Мембранні методи розподілу біологічних систем. Мембранні методи поділу сумішей

МЕМБРАНІ ПРОЦЕСИ РОЗДІЛУ, засновані на переважно. проникності одного або дек. компонентів рідкої чи газової суміші, і навіть колоїдної системи через роздільну перегородку-мембрану. Фаза, що пройшла через неї, зв. пермеатом (іноді – фільтратом), затримана – концентратом. Рушійна сила мембранних процесів поділу -різниця хім. чи електрохім. потенціалів з обох боків перегородки. Мембранні процеси м. б. обумовлені градієнтами тиску (баромембранні процеси), електрич. потенціалу (електромембранні процеси), концентрації (дифузійно-мембранні процеси) або комбінацією дек. факторів.

Поділ за допомогою мембран – результат конкуруючих взаємодій. компонентів суміші з пов-стю перегородки. Ефективність поділу оцінюють слід. показниками: селективністю j = 1 - c 2 /c 1 де з 1 і з 2 - концентрації компонентів вихідної суміші і пермеату; коеф. поділу K p = (з А,1 /с А,2)/(з В,1 /с В,2), де з А,1, з В,1 і з A,2, з В,2 -концентрації компонентів А і В в початковій суміші та пер-меаті; проникністю (уд. продуктивністю) мембран G = V/Ft, де К-у суміші, що пройшла за час t через мембрану , і визначається за ур-ною V 2 + 2VC = Kt, в к-ром С і К-емпірич . константи, F-площа пов-сті перегородки.

Внаслідок різної швидкості проходження компонентів суміші через мембрану відбувається т.зв. концентраційна " поляризація " , при к-рой на прикордонному шарі при пов-сті перегородки накопичується в-во, що має найменшу швидкість проникнення. В результаті при розділенні рідких сумішей знижуються рушійна сила процесу та відповідн. селективність, продуктивність та термін служби мембран. Крім того, можливе осадження на мембрані важкорозчинних солей, а також гелеутворення високо-комол. з'єднань, що призводить до необхідності очищення мембран (див. нижче). Для зменшення впливу концентраційної поляризації і поліпшення роботи мембран розділяється систему перемішують, що сприяє вирівнюванню концентрацій компонентів у пов-сті перегородки і в ядрі потоку. Перемішування здійснюють шляхом збільшення швидкості потоку (до 3-5 м/с); турбулізацією розчину шляхом застосування спец. вставок у вигляді сіток, перфорованихабо гофрованих листів, спіралей, кульок; використанням ультразвуку і т. д. При розділенні газових сумішей завдяки високим коеф. дифузії компонентів через мембрани концентраційна поляризація мала і її можна не враховувати.

Др. фактор, що впливає на мембранні процеси поділу,-подовжнє (зворотне) перемішування системи. У міру розподілу компонентів між вихідним потоком і перме-атом виникає відповідний концентраційний профіль, який призводить до поздовжнього вирівнювання концентрацій через молекулярної дифузії. З використанням турбулизирующих вставок наиб. вплив на поздовжнє перенесення надає конвективна дифузія.

М ембранні процеси поділу можуть бути ускладнені також рядом інших факторів, напр. недостатньою стійкістю мембран до агресивних середовищ та дії мікроорганізмів. Хім. стійкість мембран, напр., до гідролізу забезпечується ретельним підбором матеріалу, характеристик робочого середовища та умов проведення процесу. Для запобігання біол. обростання, а іноді і руйнування мембран деякими видами мікроорганізмів вихідну суміш хлорують, напр. Сl 2 або гіпохлоритами обробляють розчином CuSO 4 або формальдегідом , а також піддають озонування і УФ опромінення.

Основні типи мембран та їх очищення.Розрізняють мембрани монолітні (суцільні), пористі, асиметричні (двошарові), складові (композиційні) та ін., а також мембрани рідкі та мембрани іонообмінні (про отримання мембран та їх св-вах див. Мембрани розділові).

У процесі експлуатації пов-сть мембран забруднюється, що призводить до різкого погіршення показників мембранних процесів поділу. Один із способів, що знижують забруднення мембран,-попередить. очищення системи (див., напр., Водоспад приготування, Жорсткість води). Методи очищення мембран умовно поділяють на механічні, гідромеханічні, фізичні та хімічні. Хутро. очищення - обробка пов-сті перегородок еластичною губкою (нерідко із застосуванням миючих ср-в), що не володіє абразивними св-вами, поліуретановими кулями і т.п. Гідродинаміч. очищення - вплив на забруднену пов-сть мембран пульсацій суміші, що розділяється, або промивної рідини (зазвичай води), турбулізація потоку; промивання газорідинною емульсією (як правило, сумішшю води та повітря); зворотне продування мембран (особливо мікрофільтрів) стисненим повітрям; зворотний струм суміші, різке зниження тиску в системі (забруднення відшаровуються від перегородки та вимиваються сильним потоком води). Фіз. очищення - вплив на перегородки електрич., магн. та ультразвукових полів. Хім. очищення-промивка робочої пов-ності мембран розб. розчинами к-т або лугів, розчином I 2 і т.д.

Баромембранні процеси(Зворотний осмос, ультрафільтрація, мікрофільтрація) обумовлені градієнтом тиску по товщині мембран, в осн. полімерних і використовуються для поділу розчинів і колоїдних систем при 5-30 °С. Перші два процеси принципово відрізняються від звичайного фільтрування. Якщо за нього продукт відкладається як кристаллич. або аморфного осаду на пов-сті фільтра, то при зворотному осмосі і ультрафільтрації утворюються два розчини, один з яких брало збагачений розчиненим в-вом. У цих процесах накопичення даного в-ва у пов-сті мембрани неприпустимо, т.к. призводить до зниження селективності та проникності мембрани (про різницю між мікрофільтрацією та фільтруванням див. нижче).

Баромембранні процеси застосовуються в мн. галузях народного господарства та в лаб. практиці: для опріснення солоних та очищення стічних вод, напр. поділу азеотропних та термолабільних сумішей, концентрування розчинів тощо. (зворотний осмос); для очищення стічних вод від високо-комол. з'єднань, концентрування тонких суспензій, напр. латексів , виділення та очищення біологічно активних в-в, вакцин, вірусів, очищення крові, концентрування молока, фруктових та овочевих соків та ін. (ультрафільтрація); для очищення технол. р-рів та води від тонкодисперсних в-в, поділу емульсій, попередньої підготовки рідин, напр. морської та солонуватих вод перед опрісненням, і т.д. (Мікрофільтрація).

Електромембранні процесиобумовлені градієнтом електрич. потенціалу по товщині мембран. наиб. застосування знайшов електрододиал і з-поділ розчинів під дією електрорушійної сили, яка створюється по обидва боки полімерних і неорг. перегородок [розмір часу (2-8) . 10 -3 мкм], проникних для будь-яких іонів (відділення електролітів від неелектролітів), або іонообмінних мембран, проникних лише для катіонів або тільки для аніонів (знесолювання водних розчинів або фракціонування солей). Апарати з іонообмінними перегородками (електродіалізатори), напр. для знесолення розчинів NaCl (рис. 2), складаються з ряду камер (осередків), по яких переміщуються розчини електролітів . У крайніх камерах розташовані електроди. Оскільки катіонообмінні мембрани пропускають лише катіони, а аніонообмінні – лише аніони, камери по черзі збагачуються та збіднюються електролітом. В результаті вихідний розчин розділяється на два потоки - знесолений і концентрований. Поділ іонів з однаковим знаком заряду відбувається через різницю між швидкостями їх перенесення через перегородку.

Рис. 2. Багатокамерний електродіалізатор для знесолення вання розчинів NaCl: А, К-соотв. аніоно- і катіонообмінні мембрани.

Осн. Показники апаратів, що складаються з осередків: уд. продуктивність G = mIFn/95,24. 10 3 моль /с, де I-щільність струму (в А/см 2), F-площа пов-сті мембрани (в см 2), т-число хім. еквівалентів вихідного в-ва на 1 моль; загальний перепад електрич. потенціалів DE = = E D + I (R M + R p) n (в кВ), причому E D - сума потенціалів розкладання та перенапруги на електродах, R M і R p - соотв. електрич. опору мембрани та розчину; споживана потужність N= 10 -3 IFE D +1I(R M + R p)n (у кВт); уд. споживана потужність N yд = 0,02651 (R м + R р) (В кВт/моль). Електродіаліз широко використовують для знесолення морської та солонуватої вод, цукрових розчинів, молочної сироватки та ін., а також для вилучення мінеральної сировини з солоних вод.

Дифузійно-мембранні процеси(мембранний газорозділ, випаровування через мембрану, діаліз) обумовлені градієнтом концентрації по товщині пористих або непористих мембран на основі полімерів або з жорсткою структурою. Використовуються для поділу газових та рідких сумішей.

М е м б р а н н о е г а з о р по д е л е н е - поділ накомпоненти газових сумішей або їх збагачення одним зкомпонентів. З використанням пористих перегородок з преим. розміром пор (5-30). 10 -3 мкм поділ газів відбувається внаслідок т. зв. кнудсенівської дифузії. Для її здійснення необхідно, щоб довжина вільн. пробігу молекул була більша за діаметр пір мембрани, тобто частота зіткнень молекул газу зі стінками пір перевищувала частоту взаємних зіткнень молекул. Оскільки середні швидкості молекул відповідно до кінетич. теорією газів обернено пропорційні квадратному кореню їх мас, компоненти суміші, що розділяється, проникають через пори мембрани з різними швидкостями. В результаті пермеат збагачується компонентом з меншою мол. масою, концентрат-з більшою. Коеф. поділу суміші К р = n 1 /n 2 = =- (М 2 /М 1) 0,5 , де n 1 і п 2-числа молей компонентів соотв. з мол. масами М 1 та М 2 . У реальних умовах дуже важко за допомогою пористих мембран забезпечити суто кнудсенівський механізм поділу компонентів. Це пояснюється адсорбцією або конденсацією їх на стінках пір перегородки та виникненням додаткового т. зв. конденсаційного або поверхневого газового потоку, наявність якого призводить до зниження К р.

При застосуванні непористих мембран розподіл газів здійснюється за рахунок різної швидкості дифузії компонентів через перегородки. Для таких мембран проникність газів і пари на 2-3 порядки нижча, ніж для пористих, але селективність значно вища. Кількість газу , що проходить через одиницю площі пов-сті суцільної перегородки в одиницю часу, визначається за ф-ле: V = К r х х [(c 1 -c 2 / d)] = K r [(p 1 -p 2) / d] , де з 1, з 2 і p 1, p 2 -соотв. концентрації та парціальний тиск проникаючого компонента в газовому потоці по обидва боки мембрани товщиною d; До r-коеф. газопроникності. З підвищенням т-ри величина G для непористих перегородок зростає, проте, як правило, знижується j, к-рую в першому наближенні можна як співвідношення коеф. газопроникності чистих компонентів суміші, що розділяється, напр. для повітря j O2 = K r, O2 / K r, N2.

Мембранний газорозділ застосовують: за допомогою пористих мембран у виробництві збагаченого U, для очищення повітря від радіоактивного Кr, вилучення Не з прир. газу тощо; за допомогою непористих мембран-для виділення Н 2 з продувних газів произ-ва NH 3 та ін. Чи не з прир. та технол. газів, поділу вуглеводнів та в перспективі для рекуперації оксидів S з газових викидів (гл. обр. полімерні мембрани).

І з п а р е н е ч е р е з е м б р а н у-поділ рідкихсумішей, компоненти яких мають різні коэф. дифузії. Звихідного розчину через мембрану в струмі інертного газу або шляхом вакуумування відводяться пари пермеату, які потім конденсуються. При поділі відбуваються сорбція мембраною розчиненого в-ва, дифузія через перегородку і десорбція в парову фазу; процес описується ур-ням Фіка. Склад парів залежить від т-ри процесу (вплив тиску на його характеристики незначно), матеріалу мембрани, складу розчину та ін. Для збільшення швидкості процесу розчин нагрівають до 30-60 °С. Мембрани - зазвичай непористі полімерні плівки з гуми, целофану, поліпропілену або поліетилену, фторопласту і т. п. Більший ефект поділу досягається при використанні для виготовлення мембран ліофільних матеріалів. Швидкість проникнення компонентів через перегородки вища для частинок: а) з меншою мол. масою серед гомологів; б) з однаковими мол. масою та меншими розмірами; в) з однаковою мовляв. масою, але менш складних структурою; г) з гарною розчинністю у матеріалі та високим коеф. дифузії через нього.

Суцільні дифузійні мембрани мають великий гідродинаміч. опором, тому їх слід застосовувати як закріплених на пористих підкладках ультратонких плівок товщиною 0,02-0,04 мкм. Процес використовують для поділу азеотропних сумішей, рідких вуглеводнів, водних розчинів карбонових к-т, кетонів і розчинені в-ва з різними швидкостями дифундують через, що визначається експериментально, причому b 1 і b 2 -соотв. коеф. Швидкості перенесення в-ва в конц. р-ре до перегородки і її у разб. р-рі; d-товщина мембрани; D-коеф. дифузії розчиненого в-ва. Процес використовують у виробництві штучних волокон (відділення віджимного лугу від геміцелюлози), ряду біохім. препаратів, для очищення розчинів біологічно активних в-в.

Мембранні апаратипідрозділяють на плоскокамерні, трубчасті, рулонні, з порожнистими волокнами, і навіть електродіалізатори (див. вище). У плоскокамерних апаратах (рис. 3) розділовий елемент складається з двох плоских (листових) мембран, між якими розташований пористий дренажний матеріал. Елементи розміщені на невеликій відстані один від одного (0,5-5 мм), в результаті чого між ними утворюються мембранні канали, по яких циркулює розділяється суміш. Утворений конценвитрат виводиться з апарату, а пермеат відводиться по дренажному матеріалу колектор. Для турбулізації потоку шляхом поперечного перемішування та запобігання дотику проникних елементів застосовують сітку-сепаратор. У разі потреби означає. концентрування вихідного розчину в апараті встановлюють дек. послідовно працюючих секцій. Пов-сть розділової мембрани , що припадає на одиницю обсягу апарату, тобто. щільність упаковки мембрани для плоскокамерних апаратів низька (60-300 м 2 /м), тому їх використовують в установках невеликої продуктивності для розділення рідких і газових сумішей.

солей, а також для поділу газових сумішей.

Рис. 4. Трубчастий апарат: 1-мембрана; 2-дренажний матеріал; 3-трубчастий фільтруючий елемент.

У рулонних, або спіральних апаратах (рис. 5) мембранний елемент має вигляд пакета; три його кромки герметизовані, а четверта прикріплена до перфорованої трубки для відведення пермеату, на яку накручується пакет разом з сіткою-сепаратором. Потік, що розділяється, рухається в осьовому напрямку по міжмембранних каналах, а пермеат-спіралеподібно по дренажному матеріалу і надходить у відвідну трубку. Апарати цього типу відрізняються високою щільністю упаковки мембран (300-800 м2/м3), але складніше, ніж плоскокамерні, у виготовленні. Вони використовуються в установках середньої та великої продуктивності для поділу рідких та газових сумішей.

Рис. 5. Рулонний апарат: a-корпус, б-фільтруючий елемент; 1-мембрана; 2-дренажний матеріал; 3-фіксатор; 4-сепаратор; 5-відвідна трубка.

В апаратах з волокнистими мембранами (рис. 6) робочий елемент зазвичай являє собою циліндр, в який поміщений пучок порожніх волокон із зовнішнім діаметром 80-100 мкм і товщиною стінки 15-30 мкм. Р-р, що розділяється, як правило, омиває зовнішню пов-сть волокна, а пойого внутр. канал виводиться пермеат. Завдяки високій щільності упаковки мембран (до 20000 м2/м3) ці апарати застосовують у опріснювальних установках великої продуктивності (десятки тис. м3/сут).
інертного газу та конденсаторами пар; для діалізу-плоскокамерні та ін. мембранні.

М ембранні процеси поділу здійснюють, як правило, при т-рі навколишнього середовища без фазових перетворень та застосування хім. реагентів , що поряд з простотою апаратурного оформлення та його обслуговування визначає їх економічність і широкі перспективи для створення принципово нових, малоенергоємних та екологічно чистих виробів (див. також Безвідходні виробництва). Для організації та практич. реалізації робіт у галузі мембранних технологій у СРСР створено (1986) міжгалузевий наук.-техн. комплекс "Мембрани, під ред. Р. Лейсі та С. Леба, пров. з англ., М., 1976; Миколаїв Н. І., Дифузія в мембранах, М., 1980; Хванг С.-Т., Каммермейєр К ., Мембранні процеси поділу, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1981; Дубяга Ст П., Перепечкін Л.П. т. 57, ст 6. Ю. І. Дитнерський.

Сторінка «МЕМБРАНІ ПРОЦЕСИ РОЗДІЛУ»підготовлена ​​за матеріалами

У різних галузях промисловості все більшого значення набувають мембранні процеси поділу та очищення: зворотний осмос, мікро- та ультрафільтрація, електродіаліз. Ці процеси дозволяють створювати замкнені виробничі цикли споживання води.

Поділ та очищення речовин сприяють вирішенню завдань, пов'язаних із необхідністю поліпшення якості продуктів хімічної промисловості (зниження вмісту домішок), з використанням сировини з низьким вмістом цінних сполук, з необхідністю охорони навколишнього середовища (зменшення скидання промислових стоків, очищення стічних вод).

Повернення цінних компонентів промислових стічних вод у виробничий цикл дозволяє не тільки захистити оточення від забруднення, а й підняти ефективність різних стадій промислового виробництва, знизити обсяг споживаної сировини. Утилізація цінних компонентів стічних вод підприємств харчової та мікробіологічної промисловості є додатковим джерелом отримання сировини для продуктів харчування та кормів.

В даний час якість природних вод погіршується через зростання в них солевмісту. Щоб уникнути деградації природних вод, потрібні замкнуті водооборотні системи на підприємствах. Екологічний стан, що склалося, таке, що без мембранних процесів неможливе збереження життєво важливих якостей води. Однак для деяких технологічних стадій виробництва мембранні процеси ще не дають високого ефекту, тому потрібне їх поєднання із традиційними методами очищення та поділу з урахуванням техніко-економічних показників водоспоживання.

Економічна ефективність та конкурентоспроможність мембранних процесів можуть бути значно підвищені, при комплексному підході до переробки технологічних та мінералізованих вод, що передбачає повернення у виробничий цикл не лише основного компонента – води, а й інших цінних речовин. І тому має проводитися як відділення домішок, а й їх поділ, т. е. необхідно підвищувати селективність мембран і мембранних процесів. У багатьох процесах хімічної технології при використанні кислоти та лугу відбувається нейтралізація, тобто деградація величезних кількостей цих сполук, що в кінцевому рахунку призводить до забруднення природних джерел води.

Мембранні процеси очищення та поділу можуть бути основними при синтезі хімічних сполук, виведенні речовин з реакційної суміші, регулюванні умов проведення процесу: pH, концентрації реагенту тощо. Поверхня мембран може мати каталітичну активність або окислювально-відновлювальні властивості.

Дослідження мембранних процесів розвиваються у кількох напрямах: розробка нових мембранних матеріалів, моделей явищ перенесення, методів розрахунку мембранних модулів, проведення оптимізаційних розрахунків для різних об'єктів та виробничих стадій. Найбільший ефект передбачається отримати від досліджень у галузі гідродинаміки та хімії поверхні.

Мембранні процеси успішно застосовуються для поділу сумішей органічних та неорганічних речовин. Ці процеси відрізняються передусім рушійними силами. Різниця гідростатичних тисків - ультрафільтрація та зворотний осмос (баромембранні процеси); різницю електричних потенціалів - електродіаліз, різницю концентрацій - діаліз. Існують і «перехресні» мембранні процеси, що використовують дві рушійні сили або більше: п'єзодіаліз, електроосмос та ін. і т.д.

В основі цієї класифікації мембранних процесів, що традиційно склалася, лежить їх розподіл на групи за ознакою фізико-хімічних властивостей, що використовуються для поділу сумішей на компоненти. Проте ця натуральна, чи природна, класифікація певною мірою стримує розвиток мембранних процесів загалом через проведення різких граней між окремими процесами.

Визначення мембрани.

В даний час більшість дослідників, що працюють в області мембранної технології, під мембраною розуміють область, що розмежовує дві фази. У зв'язку з цим мембрани можуть бути газоподібними, рідкими, твердими або бути комбінацією цих трьох станів. Поняття "область" в даному визначенні використовується замість звичайного поняття "кордон поверхонь". У той же час міжфазні межі двох рідин, що не змішуються, газу і рідини, газу і твердого тілане повинні вважатись мембранами. Кожен дослідник, зазвичай, має уявлення про мембрані. В даному контексті важко дати точне та повне визначення мембрани, що охоплює всі її аспекти. Проте дати таке визначення стане простіше, якщо обмежитись лише синтетичними структурами. У найбільш загальному сенсі синтетична мембрана служить межею, яка поділяє дві фази та обмежує перенесення різних речовин з однієї фази до іншої певним способом.

Мембрани можуть складатися з різноманітних матеріалів та мати різні структури. Мембрани можуть бути гомогенними або гетерогенними, симетричними або асиметричними за своєю структурою, можуть бути «нейтральними», проводити тільки негативні або тільки позитивні заряди, або ті й інші разом. Масообмін через мембрану може бути викликаний дифузією або конвективним потоком, які обумовлені градієнтами гідростатичного тиску, температури, хімічного або електрохімічного потенціалу. Багато матеріалів фактично є мембранними, це захисні покриття та пакувальні засоби. Усі матеріали, що діють як мембрани, мають одне загальна властивість: вони обмежують проходження різних хімічних речовин через мембрану певним способом.

В даний час при розділенні, виділенні, концентруванні та очищенні радіоактивних речовин все частіше застосовуються методи мембранної технології.

Мембранна технологія - промислові процеси, засновані на мембранних методах поділу та використовують мембранні апарати для поділу розчинів, газових сумішей та колоїдних систем.

Мембранні процеси поділу засновані на переважній проникності одного або декількох компонентів рідкої або газової суміші, а також колоїдної системи через роздільну перегородку-мембрану.

Рушійна сила мембранних процесів поділу - різниця хімічного чи електрохімічного потенціалів з обох боків перегородки. Мембранні процеси можуть бути обумовлені градієнтами: тиску (зворотний осмос, нано-, ультра- та мікрофільтрація), електричного потенціалу (електроосмос, електродіаліз, електродеіонізація), концентрації (осмос, діаліз, дифузійний поділ газів, випаровування через мембрану), температури або комбінацією декількох факторів. Залежно від природи фаз, що розділяються, мембранні процеси діляться на рідкофазні (баромембранні, діаліз, електродіаліз), газофазні (дифузійний поділ газів) і фазоінверсіопні (первапорація, мембранна дистиляція, мембранна екстракція).

Основним функціональним елементом мембранної технології поділу речовин є мембрана.

Мембрана - плівка, що виступає зазвичай як напівпроникний роздільник середовищ - активний або пасивний бар'єр, що розділяє дві фази, через який під дією прикладеного силового поля здійснюється перенесення речовини між цими фазами.

Частково проникна мембрана - штучна мембрана, що розділяє дві рідкі або газоподібні фази, що забезпечує під дією рушійної сили селективне перенесення компонентів цих фаз.

За типом структури мембрани ділять на пористі та непористі (дифузійні); але агрегатному стану вони можуть бути твердими та рідкими; за особливостями морфології розрізняють гомогенні, асиметричні, композитні мембрани тощо; за типом речовини мембрани поділяють на полімерні, металеві, скляні, керамічні, цеолітні і т.п. Відомі пористі мембрани (здатні розділяти частинки за розміром), непористі (здатні розділяти один від одного молекули приблизно однакового розміру), симетричні, асиметричні складові, композиційні, імрегновані (рідкі мембрани на пористій підкладці). Пористі мембрани з чималими порами (1 - 10 мкм) зазвичай називаються фільтрами. Мембрани можуть бути виконані у вигляді плоских листів, труб, капілярів та порожніх волокон.

Мембранні апарати поділяють на плоскокамерні, трубчасті, рулонні, з порожніми волокнами та електродіалізаторами. Мембранні процеси поділу мають безперервний характер, їх здійснюють при кімнатній температурі без фазових перетворень та застосування хімічних реагентів, що поряд із простотою апаратурного оформлення та його обслуговування визначає їх економічність та широкі перспективи для створення ресурсозберігаючих, малоенергоємних та екологічно чистих виробництв.

Ефективність поділу визначається продуктивністю мембрани (величина потоку цільового компонента на виході з мембрани - параметр, що визначає кількість одержуваного продукту) та її селективністю (ставлення потоків компонентів, що розділяються, на виході з мембранного модуля - параметр, що визначає чистоту одержуваного продукту). Матеріал мембрани повинен мати термічну, хімічну, радіаційну та механічну стійкість.

У лабораторній радіохімічній практиці полімерні пористі мембрани дозволяють вивчати колоїдний стан радіонуклідів у розчинах. Так, методом послідовної фільтрації через ядерні фільтри з діаметром пір, що послідовно зменшується, вдається визначити розмірний спектр колоїдних частинок і вивчити вплив на його форму. різних факторів. У промисловій радіохімії мембранна технологія знайшла застосування в переробці рідких радіоактивних відходів: мікрофільтрація (розмір пор 0,1 - 10 мкм) видаляє суспензії і великі колоїдні частки, ультрафільтрація здійснює повне очищення скидних вод від колоїдних частинок будь-яких розмірів, нанофільтрація (1) -0,1 мкм) дозволяє видалити великі молекули (А> 500), наприклад великі органічні комплекси важких металів, зворотний осмос застосовується видалення солей радіонуклідів та отримання чистої води.

В Останнім часомдля переробки рідких високорадіоактивних відходів почали застосовувати реагентну ультрафільтрацію, що дозволяє об'єднати високу продуктивність при низькому робочому тиску зі здатністю очищати воду від іонних компонентів з їх селективним поділом. Метод заснований на перекладі розчинених низькомолекулярних компонентів в новий асоційований молекулярний або колоїдний стан з подальшим відділенням асоційованих форм, що утворюються, на мікропористій неорганічній мембрані. Тут на першій стадії в розчин, що переробляється, вводять акумулюючі радіонукліди речовини (луг, і (або) осаджувач, і (або) поліелектроліт, і (або) сорбенти радіонуклідів), що забезпечують переклад радіонуклідів в асоційований стан у вигляді колоїдних і макромолекулярних частинок. На другій стадії частинки і воду розділяють пористими ультрафільтрацією (розмір пор приблизно становить 0,15 мкм) радіаційно стійкими керамічними мембранами.

Для поділу ізотопів 137 Cs і 90 Sr вихідний розчин вводять диспергований адсорбент на основі ферроціаніду нікелю з середнім розміром частинок 20 мкм, при цьому після мембранного поділу 137 Cs виявляється в концентраті, a 90 Sr - у фільтраті. При переробці розчину з ізотопним складом |44 Се, 154 Еі, 243 Am, 13 "Cs як коригуюча добавка у вихідний розчин вводять луг (гідроксид амонію) до pH 8,7. Тут вже 137 Cs виявляється у фільтраті, а всі інші нукліди - в концентраті Це пояснюється неучастю іонів цезію в гідролізі, в який активно вступають іони РЗЕ і ТУЕ.

Як уже згадувалося, екстракція широко застосовується у радіохімічній промисловості. Останнім часом перспективним вважається використання одного з варіантів цього способу – мембранної екстракції, заснованого на використанні рідких мембран.

Мембрани рідкі - напівпроникні рідкі плівки або шари, що забезпечують селективне перенесення речовин у процесі масообміну між рідкими та (або) газоподібними фазами.

Розрізняють вільні, імпрегновані та емульсійні рідкі мембрани.

Імпрегновані рідкі мембрани є просочені рідиною пористі плівки або волокна (рис. 3.6). Такі мембрани можуть бути однокомпонентними та багатокомпонентними. Однокомпонентна мембрана є для проникає через неї речовини лише селективним розчинником (пасивне перенесення). Багатокомпонентні рідкі мембрани містять хімічні сполуки-переносники, розчинені в мембранній рідині і здатні вибірково зв'язувати п переносити через мембрану дифузну речовину (активний транспорт).

Мембранна екстракція екстракція з використанням рідких мембран (ЖМ), що складається з твердої матриці-носія, просоченої органічним екстрагентом.

Як матрицю можуть використовуватися, наприклад, пориста полівінілхлоридна або пропіленова плівка, а як екстрагент - ефіри фосфорної кислоти, аміни, органічні кислоти. Мембранна екстракція полягає у перенесенні екстрагованого компонента через ЖМ з більш концентрованого розчину менш концентрований і включає стадії: екстракцію, тобто. утворення у мембрані з боку більш концентрованого розчину органічного комплексу; дифузію комплексу через ЖМ у бік розчину з меншою концентрацією; реекстракцію, тобто. руйнування органічного комплексу з переходом екстрагованого з'єднання розчин (з іншого боку ЖМ); зворотну дифузію екстрагента, що звільнився, в мембрані.

При мембранній екстракції неорганічних речовин як рідку мембрану використовують органічну

Рис. 3.6.

1 - мембрана, у порах якої знаходиться екстрагент; 2 - Реекстрагент; 3 - природна вода; I – водний розчин; II – екстрагент; III - реекстрагент рідина, що містить екстрагент-переносник, яка розділяє вихідний та реекстрагуючий водні розчини. Таким шляхом вдається, наприклад, селективно вилучати іони будь-якого металу з вихідного водного розчину і в одну стадію отримувати в водному реестрагуючого розчині більш високу концентрацію цього металу. Переваги перстракторів: висока селективність, хороша продуктивність, компактність, мала енергоємність апаратури. У мембранній екстракції відсутнє взаємне забруднення екстрагованого та екстрагуючого розчинів, що значно підвищує ефективність способу.

Метод мембранної екстракції дозволяє ефективно отримувати радіонукліди з водних розчинів. Прикладами є:

• екстракція на квазірідких імпрегнованих стабілізованих мембранах з ліпофільними екстрагентами - для селективного вилучення радіоактивних ізотопів стронцію та цезію з водних розчинів;
• мембранна екстракція з використанням іммобілізованих рідких мембран, емульсійних та рідких мембран, а також бислойных ліпідних мембран - для вилучення лантанідів та актинідів з хлоридних та нітратних водних розчинів;
• переробка багатокомпонентних водних розчинів радіонуклідів на пермстракторах із рухомим рідким носієм.

Для аналізу природних вод на присутність у них радіонуклідів використовують мембранно-екстракційні диски ПЕД – прості пристрої для селективного вилучення радіоактивного металу з води. Макрокапсула розміром і формою з дрібну монету є мікрорезервуаром зі стінками з імпрегнованої рідкої мембрани, що містить у порах гідрофобної підкладки ліпофільний селективний але по відношенню до аналізованого металу комплексом - переносник кур'єрного типу. У порожнині резервуару міститься розчин, що реекстрагує, і при необхідності індикатор, що утворює з іонами металу пофарбований комплекс. ПЕД, розміщений у потоці аналізованої води, селективно екстрагує з неї метал, який накопичується у внутрішньому розчині, що реекстрагує. Якщо при цьому в системі реалізований пов'язаний з перенесенням іона металу зустрічний перенесення будь-якого компонента з реекстрагуючого розчину, наприклад протонів (варіант мембранної екстракції з активним протиспрямованим транспортом), то це дозволяє досягти багаторазового концентрування аналізованого металу в реекстрагуючому розчині, причому ступінь концентрування може досягати 10 000. Аналіз кількості металу, поглиненого мембранно-екстракційним диском, виконується традиційними методами після його розкриття або радіометрування без руйнування, з можливістю подальшого використання.

Мембранні методи знайшли застосування в аналітичній практиці, зокрема в якісному та кількісному аналізі радіонуклідів у природних середовищах. Як відомо, труднощі радіохімічного аналізу полягають у тому, що концентрація радіонуклідів в об'єктах навколишнього середовища надзвичайно мала, а більшість найнебезпечніших а-випромінювачів не має ізотопних носіїв. Мембранні методи значно полегшують трудомісткі операції відділення від великої маси матриці аналізованого зразка. Наприклад, для концентрування радіонуклідів під час аналізу природних вод оптимальним виявилося застосування комплексоутворювальної ультрафільтрації.

Виділення мінорних актинідів (Np, Am, Cm) з рідких відходів радіохімічного заводу можна здійснити рідкими мембранами, в яких екстрагент знаходиться на підкладці з порожнистого волокна (наприклад, гідрофобного мікропористого поліпропілену). Диглікольні екстрагенти ефективно витягують тривалентні актиніди їх розчинів, що містять чотири- та шестивалентні актиніди.

Вимірювання розмірних спектрів колоїдних та аерозольних частинок здійснюють з використанням ядерних мембранних фільтрів (рис. 3.7). Мікропористі фільтри отримують опроміненням полімерних плівок прискореними важкими

Рис. 3.7.

Рис. 3.8.

1 - непористий робочий шар (товщина 0,3 нм); 2 - пориста підкладка

іонами з наступним витравленням зруйнованих ділянок полімеру. Уздовж траєкторії іонів з'являються наскрізні канали правильної форми. Особливість таких мембран - висока однорідність розмірів часу і можливість варіювати ними в широких межах (0,01 - 10 мкм). Це дозволяє використовувати їх при сепарації мікрочастинок за розмірами для концентрування, ультратонкого очищення рідких і газоподібних середовищ, стерилізації рідин та ін. рідин та газів.

Для їх виготовлення застосовуються плівки з лавсану товщиною близько 10 мкм та інші полімерні матеріали, стійкі до зовнішніх дій.

Особливо широко мембранні методи застосовуються поділу радіоактивних газів. Пористі металокерамічні мембрани використовують для поділу 235 UF 6 та 238 UF 6 (збагачення урану), а металеві мембрани (наприклад, сплави паладію) – для вилучення тритію з газових здувок. Непористі полімерні асиметричні мембрани з тонким непористим робочим шаром (виготовлені, наприклад, з полівінілтриметилсилана, ПВТМС, рис. 3.8) - для очищення повітря від радіоактивних ізотопів криптону і ксенону, для поділу радіоактивних благородних газів, для очищення радону при проведенні рад.

ДСТУ ISO 15859-7-2010

Група Л21

НАЦІОНАЛЬНИЙ СТАНДАРТ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

СИСТЕМИ КОСМІЧНІ

Характеристики, відбір проб та методи аналізу плинних середовищ

Частина 7

РАКЕТНЕ ПАЛИВО НА ОСНОВІ ГІДРАЗИНУ

Space systems. Fluid characteristics, sampling and methods of analysis. Part 7. Hydrazine propellant

ГКС 71.080.30*
ОКП 24 7640
________________
* В ІВС 10-2011 наводиться з ГКС 49.140. -
Примітка виробника бази даних.

Дата введення 2012-01-01

Передмова

Цілі та принципи стандартизації в Російській Федерації встановлені Федеральним законом від 27 грудня 2002 N 184-ФЗ "Про технічне регулювання", а правила застосування національних стандартів Російської Федерації - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизація в Російській Федерації. Основні положення"

Відомості про стандарт

1 ПІДГОТОВЛЕНО ФГУП "ВНІЦСМВ" на основі власного автентичного перекладу російською мовою стандарту, зазначеного у пункті 4

2 ВНЕСЕН Технічним комітетом зі стандартизації ТК 339 "Безпека сировини, матеріалів та речовин"

3 ЗАТВЕРДЖЕНИЙ І ВВЕДЕНИЙ У ДІЮ Наказом Федерального агентства з технічного регулювання та метрології від 21 грудня 2010 р. N 930-ст

4 Цей стандарт ідентичний міжнародному стандарту ISO 15859-7:2004* "Системи космічні. Характеристики, відбір проб та методи аналізу текучих середовищ. Частина 7. Ракетне паливо на основі гідразину" (ISO 15859-7:2004 "Space systems - Flu sampling and test methods - Part 7: Hydrazine propellant").
________________
* Доступ до міжнародних та зарубіжних документів, згаданих у тексті, можна отримати, звернувшись до Служби підтримки користувачів . - Примітка виробника бази даних.

При застосуванні цього стандарту рекомендується використовувати замість посилальних міжнародних стандартів відповідні їм національні стандарти Російської Федерації та міждержавні стандарти, відомості про які наведено у додатковому додатку ТАК

5 ВВЕДЕНО ВПЕРШЕ


Інформація про зміни до цього стандарту публікується в інформаційному покажчику "Національні стандарти", що щорічно видається, а текст змін і поправок - у щомісячно видаваних інформаційних покажчиках "Національні стандарти". У разі перегляду (заміни) або скасування цього стандарту відповідне повідомлення буде опубліковано в інформаційному покажчику "Національні стандарти", який щомісяця видається. Відповідна інформація, повідомлення та тексти розміщуються також в інформаційній системі загального користування – на офіційному сайті Федерального агентстваз технічного регулювання та метрології в мережі Інтернет

Вступ

Вступ

При операціях з ракетним паливом на основі гідразину на космодромі або місці запуску космічних суден можуть бути задіяні кілька операторів та інтерфейсів постачальник-споживач на шляху від заводу-виробника до доставки до ракети-носія або космічного корабля. Мета цього стандарту полягає у встановленні єдиних вимог до компонентів, методів відбору проб та методів аналізу ракетного палива на основі гідразину, що використовується при обслуговуванні космічних суден та обладнання наземного базування. Встановлені обмеження складу ракетного палива на основі гідразину призначені для визначення чистоти та меж домішок ракетного палива на основі гідразину для заправки в космічні апарати і кораблі. Методи відбору проб та методи аналізу ракетного палива на основі гідразину адаптовані для застосування будь-яким оператором. Методи відбору проб та методи аналізу ракетного палива на основі гідразину прийнятні для здійснення контролю за граничними значеннями ракетного палива на основі гідразину.

1 Область застосування

Цей стандарт поширюється на безводний гідразин, що використовується як ракетне паливо в космічних системах, а також в обладнанні літальних апаратів та засобах, системах та обладнанні наземного базування, таких сортів:

- стандартне паливо: звичайне виробництво та контроль якості (придатне для більшості призначень);

- однокомпонентне паливо: звичайне паливо зі строгим контролем вмісту домішок (призначене лише для ракетних двигунів, що працюють на однокомпонентних каталітичних паливах у випадках, коли бажано продовження терміну придатності каталізатора);

- паливо високої чистоти: спеціальне виробництво із суворим контролем кількості домішок.

Цей стандарт поширюється на відбір проб, необхідний для того, щоб переконатися, що ракетне паливо на основі гідразину при надходженні в ракету-носій або космічний апарат або корабель за складом відповідає межам, встановленим у цьому стандарті або технічній документації, погоджених для конкретного застосування.

Цей стандарт встановлює граничні значення вмісту компонентів та фізичні властивості безводного гідразину (NH) та вимоги до методів відбору проб та методів аналізу для контролю складу безводного гідразину.

2 Нормативні посилання

У цьому стандарті використано нормативне посилання на наступний міжнародний стандарт*:
_______________
* Для датованих посилань використовують лише зазначене видання стандарту. У разі недатованих посилань – останнє видання стандарту, включаючи всі зміни та поправки.
Таблицю відповідності національних стандартів міжнародним див. за посиланням. - Примітка виробника бази даних.


ISO 9000 Системи менеджменту якості. Основні положення та словник (ISO 9000, Quality management systems - Fundamentals and vocabulary)

3 Терміни та визначення

У цьому стандарті застосовані терміни ISO 9000, а також наступні терміни з відповідними визначеннями:

3.1 тверді частки(particulate) (сорт стандартне паливо): Нерозчинні частинки, що залишаються на фільтрувальному папері, номінальним розміром 10 та 40 мкм.

3.2 тверді частки(particulate) (сорти однокомпонентне паливо та паливо високої чистоти): Нерозчинні частинки, що залишаються на фільтрувальному папері, номінальним розміром 2 та 10 мкм.

3.3 контрольне випробування(verification test): Аналіз, що виконується на текучому середовищі в контейнері або на пробі з контейнера, яка є представницькою від постачання, що дозволяє перевірити граничні значення хімічного складуракетного палива на основі гідразину

4 Хімічний склад та фізичні властивості

4.1 Хімічний склад

Якщо іншого не передбачено в технічній документації, що застосовується, хімічний склад ракетного палива на основі гідразину, що поставляється до літального апарату, повинен відповідати межам, встановленим в таблиці 1, при випробуванні відповідно до застосовуваних методів аналізу.


Таблиця 1 - Межі хімічного складу ракетного палива на основі гідразину

4.2 Фізичні властивості

Ракетне паливо при візуальному огляді в світлі повинно бути безбарвною, гомогенною рідиною.

5 Постачання

Гідразин сортів, встановлених у розділі 1, слід постачати відповідно до цього стандарту.

6 Відбір проб

Попередження- Гідразин у рідкому та газоподібному станах є вогненебезпечним, токсичним, летючим паливом і має високу реакційну здатність при контакті з окислювачем. Слід бути обережними при поводженні з гідразином та його зберіганні, використовувати захисні засоби, а також уникати контакту з матеріалами, не сумісними з гідразином.

6.1 План відбору проб

Щоб забезпечити відповідність хімічного складу ракетного палива на основі гідразину граничним значенням, встановленим цим стандартом, необхідно всім задіяним операторам виробити план відбору проб гідразину від виробництва до заправки в космічний корабель та затвердити його у кінцевого користувача. Відбір проб та методи аналізу повинні відповідати всім регламентам та правилам безпеки. Цей план має встановлювати:

- Точки відбору проб;

- методики відбору проб;

- Частоту проведення відбору проб;

- Об'єм проб;

- Кількість проб;

- методи аналізу;

- Відповідальність за відбір проб кожного оператора.

6.2 Відповідальність за відбір проб

Якщо іншого не встановлено в технічній документації, що застосовується, то постачальник, відповідальний за забезпечення літального апарату паливом на основі гідразину, повинен відібрати проби і провести перевірку якості гідразину, що подається до літального апарату постачальником. Постачальник може використовувати свої чи інші ресурси, які підходять для виконання контрольних аналізів, встановлених у цьому стандарті, якщо немає інших вказівок від споживача.

6.3 Точки відбору проб

Якщо іншого не передбачено, то відбір проб рекомендується здійснювати на місці зберігання ракетного палива на основі гідразину або перед заправкою в літальний апарат.

6.4 Частота проведення відбору проб

Відбір проб повинен виконуватись щорічно або відповідно до графіка, узгодженого між постачальником та споживачем.

6.5 Обсяг проб

Кількість палива на основі гідразину в одному контейнері для проб має бути достатньою для проведення аналізу за граничними показниками. Якщо одна окрема проба містить недостатньо палива на основі гідразину для виконання всіх аналізів, необхідних для підтвердження якості, слід відібрати додаткові проби за аналогічних умов.

6.6 Кількість проб

Кількість проб має відповідати наступному:

a) одна проба - із контейнера для зберігання;

b) будь-яка кількість проб - за погодженням між постачальником та споживачем.

6.7 Контейнер для зберігання

Якщо інше не передбачено у плані відбору проб, контейнер для зберігання не можна знову заповнювати після того, як проба відібрана.

6.8 Рідкі проби

Рідкі проби мають бути типовими пробами від постачання рідкого гідразину. Проби повинні бути відібрані одним із наступних методів:

a) шляхом заповнення контейнера для проб і контейнерів для зберігання одночасно від одного і того ж колектора та в одних і тих самих умовах з використанням однієї і тієї ж методики;

b) шляхом вилучення проби з поставленого контейнера через зручне з'єднання з контейнером для проб. Між поставленим контейнером і контейнерами для проб не допускається застосування регулятора тиску (допускаються відповідні продувні та дренажні клапани). Для забезпечення безпеки контейнер для проб і система відбору проб повинні мати розрахунковий експлуатаційний тиск, що дорівнює не менше ніж тиску в контейнері, що поставляється.

6.9 Шлюб

Якщо будь-яка проба ракетного палива на основі гідразину, випробувана відповідно до розділу 7, не відповідає вимогам, встановленим у цьому стандарті, ракетне паливо на основі гідразину, представлене цією пробою, має бути забраковано. Порядок утилізації забракованого ракетного палива на основі гідразину встановлює споживач.

7 Методи аналізу

7.1 Загальні положення

Постачальник повинен забезпечувати якість гідразину. Альтернативні методи аналізу описані у 7.3-7.12. Інші методи аналізу, не наведені у цьому стандарті, прийнятні за узгодженням між постачальником і споживачем.

Ці випробування є окремим аналізом або серією аналізів, що виконуються на ракетному паливі на основі гідразину, щоб підтвердити здатність складських потужностей забезпечувати необхідний рівень якості. Це можна проконтролювати за допомогою аналізу представницьких проб ракетного палива на основі гідразину, що відбираються зі складів через певні проміжки часу за погодженням між постачальником та споживачем. Випробування можуть виконуватись постачальником або лабораторією, обраною за погодженням між постачальником та споживачем.

Вимоги до аналізів повинні включати визначення всіх показників гідразину, які мають обмеження.

7.2 Параметри аналізу

Параметри аналітичних методів, поданих у розділах 7.3-7.12, наведені нижче:

- чистота та вміст домішок повинні бути виражені у відсотках за масою (% мас.), якщо іншого не передбачено;

- стандартні градуювальні зразки газу, що містять рідкі компоненти, що можуть застосовуватися, можуть знадобитися для градуювання аналітичних вимірювальних приладів, що використовуються для визначення граничних показників ракетного палива на основі гідразину;

- на вимогу споживача точність використовуваного вимірювального обладнання під час підготовки цих стандартних зразків має бути підтверджена офіційним інститутом стандартів;

- аналітичне обладнання має застосовуватись відповідно до інструкцій виробника.

7.3 Чистота гідразину

Чистоту гідразину визначають методом газової хроматографії. Даний метод можна використовувати для визначення не тільки чистоти гідразину, але також для визначення вмісту води, аміаку, аніліну та інших летючих компонентів, що містять вуглець (додаток А.). . Аналізатор повинен бути градуйований у відповідних діапазонах із застосуванням градуювальних стандартних зразків.

Зміст твердих частинок визначають методом гравіметричного виміру. Відомий обсяг палива фільтрують через попередньо зважений випробувальний мембранний фільтр і визначають збільшену масу мембранного фільтра після промивання та просушування. Також визначають зміну маси контрольного мембранного фільтра, розташованого під випробувальним мембранним фільтром. Кількість твердих частинок визначають збільшення маси випробувального мембранного фільтра по відношенню до контрольного мембранного фільтра.

a) методом іонної хроматографії;

b) колориметричним методом з тіоціанатом ртуті;

c) потенціометричним методом з використанням хлоридселективного електрода;

d) потенціометричним методом з використанням титрування нітратом срібла.

Вміст хлоридів не можна визначити прямим методом у пробі рідкого гідразину, але можна визначити в нелетючому залишку після розчинення його у водному розчині кислоти.

a) методом газової хроматографії 7.3;

b) методом ультрафіолетової спектроскопії для гідразину сорту однокомпонентне паливо.

a) методом атомної абсорбції;

b) колориметричним методом;

c) методом емісійної спектрометрії з індуктивно пов'язаною аргоною плазмою.

Вміст заліза не можна визначити прямим методом у пробі рідкого гідразину, але можна визначити у нелетючому залишку після розчинення його у водному розчині кислоти.

Пробу необхідно ввести в сильну кислоту, щоб абсорбувати компоненти гідразину та аміаку та вивільнити діоксид вуглецю. Потім вміст діоксиду вуглецю визначають одним із наступних методів:

a) методом газової хроматографії. Методика має бути вибірковою для поділу та аналізу діоксиду вуглецю;

b) методом інфрачервоного аналізу;

c) колориметричним методом, вибірковим до СО.

7.12 Вміст інших летких компонентів, що містять вуглець

Додаток А (довідковий). Застосування газової хроматографії (ГХ)

Додаток А
(довідкове)

Газову хроматографію (ГХ) рекомендується використовувати як контрольний або кращий метод для аналізу домішок гідразину.

У таблиці А.1 наведено застосування цих методів для аналізу гідразину.


Таблиця А.1 - Застосування ГХ

Додаток ТАК (довідковий). Відомості про відповідність посилальних міжнародних стандартів посилальним національним стандартам Російської Федерації (і чинним у цій якості міждержавним стандартам)

Додаток ТАК
(довідкове)

Таблиця ТАК.1

Електронний текст документа
підготовлений ЗАТ "Кодекс" та звірений за:
офіційне видання
М: Стандартінформ, 2011

Мембранні технології (мембранологія, мембраника) – це авангардний напрямок розвитку науки та сучасних технологій. Мембранні методи поділу газових та рідких середовищ вже зайняли міцне місце серед промислових технологічних процесів, хоча повне становлення та віддача мембранної науки та техніки очікуються пізніше.

Сутність процесу мембранного поділу полягає у наступному. Розділяється в апараті вихідна (газова або рідка, бінарна або багатокомпонентна) суміш речовин стикається з напівпроникною мембранною з одного її боку, і внаслідок особливих властивостей мембрани, що пройшов через неї, фільтрат (пермеат - Permeate) збагачується одним з компонентів вихідної суміші. Поділ може бути настільки повним, що у фільтраті практично не містяться домішки тих компонентів вихідної суміші, які затримуються мембраною та відводяться з апарату з іншого боку мембрани у вигляді потоку концентрату (ретентата – Retentate). Мембранний поділ характеризується насамперед наступними головними параметрами всіх мембран: проникністю, селективністю та стабільністю у часі. Проникність - це питома продуктивність мембрани, що дорівнює кількості фільтрату (кг/год), через одиницю поверхні мембрани (м2), або це швидкість процесу мембранного поділу (кг/(м2-год)). Селективність мембрани (фактор поділу) характеризує ефективність (повноту) процесу мембранного поділу стосовно цільового (ключового) компонента. Серед існуючих гіпотез для опису масопереносу в мембранах використовуються дифузійна, капілярна, сорбційна теорія та ін.

Мембраною називають плівку, плоске тіло, довжина якого за двома координатами значно перевищує довжину третьої координати. Мембрана виконує роль деякої перегородки, що забезпечує під дією рушійної сили перебіг фізичного процесу селективного (виборчого) поділу сумішей речовин. В даний час існує безліч штучно приготовлюваних мембран, які можуть бути представлені різноманітними структурами - від грубих типу сита до тонких полімерних плівок і волокон. Вони виготовляються з різних як пористих, так і непористих органічних (полімерні плівки, трубки, капіляри, порожнисті волокна, плоскі тонкі листи) та неорганічних (цеолітні, вуглецеві, скляні, керамічні, металеві) матеріалів. Це з тим, що універсальних мембран немає.

Для виготовлення напівпроникних мембран застосовують різні матеріали: полімерні плівки (поліетиленові, поліпропіленові, полікар-бонатні, фторопластові та ін.); металеву фольгу (зі сплавів платини, паладію, срібла, молібдену та ін.); пористі скла (натрійборосилі-катні) та ін. Пористі полімерні мембрани отримують зазвичай шляхом видалення розчинників або вимиванням попередньо введених добавок з розчинів полімерів при їх формуванні. Отримані таким способом мембрани мають тонкий (0,25-0,50 мкм) поверхневий шар мікропористої підкладці товщиною 100-200 мкм. Процес мембранного поділу здійснюється у поверхневому активному шарі, а підкладка забезпечує механічну міцність такої композитної мембрани.

Металеві пористі мембрани виготовляють вилуговуванням або сублімацією одного з компонентів сплаву фольги. При цьому отримують висопористі мембрани з порами одного діаметра в межах 0,1-5,0 мкм. Інший спосіб отримання пористих металевих мембран - спікання металевого порошку дрібнодисперсного при високій температурі. Пористі полімерні та металеві мембрани застосовують для проведення процесів зворотного осмосу та ультрафільтрації. Мембрани збираються у мембранні модулі (системи); вони можуть бути напівпроникними для газів та рідин або непроникними.

Нині синтетичні полімерні мембрани є основою технологічних процесів, які використовують принципи мембранного поділу. Перенесення речовини (масоперенесення) через мембрани часто (але не завжди) відбувається під дією рушійної сили процесу - різниці тисків з обох боків мембрани - це так звані баромембранні процеси поділу (Baromembrane Separation Processes): мікрофільтрація, ультрафільтрація, нанофільтрація та зворотний осмос. Якщо рушійною силою є різниця концентрацій речовини (компонента) на межах до та після мембрани, то мембранний метод називається діалізом. Мембранний метод, який використовує як рушійну силу процесу різницю електричних потенціалів по обидва боки мембрани, називається електродіалізом. Діаліз широко застосовується в наші дні в медицині для введення в організм лікарських речовин, що поміщаються в капсулу із селективної мембрани. При цьому дифузійний перехід ліків із капсули в організм стає тривалим і, головне, з постійною концентрацією активного компонента. Широко поширений сьогодні і гемодіаліз - використання в медицині мембран як штучна нирка, коли через мембрану токсини виводяться з організму. Діаліз застосовується також у промисловості для видалення кислот та основ зі стічних вод. Мембранні процеси діалізу дозволяють очищати стічні та виробничі розчини (потоки, суміші) від ртуті, свинцю, цинку, міді, срібла, нікелю, кадмію, хрому. Світовими лідерами з виробництва мембран та мембранних елементів є фірми "Dow Chemical", "Filmtec", "Hydranautics", "Osmonics" (США).

Фільтрування (Filtration) – гідромеханічний процес відділення твердих частинок із газів та рідин. Звичайне фільтрування дозволяє відокремити від газу або рідини завислі частинки розміром більше 10 мкм (0,01 мм). Для здійснення цього процесу використовують перепад тиску до і після фільтра до 0,2 МПа, при цьому тиск процесу лімітується міцністю фільтра - пористого матеріалу (тканини, волокна, металеві плетені сітки з тонкого дроту і т.п.). Фільтрування застосовується у технологіях практично всіх галузей промисловості.

При мікрофільтрації (Microfiltration) мембранні фільтри рідких розчинів мають менші розміри часу, ніж при звичайному фільтруванні, і тому потрібна велика різниця тиску (до 0,5 МПа). В цьому випадку вдається відокремити з розчину частинки розміром від 0,1 до 10 мкм при розмірі пор 0,05-10 мкм. Як фільтрувальний матеріал ефективно застосовують мембрани на основі синтетичних полікарбонатних плівок, що володіють рівністю радіусів пор (ізопористість). Мікрофільтрація успішно застосовується для отримання стерильної води (у цьому випадку дисперсні частинки затримуються мембраною), для освітлення та стабілізації вин, для заміни пастеризації та ін.

Ультрафільтрація (Ultrafiltration) дозволяє відокремити частинки розміром від 0,001 до 0,02 мкм (1-20 нм) з розміром пор 1-100 нм при надмірному тиску 0,3-1,0 МПа. Вона може відокремлювати колоїдні розчини та розчини високомолекулярних сполук(Для яких мембрани непроникні) від електролітів і т.п. Ультрафільтрація застосовується також для концентрування молока до вершків, фруктових соків, кави та іншого екстракту та ін. Ультрафільтраційні модулі здатні відокремити від розчинів не лише бактерії, а й віруси. Воду, пропущену через мембранні ультрафільтри, можна пити навіть тоді, коли вихідна вода була заражена біологічно. Композитна ультрафільтраційна мембрана може мати шар, що розділяє, товщиною 0,05-3,00 мкм і один-два шари підтримуючих підкладок товщиною по 100-110 мкм.

При нанофільтрації (Nanofiltration) мембрани можуть затримувати частинки розміром близько 1 нм при досить високих тисках - 0,8-3,0 МПа. Нанофільтрація застосовується для очищення водних розчинів від органічних речовин та мінеральних домішок.

Виборча (селективна) дифузія, наприклад води через мембрани називається осмосом. Присутні у воді частки уловлюються мембраною, а вода, очищаючись, проникає через мембранну поверхню. Через осмос проникнення води через спеціально підібрану мембрану відбувається навіть тоді, коли тиск з обох боків мембрани однаковий. Рушійна сила, під дією якої вода проходить через мембрану, називається осмотичним тиском, який залежить від природи розчиненої речовини та її концентрації. Явище осмосу є основою обміну речовин всіх живих організмів; завдяки йому у кожну живу клітину підводяться поживні речовини і, навпаки, із неї виводяться шлаки.

Процес зворотного осмосу (Reverse Osmosis) полягає у фільтрації рідких розчинів через селективно проникні мембрани під тиском, що перевищує осмотичний, при цьому через мембрани проходить переважно вода, а розчинені речовини залишаються в розчині. Рушійною силою такого процесу є різниця прикладеного та осмотичного тиску. Мембранні методи зворотного осмосу дозволяють відокремити рідкого розчину частинки розміром від 0,0001 до 0,001 мкм (0,1-1,0 нм) при надмірному тиску 3-10 МПа. Цей процес вимагає створення з боку розчину або забрудненої (солоної) води надлишкового тиску: зазвичай 0,2-1,7 МПа для питної та солонуватої води та 4-7 МПа для морської та океанської води з власним осмотичним тиском близько 2,4 МПа, яке потрібно подолати. При зворотному осмосі відбувається поділ лише на рівні молекул та іонів.

Перші промислові системи зворотного осмосу з'явилися на початку 1970-х років XX ст., і в даний час зворотний осмос став одним з економічних, універсальних і надійних методів очищення води, що дозволяє знизити концентрацію колоїдних і розчинених компонентів на 96-99% і практично на 100% позбутися мікроорганізмів та вірусів. Як зворотноосмотичні композитні тонкошарові мембрани застосовують синтетичні поліамідні, полісульфонові, поліії-мідні мембрани. З мембран для компактності роблять рулонні мембранні модулі, мембрани формують також із порожніх волокон, що суттєво збільшує продуктивність мембранних установок.

Мембранний поділ газів успішно застосовується, наприклад, при поділі компонентів повітря. Фракції, збагачені киснем до 60%, знайшли застосування в кисневому дутті в сталеливарній промисловості, в медицині, для оксигенації (тимчасове відключення серця та легенів при складних хірургічних операціях), а фракції, збагачені азотом, - у синтезі аміаку. Мембранні методи поділу газових сумішей використовуються при синтезі аміаку, поділ ізотопів водню, виділення гелію з природного та нафтових газів. Впроваджується мембранний метод виділення діоксиду сірки (сірчистого газу) S02 із викидів теплових електростанцій, очищення газів від діоксиду вуглецю С02 та сірководню H2S. Мембрани для поділу газів виготовляють із полімерних органічних та неорганічних матеріалів. Ізотопи урану вперше були розділені за допомогою мембрани із заліза, водень вибірково пропускає паладієва мембрана, гелій – плавлений кварц. Для поділу газів застосовують мембрани із силіконів, тетрафторетилену, поліефіримідів, ацетилцелюлози, кераміки, скла.

Метод первапорації (Pervaporatiori) ґрунтується на випаровуванні рідини через мембрану. Першапорація протікає як незворотний процес при спільній дії кількох рушійних сил, що викликають масоперенос: різниці тисків, концентрацій та температур по обидва боки мембрани. Багатоступінчаста первапорація у вигляді багатьох мембранних щаблів в одному вертикальному апараті іноді називається мембранною дистиляцією (Membrane Distillation). Першапорація знайшла застосування для концентрування молока, кавового екстракту; для поділу вуглеводнів у процесах нафтопереробки (сумішей ізомерів ксилолу, бензол-циклогексанових сумішей); для виділення фракцій із різними октановими числами; для дегідратації етанолу та ін. У майбутньому первапорація може частково замінити ректифікацію, проте в даний час вона її доповнює в тих випадках, коли утворюються азеотропні суміші (наприклад, суміші етанол-вода), що киплять при одній температурі, не можуть бути розділені ректифікацією спіральних рулонів , між якими розмішають дренажні шари-прокладки, що «намотуються» на перфоровану центральну дренажну трубу. Всі елементи шарів мембрани герметизуються для створення певного напрямку руху вихідного рідкого розчину через поверхню мембрани, для збирання та відведення фільтрату та концентрату. Міцний корпус апарату дозволяє створювати підвищений тиск процесу.

Апарати з половолоконним модулем (Hollow Fibers) для процесів зворотного осмосу та ультрафільтрації більш досконалі у частині вищої щільності укладання напівпроникних мембран до (20 000-30 000 м2/м3). Це досягається застосуванням мембранних порожнистих трубок-волокон довжиною 1,5-2,0 м, діаметром 45-200 мкм (0,045-0,200 мм) та товщиною стінки трубки 10-50 мкм (0,01-0,05 мм). Порожні трубки-волокна здатні витримувати робочий тиск, що дорівнює десяткам мегапаскалів. Є різні конструкційні рішення складання та герметичного кріплення (зазвичай епоксидною смолою) кінців трубок-волокон у круглій плоскій перегородці, яка затискається між фланцями корпусу та кришки апарату. Така конструкція дозволяє з'єднати в U-подібний пучок кінці порожніх трубок-волокон та закріпити їх в одній трубній решітці. Вихідна суміш може проходити всередині трубок, так і омивати їх зовнішню поверхню. В інших конструкціях кінці порожніх трубок кріпляться у різних трубних решітках, що розміщуються в циліндричному корпусі апарату.

Для мембранного поділу промислових газів, таких, наприклад, як «швидкі» гази, тобто швидко проникні мембрани: пари води Н20, гелій Не, водень Н2 аміак NH3, діоксид вуглецю С02, кисень 02, та «повільні» гази, або повільно проникні мембрани: оксид вуглецю СО, азот N2, метан СН4, етан С2Н6, пропан С3Н8 застосовують синтетичні полімерні половолоконні мембрани, що складаються з пористих мембранних трубок-волокон, з нанесеним на їх зовнішню поверхню газорозділювальним шаром товщиною не більше 0, 0,0001 мм. Застосування пористих підкладок дозволяє підвищувати тиск процесу до 6,5 МПа. Мембранний модуль виконується у вигляді змінного газорозділювального картриджа з щільністю укладання мембрани 500-700 м2/м3, що монтується в циліндричному корпусі, який надходить газова суміш і з нього виводяться два потоки розділених компонентів. Такі процеси мембранного поділу дозволяють отримувати з повітря кисень чистотою до 50 % тиском 0,003-0,1 МПа та азот чистотою до 99,9 % тиском 0,5-4,0 МПа, з водневмісних газів, наприклад, на НПЗ отримувати водень чистотою 90 -99% тиском до 5 МПа. Для отримання кисню, азоту та водню вищої чистоти застосовують адсорбційні та кріогенні технології.

Як приклад наведемо коротку інформацію про застосовувані з 80-х років XX ст. деяких мембранних процесах "Separex" фірми "UOP", США. Процеси «Separex» можуть використовуватися для очищення водню, гелію, а також природного та попутного газів від діоксиду вуглецю С02, сіро-водню H2S, пари води та важких вуглеводнів відповідно до вимог трубопровідного транспорту. Мембранні системи «Separex» прості, працюють без застосування рідких поглиначів та з мінімальним використанням машинного обладнання. Тому вони успішно застосовують як для наземних установок, так і на морських платформах. Ці системи можуть мати один або два ступені очищення. Вихідну газову суміш із вмістом С02 у межах 3-75 % при надмірному тиску 3-11 МПа пропускають над полімерною мембраною, при цьому вихідна суміш газів поділяється на два потоки. Діоксид вуглецю, сірководень та пари води легко продавлюються через мембрану та збираються у просторі низького тиску мембранного апарату (цей потік називається пермеатом). Метан, етан, інші вуглеводні та азот накопичуються в залишковому газі вищого тиску, який таким чином збагачується цими компонентами. У двоступінчастій системі пермеат низького тиску компрімується для подальшого мембранного поділу в другому ступені з метою вилучення з нього вуглеводнів. Коефіцієнт вилучення вуглеводнів може досягати 95% для одноступінчастої системи та 99% для двоступінчастої (залежно від складу вихідного газу та вимог до очищення). Продуктивність установок – від 28 тис. до 28 млн м3/добу. При облагородженні природного газу перед його трубопровідним транспортом витрати на його мембранне очищення нижче або порівняні з витратами на встановлення амінового очищення газу.

Процес "Polysep" фірми "UOP" призначений для вилучення та очищення водню з газових потоків процесів нафтопереробки, нафтохімії та хімії. Інший областю його застосування є приведення у відповідність складу синтез-газу та виділення оксиду вуглецю СО. Вихідною газовою сировиною можуть бути потоки газів НПЗ, включаючи газ, що відходить каталітичного риформінгу, каталітичного крекінгу, продувний газ гідроочищення і гідрокрекінгу, а також потоки газів з нафтохімічних і хімічних процесів: газ, що відходить етиленових та метанольних установок, продувний газ аміачних виробництв, синтез газ з процесів парової конверсії, неповного окислення або інших процесів газифікації. Досягається очищення водню з коефіцієнтом його вилучення від 70 до 95% за ступенем чистоти 70-99% (за кількістю) залежно від складу сировини, тиску та вимог до продукту. Мембранні системи «Polysep» проектуються також для одержання оксиду вуглецю СО високої чистоти для синтезу поліуретанів та полікарбонатів, для коригування співвідношення СО/Н2 у синтез-газі виробництва метанолу та оксиспиртів. Нова сфера застосування процесу «Polysep» - вилучення водню з газу в циклах спільного виробництва газу та електроенергії (1GCC).

Система "Polysep" заснована на сучасних композитних полімерних мембранах у вигляді порожнистих волокон. Ці волокна збирають в особливі пучки, що працюють в режимі протитечії, що дозволяє мати максимальну рушійну силу процесу поділу і звести до мінімуму необхідну робочу деталь і вузлів, матеріалів, хімічних реагентів та ін; великі енергетичні витрати; екологічна небезпека у процесі експлуатації установок; необхідність у будівництві додаткових установокдля попередньої дорогої водопідготовки; Великі експлуатаційні витрати. Серйозною проблемою для великих опріснювальних комплексів є необхідність створення потужних теплових котелень ТЕЦ і навіть застосування атомних реакторів, оскільки вартість тепла становить близько 40-50 % від вартості всіх витрат опріснювального комплексу. Великі кошти витрачаються на вирішення екологічних завдань та технічне обслуговування таких комплексів.

Досвід експлуатації мембранних опріснювальних установок у всьому світі свідчить, що тенденції щодо зниження їх експлуатаційних витрат не спостерігається, оскільки залишаються найважчі проблеми з подолання наслідків забруднення та накипівтворення як фільтрувального, так і мембранного обладнання. Тому рівень попереднього очищення сировинної морської води стає одним із домінуючих аспектів мембранних методів опріснення води, а вартість попередньої підготовки води іноді істотно вища за вартість самих мембранних установок. Наприклад, перед подачею в мембранні модулі морську воду необхідно ретельно очистити від суспензії, колоїдних забруднень, солей жорсткості, металів, активного хлору, бору, її потрібно пом'якшити інгібіторами; необхідно провести знезараження, відмивання та санітарну обробку мембран, термін служби яких зменшується до 0,5-1,0 року. Повна регенерація мембран зазвичай неможлива", часто застосовується механічна та хімічна (кислотна, лужна та ін.) промивання мембран при зниженні продуктивності установки на 10-15% або при збільшенні перепаду тиску на мембранному контурі на 0,20-0,25 МПа. В даний час капітальні та експлуатаційні витрати мембранних установок залишаються високими, особливо при великій продуктивності технологічних установок.