Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН

1. Введение в мембранные процессы разделения. Классификация мембран и мембранных процессов.

МЕМБРАНА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ Мембрана – перегородка, разделяющая различные по составу жидкие или газообразные фазы, способные под действием приложенной движущей силы к селективному переносу компонентов разделяемых фаз.

Более строгое Мембрана – это фаза или группа фаз, которые разделяют две различные фазы, отличающиеся физически или химически от фаз мембраны; под действием приложенного силового поля свойства мембраны позволяют ей управлять процессами массопереноса между разделяемыми фазами.

Двухфазная система, разделяемая мембраной Сырье Мембрана Пермеат Фаза 1 Фаза 2 Движущая сила ΔC, ΔP, ΔT, ΔE

Главные свойства всех мембран Проницаемость Селективность Стабильность

ТОПОЛОГИЯ МЕМБРАН Плоские Цилиндрические: полые волокна или капилляры Оболочки: биологические (клеточные) мембраны, везикулы, эмульсионные мембраны

Плоские мембраны

ТОПОЛОГИЯ МЕМБРАН Плоские Цилиндрические: полые волокна или капилляры Оболочки: биологические (клеточные) мембраны, везикулы, эмульсионные мембраны

Полые волокна

ТОПОЛОГИЯ МЕМБРАН Плоские Цилиндрические: полые волокна или капилляры Оболочки: биологические (клеточные) мембраны, везикулы, эмульсионные мембраны

ОБОЛОЧКИ

Эмульсионные мембраны Фаза 1 Фаза 2 Фаза 1 Фаза 2

ТИПЫ МЕМБРАН Биологические: Клеточные – транспорт ионов, выведение продуктов метаболизма, подача кислорода, передача сигналов и т.д. Макроскопические мембраны – почка (диализ), легкое (пертракция). Синтетические (технологические)

Ионные каналы в клеточных мембранах Roderick Mac Kinnon Нобелевская премия по химии, 2003 Ионный канал для K (бактерия Streptomyces lividans)

СИНТЕТИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ Полимерные Неорганические: Керамические Углеродные Цеолитные Стеклянные Металлические

Механизм транспорта в пористых и непористых мембранах

Полимерная мембрана - предшественник

Углеродная мембрана

Размеры окон цеолитов

Получение композиционных цеолитных мембран

Микрофотография цеолитной мембраны

Агрегатное состояние мембран Твердые: полимерные, неорганические. Жидкие: импрегнированные жидкие, эмульсионные, истинно жидкие.

Схема двух типов жидких мембран Фаза 2 Фаза 1 Фаза 2 Жидкая мембрана Пористая подложка Жидкость

Механизм транспорта Пассивный Активный

Принцип активного транспорта

Активный транспорт с подвижными и фиксированными носителями

Механизмы транспорта с носителем А А А АCАCАC А C АCАC АBАCАC BC Облегченный транспорт Транспорт против градиента Пассивный транспорт Сопряженный транспорт

Различные морфологии мембран Асимметричные мембраны Симметричные мембраны Пористые мембраны Непористые мембраны

l=0,2μ Плотный поверхностный слой Skin Пористая подложка Мембрана ПВТМС (ИНХС РАН)

Различные типы композиционных мембран

Мембранные процессы ЖЖ ГГЖГ ЖГ Движущая сила ЖГ

Обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, диализ ЖЖ

Баромембранные процессы

Размеры разделяемых молекул

Расход воды на душу населения : 1000 м 3 /год Бытовые нужды: 9% Промышленность: 23% Сельское хозяйство: 68% ПОТРЕБНОСТЬ В ВОДЕ

МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Микрофильтрация Движущая силаДавление (

Ультрафильтрация Движущая силаДавление ( )

Композиционная ультрафильтрационная мембрана

АСИММЕРИЧНАЯ МЕМБРАНА ОсмосОбратный осмос

Движущая силаДавление (15-80 атм) Размер порНепористые или нанопористые (

Диализ Движущая силаРазность концентраций Тип мембраныСимметричная, непористая Мембранные материалы Гидрофильные полимеры Объекты разделенияОрганические молекулы Области примененияГемодиализ, снижение концентрации спирта в пиве

Получение трековых мембран

Микрофотография трековой мембраны

Газо-и пароразделение ГГ

Газоразделение Движущая силаРазность концентраций (парциальных давлений газа) Размер порНепористая (размер элементов свободного объема 0,2-1,5 нм) Тип мембраныАсимметричная или композиционная Мембранные материалы Полимеры Основные объекты разделения Воздух, H 2 /N 2, H 2 /CH 4, CO 2 /CH 4, осушка газов и др.

Первапорация, мембранная дистилляция ЖГ

Первапорация Движущая силаРазность активностей (давлений пара) Размер порНепористая Тип мембраныКомпозиционная или асимметричная Мембранные материалы Полимеры Область применения Дегидратация органических растворителей, очистка воды от органических веществ, разделение азеотропов и др.

Мембранная дистилляция

Движущая силаРазность температур и давлений пара Размер пор0,2 – 1,0 мкм Тип мембраныПористая симметричная или асимметричная Мембранные материалы Гидрофобные (ПТФЭ, полипропилен) Объекты разделенияПолучение чистой воды из растворов солей

Пертракция ЖГ

Движущая силаРазность концентраций (парциальных давлений газа) Размер порНепористые Тип мембраныАсимметричная или композиционная Мембранные материалы Полимеры Основные задачиОксигенация (искусственное легкое), озонирование

Электродиализ

Движущая силаРазность электрического потенциала Тип мембраныСимметричная, непористая катионообменная, анионообменная, биполярная Мембранные материалы Сшитые полиэлектролиты Области примененияОбессоливание, разделение аминокислот, и.т.д.

Получение хлора и щелочи

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Nafion Nafion/PTFE Протонпроводящие мембраны

Принцип мембранного разделения СырьеРетентат Пермеат C A =C B C A > C B C A < C B

Плоскорамный модуль

Потоки в плоскорамном модуле

Спиральный модуль

Половолоконныймодуль Retentate Permeate Feed Hollow fibers

Половолоконный модуль

Конфигурация модуля ТИПS/V, м 2 /м 3 Половолоконный10,000 Спиральный Плоскорамный

Преимущества мембранных процессов Низкие энергозатраты Непрерывность процесса разделения Легкость масштабирования Мягкие условия разделения Простота сочетания с другими процессами Свойства мембран можно регулировать!

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ Внешний контроль Масштабирование Гибкость Цена продукции Расход энергии Отходы Громоздкое оборудование