Мембранная дистилляция

Заказать работу

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Учебно-научный институт химии

 

Реферат по курсу

«Химическая кинетика, мембранные и каталитические процессы»:

Мембранная дистилляция.

 

Выполнил: студент 3 курса 33-й учебной группы

Александров Евгений

Преподаватель: к.х.н Пулялина Александра Юрьевна

 

2017

Введение.

Проблемы современной энергетики в последние десятилетия обращают повышенное внимание к перспективам физико-химических технологий и стимулируют появление новых методов и технологических процессов. Одним из таких методов, набирающих популярность в различных областях прикладной химии, стал метод мембранного разделения. Как отдельно, так и в сочетании с другими методами мембранные методы позволяют решить ряд достаточно актуальных технологических задач, таких как глубокая очистка воды, получение биотоплива, сепарация трудноразделяемых смесей и т.д.

 

Частным случаем методов мембранного разделения стала мембранная дистилляция (МД), в основе которой лежит проницаемость пористой гидрофобной мембраны для пара при одновременной непроницаемости для несмачивающих поверхность мембраны жидкостей. О данном методе и пойдёт речь в данном докладе.

 

Краткая историческая справка.

 

Начало изучения мембранных процессов пришлось на середину XX-го века. При этом исследования явления диффузии жидкостей через мембраны из различных материалов на ранних стадиях носило скорее эмпирический характер. Созданию устойчивых представлений о физических принципах метода МД предшествовало совершенствование теории диффузии в газах и жидкостях, а также открытие процесса термодиффузии.

 

Исторически первыми мембранными процессами, получившими широкую популярность среди исследователей 50-х годов стали методы разделения на мембранах, движущей силой которых являлся градиент температур. Одновременно были предприняты первые попытки мембранного разделения газовых смесей. На заре изучения мембранных методов они привлекали внимание в первую очередь биологов, так как мембранные процессы во многом напоминают некоторые явления, происходящие в живой клетке. Существенная особенность теоретических моделей 50-80-х годов состоит в том, что они базировались на ошибочном представлении о диффузии через мембрану жидкой фазы, а не паров жидкости, как было установлено позднее. В начале 80-х годов рядом авторов было показано, что массоперенос в пористых мембранах идет по схеме «испарение-диффузия-конденсация» под действием капиллярных сил. Именно тогда явление диффузии пара через пористые мембраны получило название мембранной дистилляции (МД).

 

В 1997 году Лаусоном и Ллойдом была опубликована обширная работа, посвященная мембранной дистилляции, в котором была дана общая терминология и концепция процесса, включающая в себя описание механизма мембранной дистилляции, свойства различных мембран, а также конструкции мембранных модулей. В 2000 году польский учёный Томашевска в своём исследовании впервые предлагает процесс МД как возможную альтернативу устаревшим методам очистки сточных вод и получения чистой питьевой воды. В 2004-2015 гг. появляется множество исследований, предлагающих использование метода для получения высокоэкологичного биотоплива, утилизации промышленных жидких отходов, опреснения морской воды и решения многих других технологических задач. В настоящее время метод МД продолжает активно совершенствоваться.

 

Физикические основы метода.

 

Движущей силой МД является разность химических потенциалов по обе стороны мембраны, которая обусловлена градиентом температуры и давления паров. Под действием градиента давления пары растворителя проникают через сообщающиеся поры и переходят от нагретой стороны мембраны к холодной. Решающую роль играет гидрофобность мембраны, которая препятствует проникновению жидкой фазы в поры. Важной особенностью метода МД является то, что поры гидрофобной мембраны заполнены только парогазовой смесью.

 

Рисунок 1. Общая схема процесса мембранной дистилляции.

 

Упрощенно процесс мембранной дистилляции может быть описан следующими стадиями:

- испарение на поверхности мембраны со стороны горячего раствора;

- диффузия пара через поры;

- конденсация дистиллята с «холодной» стороны мембраны.

 

Интенсивность испарения на поверхности мембраны зависит от многих факторов: температуры разделяемой жидкой смеси, от количественного и качественного состава, скорости потока жидкости и т.д. Также значительную роль играют характеристики используемой мембраны, ее толщина, пористость, степень гидрофобности мембраны. Одним из важнейших моментов является выбор способа отвода конденсата, то есть выбор типа мембранной дистилляции.

 

В процессе мембранной дистилляции разделяемая смесь (водный раствор), нагретая до рабочей температуры, приходит в контакт с одной стороной гидрофобной микропористой мембраны. Её гидрофобные свойства препятствует проникновению воды в поры, что приводит к образованию поверхности раздела «жидкость-пар» на каждом конце поры. Внутри мембраны находится воздух с водяным паром, пар с легкостью выходит из горячей стороны мембраны с поверхности менисков. Существенным фактором, снижающим эффективность процесса, является явление капиллярной конденсации в порах под действием капиллярных сил. На рисунке 2 схематично изображен разрез гидрофобной мембраны с прямыми цилиндрическими порами, находящейся в контакте с водным раствором. Данный рисунок иллюстрирует, как граница раздела пар-жидкость расположена в открытых порах.

Современные теоретические модели мембранной дистилляции описывают физику процесса методами неравновесной термодинамики.

 

Условия осуществления мембранной дистилляции:

- использование пористой, чаще всего гомогенной, гидрофобной мембраны;

- отсутствие капиллярной конденсации в порах;

- равновесие между жидкой и паровой фазами;

- прямой контакт с жидкостью хотя бы одной из сторон мембраны.

 

Разновидности осуществления МД.

 

Можно выделить четыре основных разновидности осуществления процесса мембранной

дистилляции, которые отличаются способом формирования поверхности, на которой

происходит конденсация пара, прошедшего через мембрану.

 

1. Контактная мембранная дистилляция.

При контактной мембранной дистилляции в контакте с двумя сторонами мембраны находятся жидкости с различной температурой. Данный процесс имеет высокую удельную производительность (до 75 л/м2*ч пермеата) при пониженной, по сравнению с дргими модификациями, селективности – 97-99%. Схема процесса изображена на рисунке 3. Цифрами 1 и 2 обозначены жидкости с различной температурой.

 

Рисунок 3. Схема контактной мембранной дистилляции.

 

2. Мембранная дистилляция с газовым зазором.

При мембранной дистилляции с газовым зазором поверхность, на которой конденсируется

пар, отделена от мембраны газовым зазором. Данный процесс имеет высокую селективность (>99,99%), но низкую производительность – до 20 л/м2*ч. Схема мембранной дистилляции с газовым зазором показана на рисунке 4. Цифрой 1 изображён поток жидкости, 3 – капли конденсата.

Рисунок 4. Схема мембранной дистилляции с газовым зазором.

 

3. Мембранная дистилляция с газом-носителем.

При мембранной дистилляции с газом-носителем поверхность, на которой конденсируется

пар, отделяется от мембраны потоком инертного газа-носителя. Данная модификация процесса имеет высокую селективность (> 99,99 %) в сочетании с высокой производительностью – до 50-70 л/м2*ч. Схема процесса аналогична рис.3.

 

4. Вакуумная мембранная дистилляция.

При вакуумной мембранной дистилляции поверхность, на которой конденсируется пар,

отделяется от мембраны путем вакуумирования подмембранного пространства. Метод имеет высокую удельную производительность, но низкую селективность, что связано с наличием гидрофильных дефектов на поверхности мембраны. Схема аналогична рис. 4.

 

Виды мембран для метода МД.

 

К мембранам для метода МД предъявляется ряд требований:

- гидрофобность,

- высокая пористость (свыше 70%),

- водонепроницаемость (по жидкой воде),

- невысокий коэффициент теплопроводности,

- химическая устойчивость и механическая прочность,

- диаметр пор от 0,1 до 2 мкм.

 

Структура мембраны имеет большое значение. Так, для каждого радиуса пор существует критическое давление проникновения, при котором начинается механическое продавливание жидкости сквозь поры. Величина критического давления проникновения зависит от поверхностного натяжения жидкости и краевого угла смачивания. Этот факт существенно влияет на возможность разделения смесей, содержащих поверхностно-активные вещества, поскольку даже очень малые их количества значительно снижают поверхностное натяжение жидкостей и, следовательно, уменьшают гидрофобность поверхности мембраны.

 

Ещё одной важной характеристикой мембран, влияющей на производительность

процесса, является пористость. С увеличением пористости увеличивается диффузионная область внутри пор, что важно для транспорта газовой фазы, но при этом уменьшается селективность и механическая прочность мембраны. Поэтому важной технологической задачей является нахождение оптимального баланса между этими параметрами.

 

Для получения мембран используют полимерные материалы с низкой поверхностной энергией - политетрафторэтилен, полипропилен и их производные. Для обеспечения всех необходимых параметров многие коммерческие мембраны являются композитными - на подложку наносится дополнительный слой, обладающий требуемыми разделительными характеристиками.

 

 

Недостатки метода МД.

 

1. Нелетучесть разделяемых компонентов. Мембранная дистилляция малоэффективна при разделении смесей неорганических летучих кислот, а также летучих органических соединений.

2. Невозможность разделять смеси с поверхностно-активными веществами в составе.

3. Снижение производительности процесса при высоких концентрациях растворённого вещества в растворе.

4. Необходимость интенсивного перемешивания разделяемой смеси и дистиллята.

 

Достоинства метода МД.

 

1. Невысокие теплозатраты на испарение.

2. Компактность рабочей камеры.

3. Высокая степень автономности и мобильности, простота обслуживания.

4. Низкие рабочие температуры и давления.

5. Высокая селективность и производительность.

 

Заключение.

 

Метод мембранной дистилляции, как и большинство мембранных методов, представляет большой интерес как средство осуществления целого ряда перспективных технологий. Вместе с тем, широкое его распространение сдерживает ряд ограничений и проблем, решение которых представляет актуальную задачу для будущего поколения химиков.

 

Литература.

 

1. M. Tomaszewska, «Membrane Distillation - Examples of Applications in Technology and Environmental Protection,» Polish Journal of Environmental Studies, т. 9, № 1, pp. 27-36, 2000.

 

2. S. I. Andersson, N. Kjellander и B. Rodesjoe, « Design and field tests of a new membrane distillation desalination process» Desalination, т. 56, pp. 345-354, 1985.

 

3. М. Т. Брык, Р. Р. Нигматуллин, “Мембранная дистилляция”, Усп. хим., 63:12 (1994), 1114–1129;Russian Chem. Reviews, 63:12 (1994), 1047–1062

 

4. Мулдер М. Введение в мембранную технологию М.: Мир, 1999.

Источник: портал www.KazEdu.kz

Другие материалы

  • Вода очищенная
  • ... 2619-97. Срок действия фармакопейной статьи в настоящее время истек, однако других документов в действие введено не было. Методами получения воды очищенной согласно ФС 42 2619-97 могут быть обратный осмос, деионизация, дистилляция. Установки раздельного ионного обмена утрачивают свою популярность ...

  • Вода и здоровье
  • ... в результате биохимических процессов. Пути же выведения из организма приведены ниже. Вода, питьевой режим, вода в организме человека баланс воды в организме, вода и здоровье, чистая питьевая вода, минеральная вода, вода и полезные минералы, микроэлементы, макроэлементы, водный баланс, водно ...

  • Проектирование адиабатной выпарной установки термического обессоливания воды
  • ... . Адиабатная установка термического обессоливания включает в себя следующее оборудование: -  камеры испарения со встроенными поверхностными конденсаторами; -  конденсаторы; -  циркуляционные, конденсатные и вакуумные насосы; -  эжектор; -  трубопроводы питательной воды ...

  • Основы промышленной экологии
  • ... 90% материальных ресурсов переходит в отходы, а основное количество энергии используется в производстве и потреблении. Поэтому главной задачей промышленной экологии является нахождение путей для рационального использования природных ресурсов, предотвращения их исчерпания, деградации и загрязнения ...

  • Сравнение методов. Очистка воды от загрязнений
  • ... , например, предохраняет от всех типов загрязнения, кроме микробиологического. Вы тоже можете её выбрать, хотя лично я являюсь противником применения систем глубокой очистки воды. Нужно заметить, что для доочистки можно применять и некоторые методы биоактивации воды, которые достаточно эффективно ...

  • Автоматизация печи обжига известняка
  • ... в соответствующий расходный бункер, откуда лотковым питателем грузится в бадью подъёмника. Скиповым подъёмником известняк загружается в загрузочную чашу и далее – в шахту печи обжига. Известняк с твёрдыми продуктами его разложения движется в шахте сверху вниз, а воздух, продукты горения и ...

  • Проблемы охраны водной среды в горном деле
  • ... необходимо использовать метод коагуляции   6. Охрана водной среды   6.1 Охрана поверхностных и подземных вод Как известно, гидросфера включает в себя не только поверхностную гидросеть, но и подземные воды, которые с углублением горных работ тоже попадают в зону их воздействия. ...

  • Распространение микроорганизмов рода Clostridium в природе и пищевых продуктах
  • ...   1.3 Значение микроорганизмов рода Clostridium в промышленности Роль микроорганизмов в микробиологической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и других областях трудно переоценить. Особенно важно отметить то, что многие микроорганизмы для производства ценных продуктов используют ...

  • Развитие, становление и основные аспекты фармации
  • ... , которые будут получены, — будущее. В этом направлении и работают многие НИИ и исследователи. Аспекты поиска новых лекарств, изыскание новых лекарственных веществ состоит из трех основных этапов: химический синтез, установление фармакологической активности и безвредности (токсичности). Такая ...

  • Анализ существующей на Балаковской АЭС системы очистки трапных вод
  • ... при =26,81°С q=22306 Вт/м2. Коэффициент теплопередачи охладителя: Площадь поверхности теплообмена: 3.6 Анализ теплотехнических расчетов В настоящее время для очистки трапных вод с энергоблоков 1-4 на Балаковской АЭС применяются три выпарные установки: две в работе, одна в резерве. ...

  • Методы анализа лекарственных препаратов
  • ... излучения. Ультрафиолетовая спектрофотометрия — наиболее простой и широко применяемый в фармации абсорбционный метод анализа. Его используют на всех этапах фармацевтического анализа лекарственных препаратов (испытания подлинности, чистоты, количественное определение). Разработано большое число ...

  • Соединения, изолируемые перегонкой с водяным паром: кетоны - ацетон
  • ... натра; остальные дистилляты по 25–50 мл собирают в последующие 1–2 колбы, также подготовленные заранее. Для качественного исследования продукта перегонки с водяным паром в большинстве случаев бывает достаточно собрать 25 мл второго дистиллята. При положительных результатах реакций на то или иное ...

  • Исследование ассортимента и оценка качества водки
  • ... о массовой концентрации примесей. Методы применяются при контроле качества продукции, а также при возникновении разногласий в оценке качества. [10, с.2-23] 5.3 Результаты исследований и их обсуждение Оценка водки по органолептическим показателям производилась в соответствии с бальной системой ...

  • Очистка сточных вод
  • ... положение приведет к ухудшению работы отстойника. В ГАНГ им. И.М. Губкина на кафедре транспорта и хранения нефти и газа была разработана установка по очистке сточных вод, в которой были учтены недостатки старых нефтеловушек. К новой установке были предъявлены следующие требования: высокое качество ...

  • Ионоселективные электроды
  • ... играет не мало важную роль в аналитической химии. Основная задача ионометрии - изучение и разработка различного рода ионоселективных электродов. История развития мембранных электродов связана с исследованиями физиологических процессов. В середине ХIХ века физиологи обнаружили возникновение между ...

Каталог учебных материалов

Свежие работы в разделе

Наша кнопка

Разместить ссылку на наш сайт можно воспользовавшись следующим кодом:

Контакты

Если у вас возникли какие либо вопросы, обращайтесь на email администратора: admin@kazreferat.info