86 Обратный осмос и ультрафильтрация.
Схема разделения р-ра обратным осмосом.
Равновесное состояние наступает, когда гидростатическое давление между раствором и растворителем, определяемое разностью уровней, станет равным осмотическому давлению (р = p1).
Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое (р > p1), то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направлении. В этом случае будет иметь место обратный осмос. Растворитель, прошедший через мембрану, называют фильтратом.
Движущей силой процесса обратного осмоса является перепад давления Dр = р - p1, где р — избыточное давление под раствором; p1 —осмотическое давление раствора.
Если в процессе обратного осмоса наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества, то при расчете движущей силы следует учитывать осмотическое давление фильтрата Л2, прошедшего через мембрану. Тогда Dр = р - (p1-p2) = р - Dp.
Для приближенного расчета осмотического давления может быть использована формула Вант-Гоффа p = x R T, где х — мольная доля растворимого вещества; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура раствора, К.
Ультрафильтрацию применяют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных в растворителе компонентов значительно превышает молекулярную массу растворителя. Для разделения водных растворов ультрафильтрацию применяют, когда растворенные компоненты имеют молекулярную массу 500 и выше. Движущей силой ультрафильтрации является разность рабочего и атмосферного давления. Обычно ультрафильтрацию проводят при невысоких давлениях, равных 0,1— 1,0 МПа.
Ультрафильтрация протекает под действием перепада давлений до и после мембраны.
В зависимости от назначения процесса ультрафильтрации применяют мембраны, которые пропускают растворитель и преимущественно низкомолекулярные соединения (при разделении высоко- и низкомолекулярных соединений), растворитель и определенные фракции высокомолекулярных соединений (при фракционировании высокомолекулярных соединений), только растворитель (при концентрировании высокомолекулярных соединений).
Разделение обратным осмосом и ультрафильтрацией происходит без фазовых превращений. Работа расходуется на создание давления в жидкости и продавливание ее через мембрану: Ам = АС+АПР, где АС — работа на сжатие жидкости; АПР — работа на продавливание через мембрану. Так как жидкость несжимаема, величиной АС обычно пренебрегают. Работа на продавливание жидкости определяется по формуле АПР = DрV, где Dр — перепад давления на мембране; V — объем продавливаемой жидкости.
87. Диализ. Электродиализ. Певропарация.
Первопарация – это мембранный процесс разделения жидких смесей с помощью непористых (сплошных) мембран, в котором пермеат отводится в виде пара.
Сущность метода: разделяемая смесь приводится в соприкосновение с одной стороной полупроницаемой мембраны. Проникающие через мембрану пары, состав которых зависит от температуры, состава исходной смеси и др. факторов, отводятся в поток инертного газа или при вакуумировании, а затем конденсируется.
Диализ – процесс мембранного отделения низкомолекулярных веществ от коллоидных частиц и ВМС путем преимущественного диффузионного переноса через мембрану малых молекул.
Электродиализ – процесс разделения ионов растворов электролитов под действием постоянного электрического поля, когда положительные и отрицательные ионы электролита перемещаются к соответствующим электродам, проникая при этом через ионообменные мембраны.
Используется для обессоливания природных вод, при очистке производственных стоков, а также для утилизации кислот и щелочей.
Аппарат состоит из нескольких разделенных ионтовыми мембранами камер, образующих ячейки.
Ячейка включает диализную и смежные с ней рассольную или электродную камеры.
Катионовые мембраны, заряженные отрицательно, пропускают катионы и отталкивают анионы, анионовые мембраны наоборот.
88. Мембраны, их свойства, пористость, проницаемость, селективность.
Мембраны – полупроницаемый материал, проходя через который смесь жидкости или газа обогащается одним из компонентов.
Мембраны различают по размерам пор. Если размер пор больше 50 нм, то это макропористые. Если от 50 до 2 нм то это мезопористые, а если меньше 2 нм, то это микропористые мембраны. Проницаемость (удельная производительность) G при данном давлении определяется количеством фильтрата V, получаемое в единицу времени t с единицей рабочей поверхности мембраны F.
G = V/F∙t Эффективность мембранного разделения зависит от свойств применяемых мембран. Они должны обладать высокой разделяющей способностью (селективностью), большой удельной производительностью (проницаемостью), устойчивостью к среде, неизменностью характеристик при эксплуатации, механической прочностью. Селективность определяется по формуле: 
Со-C/Cо)∙100=(1-С/Со)∙100
89. Влияние различных факторов на процесс мембранного разделения смесей.
С повышением температуры разделяемого раствора селективность мембран изменяется мало, удельная производительность увеличивается в первом приближении обратно пропорционально вязкости пермеата (в том диапазоне температур, где мембраны не разрушаются от термических воздействий). Однако с повышением температуры возрастает скорость гидролиза полимерных мембран и сокращается срок их службы. Учитывая это, а также то, что использование теплообменников усложняет и удорожает процесс, обратный осмос целесообразно проводить при температуре окружающей среды (обычно 20-25 С). В тех случаях, когда технологический раствор, подвергаемый разделению, уже имеет повышенную температуру, экономически оправдана работа при температурах выше 25℃.
С увеличением перепада рабочего давления через мембрану возрастает движущая сила обратного осмоса и увеличивается удельная производительность мембран. Однако при высоких давлениях полимерные мембраны подвергаются уплотнению, которое при определенном давлении, зависящем от структуры мембраны, может неитрализовать эффект, связанный с повышением движущей силы. Кроме того, при высоких давлениях мембраны быстрее загрязняются взвешенными в растворе микрочастицами, поскольку в этих условиях загрязняющим частицам легче внедриться в поры мембраны, а на поверхности мембраны образуется более плотный осадок задержанных микрочастиц. Практика применения обратного осмоса показывает, что в условиях длительной эксплуатации оптимальный перепад давления для полимерных плоских мембран составляет 56 МПа, а для мембран в виде полых волокон 2.-ЗМlПа.
90. Аппараты для мембранного разделения смеси.
Мембранные аппараты подразделяют на плоскокамерные, трубчатые, рулонные, с полыми волокнами, а также электродиализаторы (см. выше). В плоскокамерных аппаратах (рис. 3) разделительный элемент состоит из двух плоских (листовых) мембран, между к-рыми расположен пористый дренажный материал. Элементы размещены на небольшом расстоянии один от другого (0,5-5 мм), в результате чего между ними образуются мембранные каналы, по к-рым циркулирует разделяемая смесь. Образовавшийся концентрат выводится из аппарата, а пермеат отводится по дренажному материалу в коллектор. Для турбулизации потока путем поперечного перемешивания и предотвращения соприкосновения проницаемых элементов применяют сетку-сепаратор. В случае необходимости значит. концентрирова-ния исходного р-ра в аппарате устанавливают неск. последовательно работающих секций. Пов-сть разделительной мембраны, приходящаяся на единицу объема аппарата, т.е. плотность упаковки мембраны, для плоскокамерных аппаратов низка (60-300 м2/м ), поэтому их используют в установках небольшой производительности для разделения жидких и газовых смесей.
