Процессы мембранного разделения смесей

1.

Ваш
логотип

2.

• Для процессов разделения жидких
смесей применяют – перегонку,
ректификацию, экстракцию,
адсорбцию и др.
• Метод разделения жидких смесей с
использованием полупроницаемых
мембран (мембранные методы)
является одним из наиболее
универсальных.

3.

• Обратный осмос – это способ
разделения растворов путем
их фильтрования под
давлением через
полупроницаемые мембраны,
пропускающие растворитель и
задерживающие молекулы
или ионы растворенных
веществ.

4.

• Ультрафильтрацией называется
процесс разделения,
фракционирования и
концентрирования растворов с
помощью полупроницаемых
мембран. При этом жидкость
непрерывно подается в
пространство над мембраной под
давлением 0,1–1,0 МПа.

5. Принцип процесса разделения жидких и газообразных сред

Исходный
поток
Концентрированный
поток
Главное свойство
мембран – способность
разделять компоненты
смесей
Очищенный
поток

6.

• Ультрафильтрация выделяют молочные белки из
вторичных продуктов молочной промышленности и
ценные вещества из других пищевых растворов.
• Ультрафильтрация сырого сахарного сока
позволяет получить чистый, свободный от
коллоидов фильтрат, идущий непосредственно на
кристаллизацию сахарозы.
• Ультрафильтрация заменяет пастеризацию пива. Из
пива удаляются бактерии и высокомолекулярные
вещества, ухудшающие его качество и снижающие
стабильность. Стоимость обработки пива этим
методом в 2,5 раза ниже, чем пастеризацией.
• Обработка виноградных вин обратным осмосом
позволяет решить вопрос их стабилизации.
• Обратным осмосом концентрируют яичный белок

7. Процессы мембранного разделения

1
2
Концентрат
Исходная
смесь
Фильтрат
• Принципиальная схема мембранного
разделения: 1 – аппарат; 2 – мембрана
Ретентант – это часть потока жидкости, которая задерживается и не проходит
через мембраны. Пермеат – фильтрат.

8. Основные параметры процесса мембранного разделения

• Проницаемость, или удельная
производительность, равная
массовому расходу пермеата*
через единицу поверхности
мембраны, определяет скорость
процесса мембранного
разделения.
*Фильтрат

9. Основные параметры процесса мембранного разделения

• Селективность процесса мембранного
разделения может быть охарактеризована с
помощью фактора разделения:
AB ( y A / y B ) /( x A / xB )
где хА , хВ – мольные концентрации
компонентов А и В в исходной смеси;
уА, уВ – мольные концентрации компонентов А
и В в пермеате.
• Селективность может быть также выражена
коэффициентом ( x A y A ) / x A 1 y A / x A
9

10. Основные параметры процесса мембранного разделения

• Для разбавленных растворов, когда хВ =1 и
уВ =1, значение АВ и связаны
соотношением =1- АВ.
• Селективность характеризует
эффективность процесса мембранного
разделения.
• К основным мембранным методам разделения относятся обратный
осмос, ультрафильтрация, испарение через мембрану
(первопарация), диализ, электродиализ, диффузионное разделение
газов.
10

11.

12. Теоретические основы разделения обратным осмосом и ультрафильтрацией

р<
1
Вода
H2 O
Вода
H2 O
H2 O
Раствор
Раствор
H2 O
a
р>
1
р=
1
Вода
Раствор
H2 O
б
H2 O
в
Схемы массопереноса через мембрану:
а – осмос; б – равновесие; в – обратный
осмос (π – осмотическое давление)
11

13. Теоретические основы разделения обратным осмосом и ультрафильтрацией

• В основе метода лежит явление осмоса –
самопроизвольного перехода растворителя через
мембрану в раствор (рис. а) до достижения
равновесия (рис. б).
• Давление, при котором оно устанавливается,
называется осмотическим.
• Если со стороны раствора приложить давление,
превышающее осмотическое (рис. в), то перенос
растворителя будет происходить в обратном
направлении, что нашло отражение в названии
процесса «обратный осмос».

14. Движущая сила обратного осмоса

• Движущую силу ∆р обратного осмоса в случае
применения идеально селективной мембраны (т.
е. при (φ = 100 %) определяют разностью
рабочего давления р и осмотического давления
раствора 1, т. е.
Δр = р - 1,
• Так как мембраны не обладают идеальной
селективностью и наблюдается некоторый
переход через них растворенного вещества,
при расчете движущей силы учитывают
осмотическое давление π2 фильтрата,
прошедшего через мембрану:
p p ( 1 2 ) p

15.

• Разделение обратным осмосом осуществляется без
фазовых превращений, поэтому расход энергии процесса
невелик и приближается к минимальной
термодинамической работе разделения.
• Эта работа L расходуется на создание рабочего
давления в аппарате L сж и на продавливание
жидкости через мембрану L пр:
L = L сж + L пр.
• Работа на сжатие исходного раствора –
практически несжимаемой жидкости – мала, и
тогда ей можно пренебречь, а работу на
продавливание жидкости через мембрану
можно рассчитать как
Lпр = Δр·V
где V – объем продавливаемой жидкости.

16.

ПОЛУЧЕНИЕ ЧИСТОЙ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
СРАВНЕНИЕ МЕМБРАННОЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ И ДИСТИЛЛЯЦИИ
МЕМБРАННЫЕ
НАНОТЕХНОЛОГИИ
ДИСТИЛЛЯЦИЯ
РАСХОД ЭНЕРГИИ НА ОПРЕСНЕНИЕ МОРСКОЙ
ВОДЫ
13 МДж/м3
230 МДж/м3
15

17.

• Ультрафильтрацию в отличие от
обратного осмоса используют
для разделения систем, в
которых молекулярная масса
растворенных компонентов
намного больше молекулярной
массы растворителя.
• Ультрафильтрацию проводят при
сравнительно невысоких давлениях
(0,2-1,0 МПа).

18.

19.

• Нанофильтрация занимает промежуточное
положение между обратным осмосом и
ультрафильтрацией. Нанофильтрацией можно
разделить и концентрировать вещества с
молекулярной массой 300-3000, а также ионы
тяжелых металлов.
• Испарение через мембрану – процесс разделения
жидких смесей с помощью полупроницаемых
мембран, когда разделяемая жидкая смесь вводится
в соприкосновение с одной стороны мембраны, а
проникающий компонент или смесь компонентов в
виде паров отводится с другой стороны мембраны в
вакуум или поток инертного газа.
18

20. Испарение через мембрану

Исходная жидкая смесь
Пар
Концентрат

21.

• Диализ – процесс самопроизвольного разделения
молекул или ионов ВМС и низкомолекулярных
веществ при помощи полупроницаемых мембран,
которые пропускают малые молекулы или ионы и
задерживают макромолекулы и коллоидные частицы.
• Электродиализ. Диализ в электрическом поле в
десятки раз ускоряет процесс очистки растворов от
электролитов. Электродиализ – это процесс
разделения ионов веществ под действием
постоянного электрического поля в растворе.
20

22.

• Диффузионное разделение газов через
полупроницаемые мембраны основано на
различии коэффициентов диффузии газов в
непористых полимерных мембранах под
действием градиента концентрации и
подчиняется законам молекулярной диффузии.

23.

Продолжение следует!

24. Мембраны

• Мембрана – полупроницаемая перегородка,
пропускающая определенные компоненты жидких или
газовых смесей. Мембраны должны удовлетворять
следующим основным требованиям:
1. обладать высокой разделяющей способностью
(селективностью);
2. обладать высокой удельной производительностью
(проницаемостью);
3. быть химически стойким к действию среды разделяемой
системы;
4. иметь механическою прочностью, достаточную для их
сохранности при монтаже, транспортировании и
хранении.
5. не менять свойства в процессе эксплуатации.
23

25. Мембраны

В зависимости от
Мембраны
изготавливаются
из различных
механической
прочности
материалов:
используемых материалов
• полимерных
пленок,
мембраны
подразделяют на
• стекла,
уплотняющиеся
(полимерные)
и си т.жесткой
• металлической
фольги
д.
структурой,
а также на
Наибольшее
распространение
получили
пористые
и непористые
мембраны
из полимерных
пленок.
(диффузионные).

26. Пористые мембраны

• Они имеют как анизотропную, так и изотропную структуру.
• Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный
тонкопористый слой δ= 0,25-0,5 мкм (называемый активным,
или селективным), представляющий собой селективный
барьер. Компоненты смеси разделяются именно этим слоем.
Крупнопористый слой δ 100-200 мкм, находящийся под
активным слоем, является подложкой, повышающей
механическую прочность мембраны.
• Мембраны с анизотропной структурой имеют
высокую удельную производительность, медленнее
закупориваются поры в процессе их эксплуатации.

27. Диффузионные мембраны

• Диффузионные мембраны применяют для
разделения газов, жидких смесей методами
испарения через мембрану, диализа.
• Диффузионные мембраны являются практически
непористыми.
• Они представляют собой квазигомогенные гели,
через которые растворитель и растворенные
вещества проникают под действием градиента
концентраций (молекулярная диффузия).
25

28. Диффузионные мембраны

• Скорость диффузии молекул через диффузионную
мембрану прямо пропорциональна коэффициенту
диффузии, который зависит от размеров молекул и
их формы.
• Диффузионные мембраны применяются для
разделения компонентов с близкими свойствами,
но с молекулами различных размеров.
• Так как диффузионные мембраны не имеют
капилляров, они не забиваются и их проницаемость
остается постоянной в процессе разделения.

29. Диффузионные мембраны

• В зависимости от типа используемых
мембранных аппаратов как пористые, так и
диффузионные мембраны изготовляют
листовыми, трубчатыми либо в виде полых
волокон внутренним диаметром 20–100 мкм,
при толщине стенки 10–50 мкм.
• Мембраны можно изготовлять также на
пористых носителях – подложках различной
конфигурации (так называемые композитные
мембраны).

30.

Основные виды
наноструктурированных мембран
Наноструктурированная мембрана – полупроницаемая
перегородка, пропускающая определенные компоненты
жидких или газовых смесей (размер нанопор 1-100 нм)
Структура плоской
ультра/нанофильтрационной
полимерной мембраны
Структура
трековой
полимерной
мембраны
Структура капилярной
ультрафильтрационной
полимерной мембраны

31.

Разновидности мембранных модулей
Трубчатые
мембранные
модули
Рулонный
мембранный
модуль
Плоскопараллельный
мембранный модуль
Половолоконный
мембранный
модуль

32. Кинетика процессов мембранного разделения смесей

• Теория просеивания предполагает, что в
полупроницаемой мембране существуют поры,
размеры которых достаточны для того, чтобы
пропускать растворитель, но слишком малы
для того, чтобы пропускать молекулы или ионы
растворенных веществ.
• Теория молекулярной диффузии основана на
неодинаковой растворимости и на различии
коэффициентов диффузии разделяемых
компонентов в полимерных мембранах.
30

33.

• Теория каппилярно-фильтрационной
проницаемости основана на различии
физико-химических свойств граничного слоя
жидкости на поверхности мембраны и
раствора в объеме.

34. Теория каппилярно-фильтрационной проницаемости

• Граничный слой жидкости обладает
упорядоченной структурой, отличается
составом, вязкостью, растворяющей
способностью и др.
• На поверхности и внутри пор (капилляров)
мембраны, погруженной в раствор
электролита, возникает граничный слой
связанной воды (рис. ).

35.

1
Р>
Солевой раствор
1
Р<
Солевой раствор
Обессоленная вода
a
Соленоватая вода
б
К механизму полупроницаемости мембран с высокой (а)
и низкой (б) селективностью
Под действием перепада давления эта вода из граничного слоя перетекает
по капиллярам через мембрану (рис. а), если размер капилляров в
мембране меньше размеров гидратированных ионов соли (20 А0).
Но реальные мембраны имеют поры различного диаметра, в том числе и
крупные (больше 20 А0). Поэтому часть гидратированных ионов соли может
проникнуть через крупные поры (рис. б). Селективность мембраны тем
выше, чем больше толщина граничного слоя и чем больше размеры
гидратированных ионов соли.

36. Влияние различных факторов на мембранное разделение

Факторы влияющие на скорость и
селективность мембранных процессов
разделения:
концентрационная поляризация,
рабочее давление и температура,
гидродинамические условия внутри
мембранного аппарата,
природа и концентрация разделяемой
смеси.
34

37. Влияние концентрационной поляризации

• Концентрационной поляризацией условно
называют повышение концентрации
растворенного вещества у поверхности мембраны
вследствие избирательного отвода растворителя
через поры этой мембраны, она уменьшает
движущую силу процесса.
• Для уменьшения используют перемешивание
раствора над мембраной, увеличивают скорость
протока исходного раствора около мембраны или
применяют турбулизирующие вставки.

38. Влияние давления

• Для полимерных мембран на основании
опытных данных получены эмпирические
зависимости селективности и
проницаемости G от давления p:
=a1p/(a2p+1)
G=b1+b2 lnp
где – а1, а2, b1, b2 - опытные константы для
данной системы мембрана – раствор.

39. Влияние давления

1
2
{
а
{
Давление
б
Поперечное сечение
мембраны в положении без
давления (а) и в рабочем
состоянии (б):
1 – поверхностный
активный слой;
2 – подложка,
обеспечивающая
механическую прочность
мембраны
Повышение давления увеличивает проницаемость, но
следует особо отметить, что с повышением давления
полимерные мембраны деформируются, а при снятии
давления структура мембраны не возвращается в исходное
положение.

40. Влияние температуры

• Повышение температуры исходного
раствора улучшает условия проведения
процесса разделения, т. к. понижает
вязкость раствора и увеличивает скорость
диффузии растворенного вещества.

41. Влияние природы растворенных веществ и концентрации растворенных веществ

• Неорганические вещества задерживаются
мембраной лучше, чем органические;
вещества с большей молекулярной массой
задерживаются лучше, чем с меньшей.
• Повышение концентрации растворенных
веществ в исходном растворе приводит к
повышению осмотического давления, а
также к возрастанию его вязкости. Оба этих
фактора снижают проницаемость мембран.

42. Мембранные аппараты

Четыре основных типа аппаратов,
различающихся способом укладки мембран:
1) аппараты с плоскокамерными
фильтрующими элементами;
2) с трубчатыми фильтрующими элементами;
3) со спиральными фильтрующими
элементами;
4) мембранами в виде полых волокон.

43. Аппараты с плоскокамерными фильтрующими элементами

1
2
3
4
Исходный раствор
Концентрат
5
Фильтрат
6
7
Схема аппарата с с плоскокамерными фильтрующими элементами
(типа «фильтр-пресс»): 1 – мембраны; 2 – пористые пластины; 3 –
камеры; 4,5 – крышки; 6 – шпильки; 7 – коллектор

44. Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами

Основным узлом является изготовленная из керамики,
металлокерамики, пластмассы или металлической ткани пористая
труба, на внутренней поверхности которой расположена
полупроницаемая мембрана.

45. Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами

1
Исходный раствор
3
4
2
Фильтрат
Концентрат
Схема аппарата с трубчатыми фильтрующими элементами:
1 – пористая каркасная труба;
2 – сборник фильтрата;
3 – насос;
4 – турбина

46. Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами

3
2
1
Концентрат
Исходный раствор
Фильтрат
Трубчатый фильтрующий элемент с мембраной внутри пористой
трубки: 1 – полупроницаемая мембрана; 2 – пористая трубка;
3 – дренажная прокладка

47. Аппараты со спиральными фильтрующими элементами

Фильтрат
Концентрат
Конструктивная схема аппарата со
спиральным фильтрующим
элементом: 1 – спиральный
фильтрующий элемент;
2 – корпус аппарата
Аппараты имеют более
высокую, чем предыдущие,
плотность упаковки
мембран, достигающую 300–
800 м2/м3.
1
2
Исходный раствор
Фильтрат

48. Аппараты со спиральными фильтрующими элементам

Фильтрат
Концентрат
3
Фильтрат
Исходный
раствор
4
2
1
Схема спиральной
укладки
полупроницаемых
мембран в элементе
аппарата:
1 – мембраны;
2 – дренажный слой для
отвода фильтрата;
3 – фильтроотводящая
перфорированная труба;
4 – сетка-сепаратор

49. Аппараты с мембранами в виде полых волокон

• Эти аппараты нашли широкое применение
для разделения растворов обратным
осмосом и ультрафильтрацией.
• Мембраны в виде полых волокон для
обратного осмоса обычно имеют наружный
диаметр 45–200 мкм и толщину стенки 10–
50 мкм, а для ультрафильтрации –
соответственно 200–1000 и 50–200 мкм.
• Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в
изготовлении; они легко собираются и удобны в эксплуатации

50. Аппараты с мембранами из полых волокон

Изготавливают следующие группы аппаратов:
1) с параллельным расположением полых
волокон;
2) с цилиндрическими мембранными
элементами;
3) с U-образным расположением полых
волокон.

51. Аппараты с мембранами из полых волокон

5
Концентрат
Исходный раствор
6
Ф ильтрат
1
2
3
4
Конструктивная схема аппарата с мембранами из U-образных
полых волокон: 1 – полупроницаемые мембраны; 2 – шайба; 3 –
пористая подложка; 4 – болты; 5 – корпус аппарата; 6 – крышка
аппарата

52. Мировой рынок мембран

Структура рынка по типу мембран*
Мировой рынок в 2007 году составил 8 665 млн.
долларов США
В 2007 году наибольший
объем производства в
19%
Северной Америке (38%), однако, к 2017 году
лидером рынка станет Азия
31% (38%)
Суммарный объем сегментов мирового рынка
29%
продукции проекта (ультра-, нанофильтрационные и
обратноосмотические (ОО) мембраны) оценивается в
2%
4,8 млрд. долларов
100%
90%
19%
21%
Ультра
80%
70%
60%
37%
42%
50%
Нано и ОО
40%
30%
20%
44%
37%
10%
Микро
0%
2007
Объем потребления, млрд. долларов США*
25
Региональная структура рынка*
100%
19,1
20
2017
90%
80%
2%
3%
29%
22%
31%
38%
70%
15
13,0
60%
50%
8,7
10
40%
5,4
20%
38%
37%
10%
0
2002
2007
2012
2017
Западная
Ев ропа
Азия/Т ихоо
кеания
30%
5
Россия
0%
2007
2017
* Источник: Freedonia Group
Северная
америка

53.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ