IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время широкое применение в пищевой, медицинской, электронной и других отраслях промышленности для стерилизующей, осветляющей и тонкой фильтрации жидких сред применяются патронные фильтры, основным элементом которых является полимерная мембрана. В качестве полимеров чаще других используют полиамид, эфиры целлюлозы, полиэтилентерефталат, фторсодержащие полимеры, политетрафторэтилен.

Микрофильтрация – это наиболее распространённый промышленный мембранный процесс, применяемый для извлечения взвешенных или коллоидных микрочастиц размером от 0,1 до 10 мкм из жидкостей и газов. Микрофильтрация расположена между обычной фильтрацией (макрофильтрацией) и ультрафильтрацией без резко выраженных границ. Данный процесс относится к баромембранным вследствие того, что микрофильтрация происходят под действием давления.

Осветление и стерилизация биологических и фармацевтических жидкостей, лекарственных препаратов, тонкая очистка газовых сред, получение стерильного воздуха, фильтрация воды, микробиологи­ческая стабилизация вин, осветление алкогольных и пивобезалкогольных напитков, сервисных сред — это некоторые задачи, которые решаются при помощи микрофильтрационного оборудования.

Мембраны в промышленности производят из различных полимеров, к ним относятся эфиры целлюлозы, полиакрилонитрил, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид, полисульфон, политетрафторэтилен и т.д. Однако одну из лидирующих позиций в производстве микрофильтрационных мембран получил полиамидам; причиной тому послужил комплекс свойств: эластичность, прочность, стойкость к действию многих растворителей, гидрофильность, смачиваемость и устойчивость к щелочному гидролизу. Знание и умение изменять свойства полимерных растворов, позволяют целенаправленно регулировать их структуры и, таким образом, улучшать свойства получаемых мембран; все потому, что большинство характеристик полимерных изделий закладывается в растворе, из которого они формуются.

В последние годы одна из актуальных задач технологии фильтрации – это разработка технологии получения фильтровальных материалов, частично или полностью инактивирующих на их поверхности и в объеме рост микроорганизмов. Микроорганизмы вследствие накопления в порах фильтрующих материалов и на поверхности образуют колонии, разрастающиеся и превращающиеся в биопленки. Это, в первую очередь, относится к мембранным системам водоподготовки различного назначения и процессов получения. Вследствие этого, разработка и получение фильтроэлементов - важная задача, которая позволяет обеспечить стерильность фильтрата и гарантирует отсутствие пророста через полимерную мембрану.

Моя работа, являющаяся частью исследовательской деятельности кафедры химических технологий, имеет цель определения содержания количества веществ, экстрагируемых из мембранных модулей.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Мембранные модули

Мембрана - это фильтрующая перегородка, размеры пор которой приближаются к размеру молекул.

Мембраны изготовляют из разных материалов: полимерных пленок, металлической фольги, стекла и т. д. Наиболее распространены мембраны из полимерных пленок.

Мембраны должны обладать такими свойствами, как высокая разделяющая способностью (селективность); высокая удельная производительность (проницаемость); химическая стойкость в разделяющей среде; механическая прочность; постоянство своих характеристик в процессе эксплуатации; невысокая стоимость.

Полупроницаемые мембраны подразделяют на пористые и непористые. В процессе молекулярной диффузии растворенные вещества и растворитель проникают под действием градиента концентрации через непористые мембраны. Такие мембраны называют диффузионные. Это квазигомогенные гели. Скорость диффузии компонентов через такие мембраны зависит от энергии активации, когда частиц компонентов взаимодействуют с материалом мембран.

Скорость диффузии зависит и от подвижности отдельных звеньев мембранной матрицы и от размеров диффундирующих частиц. Скорость будет выше в том случае, когда мембрана начнет сильнее набухать.

Скорость диффузии молекул через мембрану прямо пропорциональна коэффициенту диффузии, который в свою очередь зависит от размеров молекул и их формы.

Диффузионные мембраны используют при разделении компонентов с близкими свойствами, но с молекулами , имеющими различные размеры.

Диффузионные мембраны не забиваются и, таким образом, их проницаемость постоянна в процессе разделения, потому что они не имеют капилляров.

Такие мембраны обычно используют при разделении газовых и жидких смесей при помощи испарения через мембрану.

Пористые мембраны используют при проведении процессов обратного осмоса и ультрафильтрации. Их в основном изготавливают из полимерных материалов. Полимерные мембраны подразделяются на анизотропные и изотропные.

Мембрана, имеющая анизотропную структуру, включает в себя тонкий поверхностный слой на микропористой «подложке». На поверхностном активном слое происходит разделение, и весь перепад давления практически приходится на этот слой.

Мембраны, имеющие изотропную структуру, образуются при облучении заряженными частицами тонких полимерных пленок, за которым следует травлением химическими реагентами. Изотропные мембраны выпускают на основе поликарбонатных пленок [3].

1.2.Мембранные процессы разделения

В основе мембранных процессов разделения лежит преимущественная проницаемость одного или нескольких компонентов жидкой или газовой смеси, а также коллоидной системы через разделительную перегородку – мембрану. Пермеатом (фильтратом), называется фаза, которая прошла через мембрану, а задержанная – концентратом. Разность химических или электрохимических потенциалов (электромембранные процессы), концентраций (диффузионно-мембранные процессы), давлений (баромембранные процессы), или комбинации нескольких факторов являются движущими силами мембранных процессов разделения.

Разделение при помощи мембран – это ничто иное как результат конкурирующих взаимодействий компонентов смеси с поверхностью перегородки. Эффективность разделения оценивается такими показателями как селективность, коэффициент разделения и проницаемость.

Селективность мембран

j = 1 — С₂/С₂, (1.1)

где С₁ и С₂ – концентрации компонентов исходной смеси и пермеата;

Коэффициент разделения мембран

Kp= (С_А1/С_А2)/(С_В1/С_В2), (1.2)

где С_А1, С_В1 и С_А2, С_В2– концентрации компонентов А и В в начальной смеси и пермеате;

Проницаемость (удельная производительность) мембран

G = V/Ft, (1.3)

где V – количество смеси, прошедшей за время t через мембрану, F – площадь поверхности перегородки.

По размеру задерживаемых частиц баромембранные процессы подразделяются: макрофильтрация, микрофильтрация, ультрафильтрация и нанофильтрация – обратный осмос. В табл.1.1 представлена классификация баромембранных методов фильтрации[1].

Таблица 1.1

Классификация баромембранных методов

Метод	Размер пор мембраны	Рабочее давление, МПа
Макрофильтрация	Более 10 мкм

Код для цитирования: Скопировать