Что является движущей силой баромембранных процессов? Опишите технологический процесс очистки с помощью баромембранных процессов

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, то есть размер пор, их распределение по размеру, которые необходимы для разделения данной смеси. Различные мембранные процессы можно классифицировать по размерам разделяемых частиц растворенного вещества и, следовательно по структуре используемых мембран. К таким процессам относятся: микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос.

К настоящему времени баромембранные процессы широко используются в системах водоподготовки, при концентрировании и фракционировании растворов, для опреснения соленых вод, для очистки различных промышленных жидких отходов, а также для концентрирования растворов пищевых продуктов и во многих других областях.

Движущей силой баромембранных процессов является перепад давлений. Под влиянием движущей силы, т.е. приложенного давления, растворитель и молекулы некоторых растворенных веществ проникают через мембрану, тогда как другие молекулы или частицы в различной мере задерживаются мембраной (точнее не проходят через нее).

Стадия микрофильтрации.

Микрофильтрация – это баромембранный процесс разделения, в котором мембраны не пропускают частицы и растворенные макромолекулы размером свыше 0,1 мкм. МФ присущ ситовой или экранный механизм разделения, соотношение размеров частиц и размера пор (практический, без учета гидаратации) являются величинами одного порядка. Размеры пор в микрофильтрации варьируются от 10 до 0,05мкм. В данном процессе вся толщина мембраны дает вклад в сопротивление транспорту, особенно при использовании симметричных пористых мембран. Микрофильтрация всегда протекает с образованием осадка на мембране.

Стадия ультрафильтрации.

Относительно ультрафильтрации до недавнего времени существовало мнение, что лишь соотношение размеров молекулы растворенного вещества и пор в мембране определяет, селективна (избирательна) или неселективна мембрана по отношению к данному веществу. Но при УФ на ситовой механизм накладывается явление гидратации. Для УФ мембран сопротивление локализуется в верхнем слое, а нижний слой выполняет лишь функцию подложки. Поры здесь меньшего размера, по сравнению с МФ, гидратация более выражена, на поверхности мембраны имеется заряд.

Стадия обратного осмоса.

Обратный осмос заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающим осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. В основе описываемого метода лежит явление осмоса — самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор (рис. 10.1.- а). Давление, при котором наступает равновесие (рис. 10.1.-б), называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое (рис. 10.1.-в), то перенос растворителя будет происходить в обратном направлении, что нашло отражение в названии процесса «обратный осмос».

Рис. 10.1. Схема осуществления процесса обратного осмоса.

Из данной схемы следует, что движущей силой обратного осмоса является разница между приложенным гидростатическим давлением и осмотическим давлением раствора. Движущей силой процесса является разность давлений:

∆Р=Р-(п3-п2), (10.1.)

где Р – избыточное давление над исходным раствором;

п2 и п3 – осмотическое давление соответственно исходного раствора у поверхности мембраны и раствора, прошедшего через мембрану (пермеата).

Осмотические давления растворов могут достигать десятков мегапаскалей. Рабочее давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше, поскольку их производительность определяется движущей силой процесса — разностью между рабочим давлением и осмотическим.

Несмотря на сравнительно высокие рабочие давления, обратный осмос оказывается энергетически выгоднее большинства других массообменных процессов и даже многокорпусного выпаривания. Обратноосмотический процесс протекает без фазовых превращений, что также позволяет снизить затраты энергии на разделение до минимальной термодинамической энергии.

Многочисленными исследованиями было установлено, что эффект разделения в обратном осмосе обусловлен не простым механическим просеиванием молекул в зависимости от их размеров через поры в мембране, а может быть объяснён лишь с учетом сложных физико-химических взаимодействий между молекулами растворителя и растворённого вещества с мембраной.

Для обеспечения качественной и стабильной работы обратноосмотических мембран в течении длительного периода эксплуатации необходимо обеспечить высокий уровень предварительной очистки, т.к. образование аморфного осадка - геля на поверхности полупроницаемой мембраны резко ухудшает условия её работы.

Помимо качественной предварительной очистки необходимо своевременно проводить химическую очистку мембран, для удаления загрязнений с поверхности, образующихся в процессе эксплуатации.