Разновидности мембранных процессов и их характеристики.

Мембранная технология – это одно из новых направлений развития химических технологических процессов, целью которых является разделение жидких и газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран. Процесс разделения основан на том, что некоторые компоненты системы проходят через мембрану медленнее других или вовсе задерживаются. Эффективность разделения оценивается показателями «селективность», «производительность», «коэффициент разделения». Разделение смесей через мембрану осуществляется в основном при температуре окружающей среды без фазовых превращений, что обусловливает простоту конструкции мембранных аппаратов и экономичность процесса.

 Растворы разделяют с помощью следующих способов мембранной технологии: обратного осмоса, ультрафильтрации, диализа, электродиализа, микрофильтрации.

1. способ разделения обратным осмосом заключается в том, что раствор под давлением 3-8 МПа подается на полупроводниковую мембрану, пропускающую растворитель (воду) и задерживающую полностью или частично молекулы или ионы растворенного вещества. Суть способа состоит в следующем: если концентрация вещества в растворе А больше, чем в растворе В, находящихся по разные стороны мембраны, то возникает поток молекул (ионов) этого вещества через мембрану от раствора А к раствору В. Этот поток можно остановить, если повысить давление в растворе В. Разность давлений, при которой прекращается переход через мембрану вещества, называется осмотическим давлением. При обратном осмосе используют плоскокамерные, трубчатые или рулонные аппараты с разделительными мембранами в виде пленок и полых волокон. Метод применяется для опреснения соленых и очистки сточных вод, разделения смемей путем удаления одного из составляющих, концентри-рования растворов и др.

2. Ультрафильтрация относится к процессу мембранного разделения растворов и коллоидных систем, в которых молекулярная масса растворенных (диспергированных) компонентов намного больше молекулярной массы растворителя (дисперсионной среды). Для разделения в данном случае применяется небольшое избыточное давление 0.1-0.8 МПа. При этом значительное влияние оказывает на ультрафильтрацию «концентрационная поляризация», приводящая к гелеобразованию или выпадению осадка у поверхности мембраны. Используется ультрафильтрация для очистки сточных вод от высокомолекулярных соединений, очистки крови и биологически активных веществ, вакцин, вирусов, молока, фруктовых соков и др.

3. Микрофильтрация используется для разделения коллоидных систем при помощи полимерных высокопористых пленок, часто нанесенных на подложки (пластины, цилиндры, сетки, бумажные листы). Их толщина составляет 10-350 мкм, размер пор 0,01-0,1 МПа. Микрофильтрация применяется для очистки технологических растворов и воды от тонкодиспергированных веществ. Основные достоинства способа – простота конструкционного оформления установки, большая производительность при малых эксплуатационных затратах.

4. Диализ предназначен для разделения растворенных веществ, значительно различающихся молекулярными массами. Способ основан на неодинаковых скоростях диффузии веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Применяется диализ при производстве искусственных волокон, ряда биологических препаратов, для очистки растворов биологически активных веществ.

5. Электродиализ – способ разделения ионизированных соединений под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей мембраны. Разделение ионов с одинаковым знаком заряда происходит в результате различия скоростей их переноса через мембрану. Способ широко используется для обессоливания морской воды и соленой воды, для очистки растворов биологически активных веществ.

6. Мембранное газоразделение представляет собой разделение газовой смеси на компоненты или ее обогащение в аппаратах с непористыми перегородками (мембранами). Способ основан на различии между коэффициентами газопроницаемости компонентов газовой смеси. Для разделения газовых смесей применяются мембраны из стекла, металлов, полимерных материалов. Наибольшей производительностью обладают асимметричные мембраны, состоящие из пористого и сплошного слоев, причем толщина последнего составляет около 0, 25% общей толщины мембраны.

Недостатки мембранных способов разделения (обратного осмоса и ультрафильтрации): в процессах опреснения и обессоливания образуются вода и концентрированный раствор, который содержит смесь неорганических веществ в виде ионов; их нельзя использовать в дальнейшем и нужно сбрасывать в окружающую среду.

Мембранная технология является одним из приоритетных направлений НТП, т.к. она открывает путь к созданию ресурсосберегающих процессов, оказывает благоприятное воздействие на экологическую ситуацию. В перспективе предусматривается значительный рост объемов производства с применением обратноосматических и ультрафильтрационных мембран, стойких в агрессивных средах. Разрабатывается поколение новых мембран, получаемых методом синтеза на границе раздела фаз, а также модифицируемых плазменной обработкой или радиационной прививкой. Широко развернуты работы по созданию мембран с использованием целенаправленного регулирования свойства и соотношения центров активированного переноса веществ в полимерах.

Основы биотехнологии.

Биотехнология – промышленная технология получения ценных продуктов из исходного сырья с помощью микроорганизмов. Биотехнологические процессы известны с древних времен: хлебопечение, приготовление вина и пива, сыра, уксуса и др. в современном понимании в биотехнологию включают генетическую и клеточную инженерию, цель которых – изменение наследственных механизмов функционирования организмов для управления деятельностью живых существ. Биотехнология тесно связана с технической микробиологией и биохимией.

В основе биотехнологии лежит микробиологический синтез. Мир микроорганизмов обширен и разнообразен. Размножаются они чаще всего простым делением клеток. Микроорганизмы характеризуются разнообразными физиологическими и биохимическими свойствами. Например, для анаэробов не нужен кислород, другие живут в источниках при температуре 250°С, третьи обитают в ядерном реакторе. Микроорганизмы широко распространены в природе, в грамме почвы их может содержаться до 3 млрд.

Однако микроорганизмам присущи и специфические ферментные и биохимические реакции, на которых основана их способность разлагать целлюлозу, лигнин, углеводороды нефти и др. Существуют микроорганизмы, способные усваивать азот, синтезировать белок и др. На этом основано получение различных продуктов.

Сейчас с помощью биотехнологий получают антибиотики, витамины, аминокислоты, белки, спирты, кисломолочную продукцию и др. интерес к использованию биотехнологий возрастает в различных отраслях человеческой деятельности: в энергетике, пищевой промышленности, с/х, медицине и др. Это объясняется возможностью применения в качестве сырья возобновляемых ресурсов (биомассы) и экономией энергии.

Перспективным направлением является разработка и внедрение микробиологических способов получения различных металлов. Микроорганизмы играют важную роль в круговороте веществ в природе. Известно, что они причастны к образованию ископаемых. Так в начале 20 века в старом руднике было обнаружено в водном растворе огромное количество меди, которая была произведена бактериями из сернистых соединений меди. Окисляя не растворимые в воде сульфиды меди, бактерии превращают их в легкорастворимые соединения. Особенно эффективно использование бактерий на завершающей стадии эксплуатации рудников, при переработке отвалов. Использование такой технологии позволит добывать глубокозалегающие ископаемые. Достаточно будет погрузить на нужную глубину трубы и подвести по ним к рудной породе биораствор. Т.о., отпадает необходимость строительства шахт, уменьшается нагрузка на экологическую ситуацию и др. как следствие этого снизится себестоимость ископаемых.

Также широко применяется и развивается применение биотехнологий для производства медпрепаратов, органических удобрений, горючих газов и жидкостей, микроорганизмов для очистки жидкой и воздушной среды и др.