Основные разновидности мембранных процессов и их характеристика
В зависимости от агрегатного состояния разделяемой смеси, движущей силы процесса разделения, размеров частиц компонентов и механизма разделения различают несколько разновидностей мембранных процессов:
- диффузионное разделение газов;
- разделение жидкостей методом испарения через мембрану;
- баромембранные процессы разделения жидких смесей;
- электродиализ.
Диффузионное разделение газов основано на различной проницаемости мембран для отдельных газовых смесей. В качестве мембран для осуществления диффузионного разделения газовых смесей используются как сплошные, так и пористые мембраны с размерами пор меньшими, чем длина свободного пробега молекул газов при заданном давлении. Движущей силой процессов диффузии компонентов является разность их концентраций на противоположных поверхностях мембраны.
Диффузионное разделение газов сегодня является наиболее крупномасштабным и экономичным методом и широко используется для получения урана-235, являющегося ядерным топливом, широко используется для создания аппаратов “искусственное лёгкое”, при производстве водорода, выделении гелия из состава природных и нефтяных газов, является перспективным для выделения кислорода из воздуха, удаления диоксида углерода, воды и других компонентов из газовоздушных смесей в системах жизнеобеспечения людей в замкнутых пространствах, для создания контролируемой атмосферы, обогащённой диоксидом углерода, при хранении овощей и фруктов. Весьма перспективным является применение мембранных процессов для очистки газовых выбросов от диоксида серы. Решение этой задачи позволило бы внести существенный вклад в защиту окружающей среды и получать продукты, необходимые для народного хозяйства.
Разделение жидкостей методом испарения через мембрану основано на различной диффузионной проницаемости мембран для паров веществ. Движущей силой процесса является разность концентраций или давлений. Смесь жидкостей, находящихся в контакте с мембраной, нагревают, а пары, проникающие через мембрану, отводят с помощью вакуумирования или потоком инертного газа. Наиболее широко этот метод применяется при разделении азеотропных смесей, а также смесей веществ, имеющих невысокую термическую стабильность. Так, в полупромышленном масштабе осуществлено разделение водных растворов изопропилового, н-пропилового и н-бутилового спиртов, разделение смесей пиридин-вода, водных растворов капролактама, смеси изопропанола, этанола и воды.
Баромембранные процессы разделения жидких смесей на практике осуществляются под избыточным давлением и поэтому объединены в группу баромембранных.
Установки, работающие на принципе баромембранного разделения, уже сегодня широко используются для обессоливания морской и солёной вод, очистки сточных вод, извлечения ценных компонентов из разбавленных растворов, в пищевой промышленности для концентрирования сахарных сиропов, фруктовых и овощных соков, растворимого кофе, для получения ультрачистой воды для электронной промышленности, медицины и фармацевтики.
Если мембранный процесс применяют для отделения от идеального раствора крупных коллоидных или взвешенных микрочастиц размером 0,1…10 мкм, то его называют микрофильтрацией или мембранной фильтрацией.
Микрофильтрация нашла широкое применение в микробиологической промышленности при концентрации водных растворов ферментов, белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других веществ в химической, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности для очистки сточных вод.
Микрофильтрация используется для концентрирования тонких суспензий, осветления растворов, очистки сточных и природных вод при проведении обессоливания морской воды.
Электролиз можно определить как перенос ионов через мембрану под действием электрического тока. При наличии мембран, избирательно пропускающих одни ионы и задерживающих другие, можно решать многочисленные задачи выделения ценных компонентов из растворов, обессоливания воды, снижения жёсткости, электролиза растворов. Среди наиболее перспективных областей применения электродиализа, наряду с отмеченными перечислим концентрирование сбросных карбонат-сульфатных растворов и возврат их в технологический цикл; регенерацию растворов в гальванических производствах; очистку хлор- и медьсодержащих сточных вод, очистку сточных вод в производстве аммиачной селитры; деминерализацию глицерина на предприятиях, вырабатывающих туалетное мыло из нейтральных жиров; получение лимонной кислоты и многих химических реактивов.