Мембранні методи розподілу

До мембранним методам поділу відносяться:

    1. Діаліз і електродіаліз. 2. Зворотний осмос. 3. Мікрофільтрація. 4. Ультрафільтрація.

В основі цих методів лежить явище осмосу – дифузії розчинених речовин через напівпроникну перегородку, що представляє собою мембрану з великою кількістю (дона 1 м2) дрібних отворів – пір, діаметр яких не перевищує 0,5 мкм.

Під мембраною зазвичай прийнято розуміти високопористих або безпористу плоску або трубчасту перегородку, оформлену з полімерних або неорганічних матеріалів і здатну ефективно розділяти частинки різних видів (іони, молекули, макромолекули і колоїдні частки), що знаходяться в суміші або розчині. Використання мембран дозволяє створювати економічно високоефективні і маловідходні технології.

Серед мембранних процесів особливо інтенсивно розвиваються баромембранного. Якщо зворотний осмос вивчений досить повно, то істотно меншою мірою це стосується мікрофільтрації і тим більше ультрафільтрації, незважаючи на її очевидну перспективність. Межі баромембранного методів розділення чітко не визначені, що, по видимому, принципово неможливо, оскільки мікро – та ультрафільтрація і зворотний осмос в широких межах перекриваються як щодо їх фізико-хімічного опису, так і вирішуваних завдань. Отже, наведена класифікація барометричних методів розділення значною мірою умовна. Тим не менше, кожен із зазначених методів має свої характерні особливості, на підставі яких запропоновано декілька їх класифікацій.

Мікрофільтрація, в основному, є гідродинамічним процесом, близьким до звичайної фільтрації. Специфічна особливість мікрофільтрації – використання мембран з діаметром пір від 0,1 до 10 мкм для відділення дрібних частинок твердої фази, у тому числі мікроорганізмів, у цьому випадку її називають стерилизующей фільтрацією. Тому на відміну від процесу фільтрації при мікрофільтрації явища дифузії (особливо при невеликих розмірах пір від 0,1 до 0,5 мкм) також відіграють певну роль.

В основі ультрафільтрації лежить використання мембран з діаметром пір від 0,001 до 0,1 мкм. Ультрафільтрація застосовується для поділу клітин і молекул.

Мембранні методи розділення, стосовно до біологічних суспензіям, мають ряд переваг.

1. Концентрування та очищення здійснюються без зміни агрегатного стану і фазових перетворень.

2. переробляється продукт не піддається теплових і хімічних впливів.

3. Механічне та аеродинамічний вплив на біологічний матеріал незначно.

4. Легко забезпечуються герметичність і асептичні умови.

5. Апаратурне оформлення компактно по конструкції, відсутні рухомі деталі.

6. Процес не володіє високою енергоємністю, в більшості випадків енергія витрачається тільки на перекачування розчинів.

Механізм переносу атомів, молекул або іонів різних речовин через напівпроникні мембрани може бути пояснений одній з наступних теорій.

Теорія просіювання припускає, що в напівпроникною мембрані існують пори, розміри яких достатні для того, щоб пропускати розчинник, але занадто малі для того, щоб пропускати молекули або іони розчинених речовин.

Теорія молекулярної дифузії заснована на неоднаковою розчинності і на розходженні коефіцієнта дифузії поділюваних компонентів у полімерних мембранах. Теорія капілярно-фільтраційної проникності заснована на різниці фізико-хімічних властивостей граничного шару рідини на поверхні мембрани і розчину в об’ємі.

Із запропонованих теорій, набула поширення капілярно-фільтраційна модель.

Основним робочим органом мембранних апаратів є напівпроникні мембрани. Мембрани повинні володіти високою розподільчою здатністю або селективністю, високою питомою продуктивністю або проникністю, сталістю своїх характеристик в процесі експлуатації, хімічною стійкістю в розділяє середовищі, механічною міцністю, невисокою вартістю. Селективність і проникність – це найбільш важливі технологічні характеристики мембран і апарату в цілому.

Селективність мембрани залежить від розміру і форми молекул розчиненої речовини. Слід мати на увазі, що практично у всіх випадках існують молекули, затримувані мембраною лише частково. Мембрани виготовляють з різних матеріалів: полімерних плівок, скла, кераміки, металевої фольги і т. П. Широке поширення отримали мембрани з полімерних плівок.

Напівпроникні мембрани бувають пористі і непористі. Через непористі мембрани процес здійснюється за рахунок молекулярної дифузії. Такі мембрани називаються дифузійними і застосовуються для розділення компонентів з близькими властивостями. Пористі мембрани виготовляються в основному з полімерних матеріалів і можуть бути анізотропними і ізотропним.

Пористі мембрани отримують звичайно шляхом видалення розчинників або вимиванням попередньо введених добавок з розчинів полімерів при їх формуванні. Отримані таким чином мембрани мають тонкий 0,25-0,5 мкм поверхневий шар на мікропористої підкладці товщиною 100-250 мкм. Процес мембранного поділу здійснюється в поверхневому активному шарі, а підкладка забезпечує механічну міцність мембрани.

Широке поширення отримали ядерні мембрани, або нуклеопор. Ці мембрани утворюються опроміненням тонких полімерних плівок, зарядженими альфа-частинками з наступним травленням пір хімічними реагентами.

До основних переваг ядерних мембран відносяться:

– Правильна кругла форма пор;

– Можливість отримати мембрани з наперед заданими розмірами і числом пор;

– Однаковий розмір пор;

– Хімічна стійкість.

Ядерні мембрани виготовляють на основі покарбонатних плівок з діаметром пір від 0,1 до 8 мкм.

Поряд з полімерними відомі мембрани з жорсткою структурою:

Металеві, з пористого скла, кераміки.

Металеві мембрани виготовляють вилуговуванням або сублімацією одного з компонентів сплаву фольги. При цьому отримують високопористі мембрани з порами однакового розміру – в межах 5 0,1 мкм.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 3.00 out of 5)

Мембранні методи розподілу