцветного сорбента индивидуальные вещества располагаются в виде столбика с отдельно окрашенными зонами - хроматограммы. Развитие и широкое распространение метод получил только в 40-х - 50-х годах XX века после открытия других методов Х. и областей их применения. Х. основана на распределении исследуемого вещества между двумя фазами - неподвижной и подвижной. Неподвижная фаза - сорбент с развитой поверхностью, подвижная, называемая элюентом, -газообразный или жидкий поток.

Для проведения Х. используют специальные приборы - хроматографы, которые имеют 3 основных узла: хроматографическая колонка, детектор и устройство для ввода пробы. После ввода пробы в хроматограф под действием потока подвижной фазы компоненты смеси начинают перемещаться вдоль колонки, заполненной сорбентом, с различными скоростями, величины которых обратно пропорциональны коэффициенту распределения компонентов. То есть хорошо сорбируемые компоненты передвигаются вдоль слоя сорбента медленнее, чем плохо сорбируемые, поэтому первым из колонки выходит компонент с наименьшим коэффициентом распределения, затем с более высоким и т.д. Сигнал детектора автоматически записывается и регистрируется (обычно на диаграммной ленте самописцем) в виде графика, отражающего расположение хроматографических зон на слое сорбента или в потоке подвижной фазы во времени.

В зависимости от природы взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов между подвижной и неподвижной фазой Х. может быть:

Адсорбционная хроматография.

Распределительная хроматография.

Ионообменная хроматография.

Эксклюзионная хроматография.

Осадочная хроматография.

В зависимости от агрегатного состояния элюента Х. может быть газовая хроматография и жидкостная хроматография.

В зависимости от места нахождения сорбента Х. может быть колоночная хроматография и плоскостная хроматография.

В зависимости от способа перемещения разделяемой смеси вдоль слоя сорбента различают следующие виды Х.:

Фронтальная хроматография.

Проявительная хроматография.

Вытеснительная хроматография.

РЕКТИФИКАЦИЯ

РЕКТИФИКАЦИЯ (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся т-рами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом осн. отличие Р. от дистилляции, при к-рой в результате однократного цикла частичное испарение-конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.

Для Р. обычно используют колонные аппараты, наз. ректификационными колоннами, в к-рых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила Р. - разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК). Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар - вверх, жидкость - вниз), при достаточно большой, высоте колонны в ее верхней части можно получить практически чистый целевой компонент.

В зависимости от т-р кипения разделяемых жидкостей Р. проводят под разл. давлением: атмосферным (т. кип. 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими т-рами кипения, напр. сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их т-р кипения). Р. можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной Р. применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней-укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). При периодической Р. в колонне производится только укрепление пара. Различают Р. бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

Ректификация бинарных смесей. Процесс осуществляют при дискретном (ступенчатом) контакте фаз в тарельчатых колоннах или непрерывном контакте фаз в насадочных колоннах.

Непрерывная Р.

При Р. в тарельчатых аппаратах исходная смесь низкокипящего компонента поступает в среднюю часть колонны; верх. продукт-дистиллят в отбирается из дефлегматора, а обедненный этим компонентом остаток отводится в качестве нижнего продукта из куба-испарителя. Образующиеся в нем пары поднимаются по колонне, контактируя на тарелках со стекающей жидкостью, и поступают в дефлегматор, откуда часть образовавшегося конденсата, наз. флегмой, возвращается в верх. часть колонны.

Перекристаллизация

Перекристаллизация - метод очистки вещества, основанный на различии растворимости вещества в растворителе при различных температурах (обычно интервал температур от комнатной до температуры кипения растворителя, если растворитель - вода, или до какой-то более высокой температуры.

Перекристаллизация подразумевает плохую растворимость вещества в растворителе при низких температурах, и хорошо - при высоких. При нагревании колбы с смесью вещество растворяется. После стадии адсорбции примесей (если это необходимо) активированным углём, при охлаждении образуется перенасыщенный раствор, из которого растворённое вещество выпадает в виде осадка. После пропуска смеси через колбу Бузена и воронку Блюхера получаем очищенное растворённое вещество.

Достоинство метода: высокая степень очистки. [1]

Недостаток метода: сильные потери вещества в ходе перекристаллизации: всегда часть растворённого вещества в осадок не выпадет, потери при перегонке нередко составляют 40-50 %.

Растворителем могут быть вода, уксусная кислота, этанол (95 %), метанол, ацетон, гексан, пентан - в зависимости от условий. [1]

Если растворителем является вода, то нагревание проводят в водяной бане. Охлаждение перенасыщенного раствора проводят с помощью водяного холодильника, если температура кипения растворителя ниже 130 градусов, если выше - с помощью воздушного холодильника.

Мембранные методы разделения смесей

Исследование процессов разделения с использованием молекулярных сит позволило выделить мембранный метод, как наиболее перспективный для тонкой очистки. Этот метод, характеризуется высокой четкостью разделения смесей веществ. Полупроницаемая мембрана - перегородка, обладающая свойством пропускать преимущественно определенные компоненты жидких или газообразных смесей. Широко мембранный метод используют для обработки воды и водных растворов, очистки сточных вод, очистки и концентрации растворов.

При ультрафильтрации происходят разделение, фракционирование и концентрирование растворов. Один из растворов обогащается растворенным веществом, а другой обедняется. Мембраны пропускают растворитель и определенные фракции молекулярных соединений. Движущая сила ультрафильтрации - разность давления по обе стороны мембраны. Эта сила затрачивается на преодоление сил трения и взаимодействия между молекулами жидкой фазы и полимерными молекулами мембраны. Обычно процесс ультрафильтрации проводят при сравнительно низких рабочих давлениях 0,3 - 1 МПа. Увеличение давления выше указанного приводит к уплотнению мембраны, уменьшению диаметра пор, изменению селективности разделения и, как правило, к снижению производительности.

Ультрафильтрации обычно подвергаются вещества, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.

Недостаток процесса - сильная концентрационная поляризация, т.е. на поверхности мембраны может образовываться плотный осадок - слой геля. Гидравлическое сопротивление этого слоя в ряде случаев может быть выше, чем сопротивление самой мембраны. Способы снижения концентрационной поляризации различны: увеличение скорости омывания поверхности мембраны потоком разделяемой жидкости, работа в пульсирующем режиме подачи раствора, турбулизация потока. Точка гелеобразования зависит от его химических и физических свойств.

Ультрафильтрация - новая технология. Результат разделения - два раствора, один из которых является обогащенным, а другой - обедненным растворенным веществом, содержащимся в исходном, подлежащем разделению веществе. Большое значение имеет использование этого процесса при разделении веществ, чувствительных к температурному режиму, так как при ультрафильтрации растворы не нагреваются и не подвергаются химическому воздействию. Отсюда очень низкие энергетические затраты, примерно в 20 - 60 раз ниже, чем при дистилляции.

Из всех видов мембранного разделения ультрафильтрация нашла наиболее разнообразное применение. Важное промышленное применение ультрафильтрации - разделение эмульсии масла и воды.

Ультрафильтрационные системы за счет поверхностей фильтрации и прочной структуры материала мембран обеспечивают разделение растворов без потерь и отделение чистого фильтрата от взвесей. Поэтому ультрафильтрацию часто используют для улавливания волокон и частиц из фильтрата после использования волокнистых и зернистых фильтров ионообменных и сорбционных систем. Область использования ультрафильтрации постоянно расширяется. Причина - возможность восстановления из сточных вод ценных компонентов, которые другим способом восстановить очень трудно или вообще невозможно.

Стойкость материала, из которого изготовлены мембраны, определяет их долговечность и работоспособность.

Мембраны на основе производных целлюлозы неустойчивы к действию кислот и щелочей. Ацетатные мембраны наиболее устойчивы в области pH=4,5-5; при pH=6 срок службы этих мембран сокращается почти вдвое, а при pH=10 составляет всего несколько дней. Ацетатные мембраны неустойчивы к действию органических растворителей и активных веществ, так как они образуют сольваты с ацетатами целлюлозы, вызывая их набухание.

Диализ - освобождение коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных веществ от растворённых в них низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а неспособные диализировать (проходить через мембрану) коллоидные частицы остаются за ней. Простейший диализатор представляет собой мешочек из коллодия (полупроницаемого материала), в котором находится диализируемая жидкость. Мешочек погружают в растворитель (например в воду). Постепенно концентрации диализирующего вещества в диализируемой жидкости и в растворителе становятся равными. Меняя растворитель, можно добиться практически полной очистки от нежелательных примесей. Скорость диализа обычно крайне низка (недели). Ускоряют процесс диализа увеличивая площадь мембраны и температуру, непрерывно меняя растворитель. Процесс диализа основан на процессах осмоса и диффузии, что объясняет способы его ускорения.

Диализ применяют для очистки коллоидных растворов от примесей электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Диализ применяют в промышленности для очистки различных веществ, например в производстве искусственных волокон, при изготовлении лекарственных веществ.

Материал, прошедший через мембрану, называется диализат.

Обратный осмос (гиперфильтрация) - разделение растворов низкомол. соединений благодаря различной подвижности компонентов в порах мембран. В случае самопроизвольного перехода растворителя через мембрану в раствор давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, растворитель будет переноситься в обратном направлении (отсюда назв. процесса). Поскольку мембраны обычно не обладают идеальной проницаемостью, наблюдается некоторое проникание через них растворенного вещества. Поэтому движущая сила обратного осмоса (а также ультра- и микрофильтрации) Dр = р - (p1 - p2) = р - Dp, где р - давление над исходным раствором, p1 и p2-осмотич. давления раствора и пермеата. Рабочее давление процесса 1-10 МПа. Размеры молекул или ионов растворенного вещества, а также растворителя и размеры мембранных пор имеют одинаковый порядок (1 - 5).10-3 мкм.

Селективность и проницаемость мембран для обратного осмоса определяются рабочими температурой и давлением и, кроме того, рН, концентрацией и природой исходной смеси. При высокой т-ре происходит постепенное уплотнение (усадка) мембран, что снижает их ресурс. С повышением давления проницаемость перегородок проходит через максимум, а селективность, как правило, возрастает. Под действием рабочего давления мембраны также уплотняются, что способствует уменьшению G (G - проницаемость), но практически не вызывает изменения j (селективность). Скорость уплотнения несколько снижается, если процесс осуществляют при небольших т-ре и давлении или при использовании композитных мембран. Наилучшие условия работы полимерных перегородок достигаются в случае разделения смесей в нейтральной среде при комнатной т-ре.

Процесс обратного осмоса широко используется для опреснения морской воды и очищения питьевой воды для различных целей с начала 1970-х годов.

Использованная литература

1. Гельперин Н.И. "Основные процессы и аппараты химической технологии" кн. 1, М.: Химия, 1981.

2. Дытнерский Ю.И. «Мембранные процессы разделения жидких смесей», М., 1975.

3. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения, пер. с англ., М., 1981.

4. Коган В.Б. Азеотропная и экстрактивная ректификация, 2 изд., Л., 1971.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, 9 изд., М., 1973.

Размещено на Allbest.ru