Введение в мембранные процессы разделения. Классификация мембран и мембранных процессов

Мембранное материаловедение 
 
проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. 
д.х.н. Алентьев А.Ю.  
 
ИНХС РАН

1.  
Введение в мембранные процессы разделения. 
Классификация мембран и мембранных процессов.

МЕМБРАНА: 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ

 

• Мембрана – перегородка, разделяющая различные по составу жидкие или газообразные фазы, способные под действием приложенной движущей силы к селективному переносу компонентов разделяемых фаз.

Более строгое

 

• Мембрана – это фаза или группа фаз, которые разделяют две различные фазы, отличающиеся физически или химически от фаз мембраны; под действием приложенного силового поля свойства мембраны позволяют ей управлять процессами массопереноса между разделяемыми фазами.

Двухфазная система,  
разделяемая мембраной

 

Сырье

 

Мембрана

 

Пермеат

 

Фаза 1

 

Фаза 2

 

Движущая сила

 

ΔC, ΔP, ΔT, ΔE

Главные свойства всех мембран

 

• Проницаемость

 

• Селективность

 

• Стабильность

ТОПОЛОГИЯ МЕМБРАН

 

• Плоские
• Цилиндрические: полые волокна или капилляры
• Оболочки: биологические (клеточные) мембраны, везикулы, эмульсионные мембраны

 

Плоские мембраны

ТОПОЛОГИЯ МЕМБРАН

 

• Плоские
• Цилиндрические: полые волокна или капилляры
• Оболочки: биологические (клеточные) мембраны, везикулы, эмульсионные мембраны

 

Полые волокна

ТОПОЛОГИЯ МЕМБРАН

 

• Плоские
• Цилиндрические: полые волокна или капилляры
• Оболочки: биологические (клеточные) мембраны, везикулы, эмульсионные мембраны

 

ОБОЛОЧКИ

Эмульсионные мембраны

 

Фаза 1

 

Фаза 2

 

Фаза 1

 

Фаза 2

ТИПЫ МЕМБРАН

 

• Биологические:
• Клеточные – транспорт ионов, выведение продуктов метаболизма,
• подача кислорода, передача сигналов и т.д.
• Макроскопические мембраны – почка (диализ), легкое (пертракция).

 

• Синтетические (технологические)

Ионные каналы в клеточных  мембранах

 

Roderick Mac Kinnon Нобелевская премия по химии, 2003

 

Ионный канал для K (бактерия Streptomyces lividans)

СИНТЕТИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

 

• Полимерные

 

• Неорганические:

Керамические

Углеродные

Цеолитные

Стеклянные

Металлические

 

Механизм транспорта в  пористых и непористых мембранах

Полимерная мембрана - предшественник

Углеродная мембрана

Размеры окон цеолитов

Получение композиционных  цеолитных мембран

Микрофотография цеолитной  мембраны

Агрегатное состояние  мембран

 

• Твердые:
• полимерные, неорганические.

 

• Жидкие:
• импрегнированные жидкие,
• эмульсионные, истинно жидкие.

Схема двух типов жидких  мембран

 

Фаза 2

 

Фаза 1

 

Фаза 1

 

Фаза 2

 

Жидкая мембрана

 

Пористая подложка

 

Жидкость

Механизм транспорта

 

• Пассивный

 

• Активный 

Принцип активного транспорта

Активный транспорт с  подвижными и фиксированными  носителями

Механизмы транспорта  с носителем

 

А

 

А

 

А

 

А

 

C

 

АC

 

А

 

C

 

АC

 

А

 

B

 

АC

 

BC

 

Облегченный транспорт

 

Транспорт против градиента

 

Пассивный транспорт

 

Сопряженный транспорт

Различные морфологии  мембран

 

Асимметричные мембраны

 

Симметричные мембраны

 

Пористые мембраны

 

Непористые 

мембраны

l=0,2μ

 

Плотный поверхностный слой 

“Skin”

 

Пористая подложка

 

Мембрана

 ПВТМС

(ИНХС РАН)

Различные типы 

композиционных 

мембран

Мембранные процессы

 

Ж

 

Ж

 

Г

 

Г

 

Ж

 

Г

 

Ж

 

Г

 

Движущая сила

 

Движущая сила

 

Ж

 

Г

Обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, диализ

 

Ж

 

Ж

Баромембранные процессы

Размеры разделяемых молекул

Расход воды на душу населения : 1000 м³/год

 

Бытовые нужды: 9%

Промышленность: 23%

Сельское хозяйство: 68%

 

ПОТРЕБНОСТЬ В ВОДЕ

МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ  ВОДЫ 

Микрофильтрация

 

Движущая сила

 

Давление (<2 атм)

 

Размер пор

 

0,05 – 10 мкм

 

Тип мембраны

 

Симметричная, пористая

 

Объекты разделения

 

Суспензии, коллоидные частицы, бактерии

Ультрафильтрация

 

Движущая сила

 

Давление (<1-10 атм)

 

Размер пор

 

1-100 нм

 

Тип мембраны

 

Асимметричная, пористая

 

Объекты разделения

 

Макромолекулы

(>1000-10 000)

Композиционная ультрафильтрационная  мембрана

АСИММЕРИЧНАЯ МЕМБРАНА

 

Осмос

 

Обратный осмос

Обратный осмос

 

Движущая сила

 

Давление (15-80 атм)

 

Размер пор

 

Непористые или нанопористые (<2 нм)

 

Тип мембраны

 

Асимметричная

 

Объекты разделения

 

Электролиты, низкомолярные неэлектролиты

Диализ

 

Движущая сила

 

Разность концентраций

 

Тип мембраны

 

Симметричная, непористая

 

Мембранные материалы

 

Гидрофильные полимеры

 

Объекты разделения

 

Органические молекулы

 

 

Области применения

 

Гемодиализ, снижение концентрации спирта в пиве

Получение трековых мембран

Микрофотография трековой  мембраны

Газо-и пароразделение

 

Г

 

Г

Газоразделение

 

Движущая сила

 

Разность концентраций (парциальных  давлений газа)

 

Размер пор

 

Непористая (размер элементов свободного  объема 0,2-1,5 нм)

 

Тип мембраны

 

Асимметричная или композиционная

 

Мембранные материалы

 

Полимеры

 

Основные объекты разделения

 

Воздух, H²/N², H²/CH⁴, CO²/CH⁴, осушка газов и др.

Первапорация, мембранная  дистилляция

 

Ж

 

Г

Первапорация

 

Движущая сила

 

Разность активностей (давлений  пара)

 

Размер пор

 

Непористая

 

Тип мембраны

 

Композиционная или асимметричная

 

Мембранные материалы

 

Полимеры

 

Область применения

 

Дегидратация органических растворителей, очистка воды от органических  веществ, разделение азеотропов  и др.

Мембранная дистилляция

Мембранная дистилляция

 

Движущая сила

 

Разность температур и давлений  пара

 

Размер пор

 

0,2 – 1,0 мкм

 

Тип мембраны

 

Пористая симметричная или асимметричная

 

Мембранные материалы

 

Гидрофобные (ПТФЭ, полипропилен)

 

Объекты разделения

 

Получение чистой воды из  растворов солей

Пертракция

 

Ж

 

Г

Пертракция

 

Движущая сила

 

Разность концентраций (парциальных  давлений газа)

 

Размер пор

 

Непористые

 

Тип мембраны

 

Асимметричная или композиционная

 

Мембранные материалы

 

Полимеры

 

Основные задачи

 

Оксигенация (искусственное легкое), озонирование

Электродиализ

Электродиализ

 

Движущая сила

 

Разность электрического потенциала

 

Тип мембраны

 

Симметричная, непористая катионообменная, анионообменная, биполярная

 

Мембранные материалы

 

Сшитые полиэлектролиты

 

Области применения

 

Обессоливание, разделение аминокислот, и.т.д.

Получение хлора и щелочи

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Nafion

 

Nafion/PTFE

 

Протонпроводящие мембраны

Принцип мембранного разделения

 

Сырье

 

Ретентат

 

Пермеат

 

C_^A=C_^B

 

C_^A> C_^B

 

C_^A< C_^B

Плоскорамный модуль

Потоки в плоскорамном  модуле

Спиральный модуль

Половолоконный

модуль

 

 

Retentate

 

Permeate

 

Feed

 

Hollow fibers

Половолоконный модуль

 

Конфигурация модуля

 

 

 

 

ТИП

 

S/V, м²/м³

 

Половолоконный

 

10,000

 

Спиральный 

 

300-1000

 

Плоскорамный

 

100-400

Преимущества мембранных  процессов

 

• Низкие энергозатраты
• Непрерывность процесса разделения
• Легкость масштабирования
• Мягкие условия разделения
• Простота сочетания с другими процессами
• Свойства мембран можно регулировать!

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

 

Внешний контроль

 

Масштабирование

 

Гибкость

 

Цена продукции

 

Расход энергии

 

Отходы

 

Громоздкое 

оборудование