Массообмен через полупроницаемые перегородки (мембраны)

ЛЕКЦИЯ 42

Массообмен через полупроницаемые перегородки (мембраны)

42.1. Общие сведения

Процессами мембранного разделения смесей, или мембранными процессами называют разделение смесей посредством полунепроницаемых мембран.

Природа за миллионы лет эволюции живых организмов выработала наиболее совершенный метод разделения с использованием полупроницаемых мембран. Однако идея применения полупроницаемых мембран для технологических целей стала реальной лишь сравнительно недавно в связи с развитием наших знаний о природе и структуре веществ, а также новыми достижениями в различных отраслях науки и, прежде всего, в разработке и производстве синтетических материалов. В настоящее время мембранные методы разделения интенсивно развиваются и используются в химической, нефтехимической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности.

К основным мембранным методам разделения относятся: обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, испарение через полупроницаемую мембрану, диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов. В любом из этих процессов жидкая или газовая смесь вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной  (рис. 42.1); вследствие особых свойств полупроницаемой мембраны через нее проходит один из компонентов или несколько компонентов и происходит обогащение или, наоборот, обеднение исходной смеси. Движущей силой того или иного мембранного процесса могут быть: градиент давлений, градиент температур, градиент концентраций, градиент электрического потенциала. В некоторых случаях возможно их сочетание.

Отличительной особенностью всех мембранных процессов является простота аппаратурного оформления, возможность осуществлять процессы при температуре окружающей среды, безреагентность, экономичность.

Рисунок 42.1 – Схема разделения смеси на полунепроницаемой мембране:
1 – аппарат; 2 – мембрана.

Прошедший через мембрану продукт принято называть пермеатом, а оставшуюся перед мембраной разделенную смесь – ретантом (или концентратом).

Процессы мембранного разделения характеризуются двумя основными параметрами: проницаемостью  и селективностью .

Проницаемость  (кг/м^2.с), или удельная производительность характеризует количество пермеата  (кг/с), полученного при данной движущей силе в единицу времени (с) c единицы поверхности  мембраны,  м²:

                                           .                                        (42.1)

Селективность φ (%)характеризует эффективность процесса мембранного разделения

                 %,  или  %,             (42.2)

где с₁ – концентрация распределяемого компонента в исходной смеси; с₂ – концентрация распределяемого компонента в пермеате.

Обратный осмос. Метод обратного осмоса состоит в фильтровании растворов под давлением, превышающим атмосферное, через полунепроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ.

В основе метода лежит явление осмоса. Если раствор отделен полунепроницаемой мембраной, то явление осмоса будет выражаться в самопроизвольном переходе через мембрану в основном растворителя (рис. 42.2).

Рисунок 42.2 – Схемы массопереноса через мембрану:
а – осмос; б – равновесие; в – обратный осмос.

Когда процесс достигает равновесия, то давление над раствором будет