Мембранная технология – это одно из новых направлений развития химических технологических процессов, целью которых является разделение жидких и газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран. Процесс разделения основан на том, что некоторые компоненты системы проходят через мембрану медленнее других или вовсе задерживаются. Эффективность разделения оценивается показателями «селективность», «производительность», «коэффициент разделения». Разделение смесей через мембрану осуществляется в основном при температуре окружающей среды без фазовых превращений, что обусловливает простоту конструкции мембранных аппаратов и экономичность процесса.
Растворы разделяют с помощью следующих способов мембранной технологии: обратного осмоса, ультрафильтрации, диализа, электродиализа, микрофильтрации.
1. способ разделения обратным осмосом заключается в том, что раствор под давлением 3-8 МПа подается на полупроводниковую мембрану, пропускающую растворитель (воду) и задерживающую полностью или частично молекулы или ионы растворенного вещества. Суть способа состоит в следующем: если концентрация вещества в растворе А больше, чем в растворе В, находящихся по разные стороны мембраны, то возникает поток молекул (ионов) этого вещества через мембрану от раствора А к раствору В. Этот поток можно остановить, если повысить давление в растворе В. Разность давлений, при которой прекращается переход через мембрану вещества, называется осмотическим давлением. При обратном осмосе используют плоскокамерные, трубчатые или рулонные аппараты с разделительными мембранами в виде пленок и полых волокон. Метод применяется для опреснения соленых и очистки сточных вод, разделения смесей путем удаления одного из составляющих, концентрирования растворов и др.
2. Ультрафильтрация относится к процессу мембранного разделения растворов и коллоидных систем, в которых молекулярная масса растворенных (диспергированных) компонентов намного больше молекулярной массы растворителя (дисперсионной среды). Для разделения в данном случае применяется небольшое избыточное давление 0.1-0.8 МПа. При этом значительное влияние оказывает на ультрафильтрацию «концентрационная поляризация», приводящая к гелеобразованию или выпадению осадка у поверхности мембраны. Используется ультрафильтрация для очистки сточных вод от высокомолекулярных соединений, очистки крови и биологически активных веществ, вакцин, вирусов, молока, фруктовых соков и др.
3. Микрофильтрация используется для разделения коллоидных систем при помощи полимерных высокопористых пленок, часто нанесенных на подложки (пластины, цилиндры, сетки, бумажные листы). Их толщина составляет 10-350 мкм, размер пор 0,01-0,1 МПа. Микрофильтрация применяется для очистки технологических растворов и воды от тонкодиспергированных веществ. Основные достоинства способа – простота конструкционного оформления установки, большая производительность при малых эксплуатационных затратах.
4. Диализ предназначен для разделения растворенных веществ, значительно различающихся молекулярными массами. Способ основан на неодинаковых скоростях диффузии веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Применяется диализ при производстве искусственных волокон, ряда биологических препаратов, для очистки растворов биологически активных веществ.
5. Электродиализ – способ разделения ионизированных соединений под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей мембраны. Разделение ионов с одинаковым знаком заряда происходит в результате различия скоростей их переноса через мембрану. Способ широко используется для обессоливания морской воды и соленой воды, для очистки растворов биологически активных веществ.
6. М ембранное газоразделение представляет собой разделение газовой смеси на компоненты или ее обогащение в аппаратах с непористыми перегородками (мембранами). Способ основан на различии между коэффициентами газопроницаемости компонентов газовой смеси. Для разделения газовых смесей применяются мембраны из стекла, металлов, полимерных материалов. Наибольшей производительностью обладают асимметричные мембраны, состоящие из пористого и сплошного слоев, причем толщина последнего составляет около 0, 25% общей толщины мембраны.
Недостатки мембранных способов разделения (обратного осмоса и ультрафильтрации): в процессах опреснения и обессоливания образуются вода и концентрированный раствор, который содержит смесь неорганических веществ в виде ионов; их нельзя использовать в дальнейшем и нужно сбрасывать в окружающую среду.
Мембранная технология является одним из приоритетных направлений НТП, т.к. она открывает путь к созданию ресурсосберегающих процессов, оказывает благоприятное воздействие на экологическую ситуацию. В перспективе предусматривается значительный рост объемов производства с применением обратноосматических и ультрафильтрационных мембран, стойких в агрессивных средах. Разрабатывается поколение новых мембран, получаемых методом синтеза на границе раздела фаз, а также модифицируемых плазменной обработкой или радиационной прививкой. Широко развернуты работы по созданию мембран с использованием целенаправленного регулирования свойства и соотношения центров активированного переноса веществ в полимерах