ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Мембранные процессы из "Введение в мембранную технологию" Хотя трудно дать точное определение мембраны, наиболее общее определение может быть следующим мембрана — это селективный барьер между двумя фазами, причем термин селективный может относиться как к мембранам, так и к мембранным процессам. Следует подчеркнуть, что это макроскопическое определение, хотя разделение должно быть рассмотрено на микроскопическом уровне. Это определение ничего не говорит о структуре или функции мембраны. [c.28] Для более четкого понимания могут быть полезны два типа классификации. Согласно одному из них все мыслимые или существующие мембраны разделяются на два больших класса — природные (биологические) и синтетические мембраны. Это самое ясное из возможных отличий и в то же время очень существенное, поскольку оба типа мембран принципиально отличаются и по структуре и ро функциям. Хотя в нашей книге рассматриваются синтетические мембраны, в гл. II частично обсуждаются также и биологические мембраны. Последние могут подразделяться на мембраны живых организмов и мембраны, способные функционировать вне организма. Первые существенны для жизни на земле, они не включены в эту книгу, потому что тогда бы ее объем резко возрос. Второй тип биологических мембран (липосомы и везикулы фосфолипидов) становятся все более важными в современных разделительных процессах, особенно для медицины и медицинской биологии. Синтетические мембраны могут подразделяться на органические (полимерные или жидкие) и неорганические. Оба типа обсуждаются более детально в гл. III. [c.29] Другой способ классификации мембран — по морфологии, или по структуре, — также очень наглядный, поскольку структура мембраны определяет механизм разделения и, следовательно, применение. Если мы ограничимся твердыми синтетическими мембранами, то можем выделить два типа мембран, а именно симметричные и асимметричные. Эти два класса могут подразделяться и дальше, как показано схематически на рис. 1-5. [c.29] Толщина симметричных мембран (пористых и непористых) лежит в пределах от 10 до 200 мкм, причем сопротивление массопереносу определяется общей толщиной мембраны. Уменьшение толщины мембраны приводит к увеличению скорости транспорта. [c.29] Композиционная мембрана Рис. 1-5. Схема различных мембран в разрезе. [c.30] Различия в мембранах и структурах мембран будет более подробно объяснено в гл. П-У1, где описаны материалы, формование мембран, методы определения характеристик мембран, мембранный транспорт и мембранные процессы. [c.30] В роли феноменологического коэффициента, связывающего потоки и силы, могут выступать коэффициент диффузии О, закон Фика), коэффициент проницаемости Ьр, закон Дарси), коэффициент теплопроводности (а, закон Фурье), кинематическая вязкость и = г]/р, закон Ньютона) и удельная электропроводность (1//2, закон Ома). Феноменологические уравнения представлены в табл. 1-7. [c.32] При использовании таких уравнений транспортные процессы считаются макроскопическими, а мембрана — черным ящиком. Введение понятия структуры мембраны эквивалентно учету трения или сопротивления проникающей через мембрану молекуле или частице. [c.32] Движущая сила может быть градиентом давления, концентрации, электрического потенциала или температуры. Обзор различных мембранных процессов и движущих сил дан на рис. 1-7 и в табл. 1-8. Для описания транспорта чистого компонента, проникающего через мембрану, можно применить линейные соотношения. Однако, когда проникают два или более компонента, такие соотношения в общем случае не могут быть применены, поскольку могут происходить явления сопряжения потоков и сил. Явления сопряжения могут быть описаны в терминах и формализме неравновесной термодинамики. [c.32] Когда нужно задержать частицы диаметром более 100 нм, можно использовать более открытую мембранную структуру. Гидродинамическое сопротивление таких мембран низко, и малые движущие силы (низкое гидростатическое давление) достаточны для достижения больших потоков. Такой мембранный процесс называется микрофильтрацией. [c.33] Чтобы макромолекулы (с молекулярной массой от 10 до более чем 10 ) удалить из водных растворов, структура мембраны должна быть более плотной, и, следовательно, мембрана будет иметь более высокое гидродинамическое сопротивление. В этом случае применяется более высокое давление, чем при микрофильтрации этот процесс разделения называется ультрафильтрацией. [c.33] Также возможно разделить низкомолекулярные компоненты с приблизительно одинаковыми размерами. В этом случае используется очень плотная асимметричная мембрана, что приводит к очень высокому гидродинамическому сопротивлению этот процесс называется гиперфильтрацией или обратным осмосом. При переходе от микрофильтрации через ультрафильтрацию к обратному осмосу гидродинамическое сопротивление сильно возрастает и соответственно требуется все более высокая движущая сила, в то же время поток продукта через мембрану и размер молекул (частиц) сильно уменьшается. [c.33] В настоящее время к промышленным мембранным процессам относятся микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос. Другие мембранные процессы, включенные в этот класс, — это электродиализ и газоразделение. Электродиализ — это мембранный процесс, в котором движущая сила ионного транспорта поддерживается ргизностью 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. [c.34] Процесс газоразделения 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. [c.34] Такие процессы, как первапорация, разделение с помощью жидких мембран и газоразделение, часто называют мембранными процессами второго поколения. Как видно из табл. 1-8, первапорация — это мембранный процесс, в котором существует фазовый переход от жидкости в сырьевой фазе к пару в пермеате. Это означает, что в аппарат должно подводиться тепло, по крайней мере равное теплоте испарения проникающего продукта. Первапорация в основном используется для обезвоживания органических смесей. [c.34] Если вместо микропористой используется плотная гомогенная мембрана, то этот процесс называется термоосмосом. По сравнению с мембранной дистилляцией в этом случае нет фазового перехода, и характеристики разделения и механизм ргизделения совершенно иные. [c.35] Когда движущей силой служит разность концентраций с разных сторон гомогенной мембраны, этот процесс называется диализом. Наиболее важное применение диализа — в области медицины для лечения пациентов с почечной недостаточностью. Перенос осуществляется с помощью диффузии, а разделение достигается благодаря различной скорости диффузии из-за различия молекулярных масс. [c.35] В мембранных процессах, описанных здесь, используются твердые (полимерные или в некоторых случаях керамические либо стеклянные) мембраны. Разделение может также достигаться при транспорте через жидкую пленку, в которой один из компонентов растворим и переносится с помощью (пассивной) диффузии. Этот процесс часто усиливается добавлением растворимого специфического переносчика, который способствует транспорту. Жидким мембранам сегодня уделяется большое внимание, поскольку с их помощью могут быть решены весьма специфические проблемы разделения. [c.35] Принципы всех мембранных процессов, упомянутых здесь, обсуждаются более детально в гл. VI. Все обсужденные процессы уже применяются на практике или существуют хорошие перспективы для достижения такого применения. Существует также ряд мембранных процессов, которые используются очень ограниченно или вообще не вызывают экономического интереса. Эти процессы, например пьезодиализ и термоосмос, также описаны в гл. VI. [c.35] Вернуться к основной статье