Мембранная технология

Мембранная технология – принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку. Он отличается отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.

Мембранная технология по сравнению с традиционными приемами (фильтрация и др.) занимает важное место в разделении жидкостных систем. К основным мембранным методам относят:

  1. обратный осмос,
  2. ультрафильтрацию,
  3. микрофильтрацию,
  4. диализ,
  5. электродиализ,
  6. электроосмос.

принцип осмоса

В любом из этих методов раствор соприкасается с полупроницаемой мембраной, которая является областью, разграничивающей две фазы. Мембраны различают по агрегатному состоянию, однородности, пористости, гидрофильности.

Мембраны должны обладать селективностью к задерживаемому веществу, высокой проницаемостью, достаточной механической прочностью, химической устойчивостью по отношению к продуктам фильтрации.

При изготовлении полупроницаемых мембран используют различные материалы: ацетат целлюлозы, полиамид, полисульфон и др. Пористые синтетические пленки получают способом введения в полимер добавок и их вымывания. Это мембрана анизотропной структуры: тонкий (0,25 мкм и менее) поверхностный слой на микропористой подложке толщиной 100– 200 мкм. Разделение происходит в активном поверхностном слое, а подложка обеспечивает прочность мембраны.

Путем облучения полимерных пленок потоком заряженных частиц и последующим химическим травлением получают изотропные мембраны.

В последнее время чаще применяют мембраны жесткой структуры на основе керамических, металлокерамических и других жесткоструктурных материалов.

Для разделения растворов, содержащих крупные взвешенные частицы размером 0,1–1 мкм, используют мембраны с размерами пор 0,1–1 мкм и более. Этот процесс называется микрофильтрацией.

микрофильтрация

Микрофильтрация вин, пива проводится для увеличения их прозрачности и получения микробиологической стабильности.

Использование мембранной техники для осветления соков позволяет получать высококачественные прозрачные соки. В производстве цитрусовых и виноградных соков избыточная кислотность удаляется электродиализом с анионными мембранами.

Мембранное разделение растворов благодаря высокому качеству мембран используется как экспресс-метод определения молекулярных масс. Молекулярная масса, которая может быть определена при помощи ультрафильтрации, меняется от 500 до 100 000. При использовании микрофильтрационных мембран, тщательно откалиброванных, предел измерений может быть расширен.

фильтры на основе микрофильтрационных мембран

Благодаря простоте, универсальности и скорости проведения, метод определения молекулярных масс с успехом применяется в химической, биохимической и других областях науки.

Одним из методов определения молекулярных масс растворов высокомолекулярных соединений является мембранная осмометрия. Этим методом можно определять молекулярные массы в интервале 5-103 до 106. В мембранной осмометрии наиболее часто применяются гельцеллофановые мембраны, выдержанные в воде, полученные осаждением ксантогената целлюлозы, а также мембраны из гидрат-целлюлозы, ацетата и нитрата целлюлозы, полиуретанов, полихлортрифторэтилена, стекол типа Викор.

Эффективным является применение микрофильтров в качестве стационарной фазы для электрофоретического разделения высокомолекулярных соединений.

Методы мембранного разделения нашли широкое применение в процессе разделения изомеров. Разделение осуществляется благодаря результирующему влиянию факторов – отношения коэффициентов диффузии и отношения коэффициентов растворимости.

Совместное влияние этих величин может быть существенным даже в случае близких веществ. Например, молекулы орто-, мета- и параизомеров ксилола имеют различную площадь поперечного сечения и различные диффузии через полиэтиленовую пленку. Изменяя коэффициент диффузии путем обработки растворителем, нагреванием и тому подобное, можно добиться еще большей разницы и более эффективного разделения веществ.

Аналогичным образом можно разделить растворы сахарозы и глюкозы, а также других Сахаров. В этом случае разделение происходит в основном за счет разницы в значениях коэффициентов диффузии. Примером могут служить отделение глюкозы от сахарозы селективным диализом. В связи с тем что эти вещества имеют свою собственную скорость диализа, смесь двух компонентов хорошо разделяется.

Применяются мембранные методы для получения особо чистых химических реактивов, соединений, селективного выделения ценных либо вредных продуктов реакции. Используемые мембраны называют реакционными. Они могут сочетать функции разделителей на нескольких стадиях производства и собственно химического реактора.

Приготовление реакционной мембраны требует нагрузки селективной мембраны соответствующими химическими реагентами, катализаторами, ферментами.

Техника жидких мембран позволяет легко вводить в мембрану химические вещества с требуемыми свойствами.

Использование мембран с фиксированными ферментами приводит к легкому отделению ферментов. Эти мембраны могут применяться повторно, позволяя эффективнее организовать непрерывный ферментный процесс.

Для современного контроля производства большое значение имеет практика использования ионселективных электродов (ИСЭ).

Ионоселективные электроды

Применение ИСЭ основывается на измерении мембранных потенциалов. Эти потенциалы определяются косвенным методом из величины электродвижущей силы электрохимической ячейки, состоящей из мембраны, разделяющей растворы, в которые помещены два электрода сравнения. При соответствующем составе и строении мембраны ее потенциал зависит от активности данного иона по обе стороны мембраны.

Селективность электрода заключается в способности различать ионные частицы различного рода, находящиеся в растворе.

Ионселективные электроды применяют в различных областях: для экспресс-анализа и в контрольно-измерительной аппаратуре при производстве органических соединений и лекарственных препаратов; при тонком биохимическом анализе ферментов, ингибиторов и активаторов ферментативного катализа в биохимических средах; при потенциометрическом титровании, изучении механизма реакции и др.

Успех мембранного разделения зависит в некоторой степени от объективного выбора конструкции аппарата. Можно выделить следующие четыре типа аппаратов:
1. с плоскими мембранными элементами;
2. трубчатыми мембранными элементами;
3. мембранами рулонного типа;
4. мембранами в виде полых волокон.

Наиболее высокая плотность упаковки мембран достигается в аппаратах с полыми волокнами. Они компактны, высокопроизводительны, низкоэнергоемки.

Преимуществом трубчатых аппаратов является относительно невысокое гидродинамическое сопротивление аппарата, что позволяет увеличивать скорость потока разделяемой жидкости до 4–5 м/с. При этом возрастает производительность установки. Их можно использовать для разделения жидкости, содержащей взвешенные частицы, и легко очищать ее от осадков.

разделительный аппарат на основе полых волокон

Достоинствами разделительных аппаратов рулонного типа являются высокая удельная поверхность мембран, низкая металлоемкость, простота в конструкции. Недостатками аппаратов такого типа являются необходимость в подготовке разделяемых систем, замена всего пакета при повреждении мембраны.

Конструктивно просты плоскомерные мембраны, но они трудоемки в сборке и разборке, высокометаллоемки, имеют невысокую плотность укладки мембран в единице объема.

Основными регулируемыми параметрами процесса мембранного фильтрования являются качество получаемых фракций и производительность установки по основному продукту. Эти показатели зависят от удельной нагрузки устройства по исходной смеси, ее температуры, величины движущей силы, сопротивлений осадка и фильтровальной перегородки.

В настоящее время выпускаются аппараты для разделения жидких и газовых смесей с помощью мембран непрерывного и периодического действия. Установки для мембранного разделения жидких систем выпускают фирмы США, Германии, Франции, Дании, Японии, Италии, России и др.

Процессы, основанные на мембранной технологии, кроме самостоятельного применения, хорошо сочетаются с традиционными производственными приемами, используемыми в АПК. Это открывает широкие возможности для создания новых, простых и комплексных, высокоэффективных технологических процессов в отраслях АПК, где необходимо разделение газовых и жидких смесей.

Широко используется мембранная техника в пищевой промышленности (например, для достижения микробиологической стабильности в производстве сиропов и безалкогольных напитков, а также в решении задач водоподготовки). Это приводит к повышению органолептических и физико-химических качеств продукции.

ЧИТАЙТЕ ДАЛЕЕ: