Классификация мембран

1. По происхождению

Классификация мембран по происхождению

Рис. 3 - Классификация мембран по происхождению

  • 2. По морфологии или структуре:
    • ? пористые (способны разделять частицы по размеру);
    • ? непористые (способны отделять друг от друга молекулы примерно одинакового размера);
    • ? симметричные (изотропные);
    • ? асимметричные (анизотропные);
    • ? составные, композиционные;
    • ? импрегнированные (жидкие мембраны на пористой подложке).
  • 3. По природе мембранного материала:
    • ? материалы животного или растительного происхождения -биологические мембраны (стенки внутренних органов, клеточные оболочки);
    • ? полимеры как природного происхождения (целлюлоза, продукты ее модификации, хитин, хитозан), так и синтетические;
    • ? комбинированные или композиционные материалы (полимер - полимер, жидкость-полимер, полимер-неорганическое соединение).
  • 4. По геометрической форме:
    • ? плоские (полотна, листы, ленты);
    • ? трубчатые мембраны (цилиндры диаметром от 5 до 15 мм и длиной до 2 м);
    • ? половолоконные, которые подразделяются на полые волокна (внутренний диаметр менее 0,5 мм) и капиллярные мембраны (внутренний диаметр от 0,5 до 5 мм).
  • 5. По агрегатному состоянию:
    • ? твердые;
    • ? жидкие (транспорт с переносчиком) [8].

Виды мембранного транспорта

Для концентрирования или очистки разбавленных растворов широко используются мембранные процессы, осуществляемые под действием перепада давления, или баромембранные процессы. Размер частиц или молекулы, а также химические свойства растворенного вещества определяют структуру мембраны, т.е. размер пор, их распределение по размеру, которые необходимы для разделения данной смеси. Используемые мембраны представляют собой пористые перегородки с определенным размером отверстий. Механизм разделения основан на процессе сепарации или «просеивания» частиц в зависимости от их размера, т.е. происходит селективное удаление всех частиц с размерами большими, чем размер пор мембраны. Частицы, размер которых превышает максимальный размер пор, отсекаются мембраной и переходят в концентрат (ретентат). Большая часть жидкости и частицы, размеры которых меньше максимального размера пор, проходят через мембрану, образуя фильтрат (пермеат). К таким процессам относятся: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос.

  • 1) Микрофильтрация - баромембранный процесс разделения, в котором мембраны не пропускают частицы и растворенные макромолекулы размером свыше 0,1 мкм.
  • 2) Ультрафильтрация - баромембранный процесс разделения, в котором мембраны не пропускают частицы и растворенные макромолекулы размером от 2 нм до 0,1 мкм.
  • 3) Нанофильтрация - баромембранный процесс разделения, в котором мембраны не пропускают частицы и растворенные макромолекулы размером свыше 2 нм. Является процессом, промежуточным между ультрафильтрацией и обратным осмосом, служит для отделения растворенных веществ с молекулярными массами от нескольких сот до нескольких тысяч.
  • 4) Обратный осмос - заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающем осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие молекулы или ионы растворенных низкомолекулярных веществ. Движущей силой обратного осмоса является разница между приложенным гидростатическим давлением и осмотическим давлением раствора.

При переходе от микрофильтрации к ультрафильтрации и обратному осмосу размер (молекулярная масса) отделяемых частиц или молекул уменьшается и, следовательно, размер пор мембран необходимо также сделать меньшим. Это вызывает увеличение сопротивления мембран массопереносу. Соответственно требуется прилагать более высокое давление (движущая сила). Однако между отдельными процессами не существует резких границ. Схематически пределы размеров частиц, отделяемых в каждом из этих процессов, показаны на рис. 4 [5].

Микрофильтрация

Ультрафильтрация

Обратный осмос

0,1 1,0 10 100 1000

Размер молекул,нм

Рис.4 - Размеры молекул растворенных веществ, отделяемых в методах микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса

Получаемый поток продукта зависит от применяемых давлений и сопротивления (или проницаемости) мембраны. Типичные значения применяемых давлений следующие:

Однозарядные ионы

Низкомолекулярные , вещества М

Бактерии

о Многозарядные ионы

Вещества со средним

размером молекул

Высокомолекулярные

вещества

Рис. 5- Применяемые давления в мембранных процессах

  • 5) Электродиализ — это мембранный процесс, в котором движущая сила ионного транспорта поддерживается разностью электрических потенциалов. Этот процесс может быть использован только тогда, когда присутствуют заряженные молекулы. Типичной (и логически обоснованной) характерной чертой этого процесса является необходимость использования ионизированных или заряженных мембран.
  • 6) Первапорация — это процесс, в котором жидкость при атмосферном давлении контактирует с входной поверхностью мембраны, а на противоположной стороне мембраны пермеат удаляется в виде паров с низким парциальным давлением. Низкое парциальное давление пара достигается либо путем использования газа-носителя, либо вакуумного насоса. Оно должно быть со стороны пермеата заметно ниже давления насыщенного пара.

Процесс первапорации включает три последовательные стадии:

  • - селективная сорбция на входной поверхности мембраны;
  • - селективная диффузия через мембрану;
  • - десорбция в парообразную фазу на выходной поверхности.
  • 7) Мембранная дистилляция - термомембранный процесс, протекающий под действием градиента температуры. В этом случае два водных раствора при различных температурах разделены микропористой гидрофобной мембраной, и поэтому в порах мембраны от теплой до холодной стороны имеет место разность парциальных давлений (определяемая разностью температур). Раствор может не смачивать мембрану. Испарение происходит на высокотемпературной стороне, в то время как конденсация пара — на низкотемпературной стороне. Мембранная дистилляция может быть использована для концентрирования и очистки водных растворов (неорганических веществ).
  • 8) Термоосмос - процесс, в котором пористая или непористая мембрана разделяет две фазы, различающиеся по температуре. Вследствие разности температур, возникает объемный поток от более нагретой к более охлажденной стороне, сохраняющийся до установления термодинамического равновесия. В отличии от мембранной дистилляции в этом процессе вместо микропористой используется плотная гомогенная мембрана.
  • 9) Диализ - процесс, при котором движущей силой служит разность концентраций с разных сторон гомогенной мембраны. Наиболее важное применение диализа — в области медицины для лечения пациентов с почечной недостаточностью. Перенос осуществляется с помощью диффузии, а разделение достигается благодаря различной

10) Процесс газоразд ел ения также уже достиг промышленной стадии развития. В этом процессе могут использоваться два различных типа мембран (хотя и в различных режимах применения): плотные мембраны, в которых транспорт реализуется как молекулярная диффузия, и пористые мембраны, в которых действует поток Кнудсена. Промышленное применение газоразделение нашло в процессах извлечения водорода; другие примеры — процессы разделения кислорода и азота, а также метана и углекислого газа [9].

Сырье

Компрессор

Ретентат

'cZZ Пермеат Вакуумный насос

Рис.7 - Схема процесса газоразделения

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >