План.
Введение
1 Фильтры
1.1 Очистка воды фильтрованием. Принцип действия
1.2Общие сведения о фильтровании
1.3 Режимы фильтрования
2 Мембраны
2.1 Полупроницаемые мембраны.
2.2 Технология изготовления эластичных мембран
2.3 Основные направления развития мембранной техники и мембранных
технологических процессов
Заключение…
Список литературы
Введение.
Данная курсовая работа имеет целью научить студентов самостоятельной работе и выделению полезной и нужной информации из многих источников.
Тема моего курсового проекта достаточно актуальна в наше время, поскольку процессы фильтрования очень широко используются в химической промышленности и смежных с ней отраслях. Значение процессов фильтрования возрастает с увеличением масштабов производства. Знания физических основ процесса, факторов, задающих режимы работы и качества производимого продукта позволяет учёным наиболее полно использовать рациональные типы современного оборудования фильтрации.
Проектирование и разработка фильтра в значительной мере зависят от того, какие его характеристики нужно нам получить, то есть от формулировки критерия.
Одной из типичных постановок задач является обеспечение выделения полезного сигнала на фоне помех, отличающихся от полезного расположения спектральных составляющих.
Специалисты, работающие в области фильтрования должны глубоко изучить характерные черты этого сложного и многогранного процесса и существующие способы его изучения, чтобы с учётов известных фактов самостоятельно и обоснованно решать вопрос об окончательном выборе фильтра для той или иной цели.
Поскольку данный курсовой проект состоит из двух самостоятельных и обособленных частей, нельзя не упомянуть о не менее важной и значительной роли мембранных материалов в современной жизни общества.
Уже порядка 10 лет в нашей стране продается одежда, созданная с использованием мембранных материалов. Но многие потенциальные покупатели до сих пор остаются в неведении относительно свойств мембран и поэтому сомневаются в необходимости приобретения таких вещей. Примером неосведомленности может служить следующий вопрос, услышанный автором статьи от одного из покупателей: "Правда ли, что, надев куртку с Gore-Tex на футболку и в -30 мерзнуть не будешь?". Ответ: "Да правда, потому что смерть наступит очень быстро, и холода почувствовать не успеешь". Такая неосведомленность конечно единичный случай, но она отражает общее положение вещей. Данная курсовая работа - всего лишь попытка немного прояснить ситуацию в областях и масштабах использования мембранных материалов.
Поскольку данная тема вызывает живой интерес учёных всего мира, в последнее время написано много книг и журнальных статей, в какой-то степени раскрывающих сущность и закономерности протекания процесса фильтрования и использования мембранных технологий.
1 Фильтры.
1.1 Очистка воды фильтрованием. Принцип действия и основные понятия.
Процесс очитки воды фильтрованием заключается в её пропуске через пористую среду, на поверхности или в порах которой при этом происходит накопление частиц загрязнений, извлекаемых из очищаемой воды.
В зависимости от качества очищаемой воды, требуемой степени её осветления и производительности установок применяют фильтры с различными устройством пористой фильтрующей среды:
1. Фильтры с зернистой загрузкой, в которых в качестве фильтрующей среды используют слой из зёрен различных материалов; зёрна величиной от 0,3 до 2 мм, высота слоя – от 0,5 до 2 мм. В качестве фильтрующей загрузки применяются самые разнообразные природные и искусственные материалы: кварцевый песок, дроблённый антрацит, дроблённый керамзит и др.;
2. Сетчатые фильтры, в которых в качестве фильтрующего слоя используются сетки с мелкими отверстиями для задержания находящихся в воде взвешенных частиц. Применяются разнообразные по конструктивному оформлению сетчатые фильтры, в которых используются металлические сетки, ткань, стеклоткань, сетки из синтетических материалов и т.п.;
3. Намывные фильтры, в которых фильтрующая среда образуется из специальных порошков, вводимых в очищаемую воду и накапливающихся на каркасе фильтра. В качестве фильтрующих порошков применяют диатомит, перлит, древесную муку, кизельгур и пр.; каркас может быть выполнен из сетки или из объёмных пористых элементов;
4. Фильтры, в которых в качестве фильтрующей среды используются эластичные или жёсткие объёмные пористые материалы.
Доминирующее распространение в коммунальном водоснабжении получили фильтровальные сооружения и устройства с зернистыми загрузками ввиду относительной простоты регенерации фильтрующего слоя из зернистых материалов, а также из-за меньшего, по сравнению с другими типами фильтров, необходимого давления для пропуска воды через фильтрующую среду при одновременном достижении необходимой степени очистки воды, а также возможности очистки больших количеств воды.
В коммунальном водоснабжении распространены также и сетчатые фильтры барабанного типа. Однако они в большинстве случаев не обеспечивают получения воды питьевого качества и поэтому их используют лишь как вспомогательные для предварительной, частичной очистки воды.
Несмотря на конструктивные особенности, каждый фильтр должен иметь следующие элементы: корпус фильтра; зернистую фильтрующую загрузку; дренажно-распределительную систему; систему отвода промывной воды; трубопроводы для подачи и отвода осветляемой и промывной воды; запорную арматуру; контрольно-измерительную аппаратуру.
Фильтры могут включать в себя и другие элементы, например поддерживающие гравийные слои, устройства для подачи и распределения воздуха при использовании водовоздушной промывки и т.п.
Производительность фильтровальных сооружений определяется скоростью фильтрации, численно равной расходу воды, проходящему через 1 м2 площади фильтра.
По конструктивному исполнению фильтры могут быть напорными и открытыми. Если в напорных фильтрах давление в надзагрузочном пространстве создаётся насосами, то в открытых фильтрах оно определяется высотой столба воды над фильтрующим слоем, которая лимитирует высотным расположением водоочистных сооружений
В основном идентичные по принципу действия используемые фильтровальные сооружения и устройства классифицируются по ряду признаков: скорости фильтрования; давлению, под которым они работают; виду и режиму промывки; способу подготовки и обработки воды перед фильтрованием; конструктивному оформлению всех основных элементов, из которых состоят фильтры. При этом часто обеспечение тех или иных признаков определяет соответствующее конструктивное оформление фильтрованных сооружений и устройств.
1.2 Фильтры-мембраны из углерод-углеродных материалов
Области применения
Назначение фильтров - тонкая очистка жидких продуктов при микро- (0,1-10 мкм) и ультрафильтрации (0,001-0,1 мкм).
Основные области применения фильтров-мембран:
производство пищевых продуктов (вода, пиво, соки, вина и другие спиртные напитки, творог и т.п.)
очистка крови, плазмы и кровезаменителей
производство медицинских препаратов
очистка сточных вод
очистка нефтепродуктов
Описание
Технические и эксплуатационные характеристики
Рабочее давление, МПа, макс.
0.6
Рабочая температура, °C, макс.
300
pH
0 - 14
Модуль упругости материала, МПа
7000
Производительность через 1 м2 поверхности, 1/час
90
Фильтры-мембраны изготавливаются в виде трубок; максимальный наружный диаметр - 10 мм, максимальная длина - 1200мм.
1 - фильтр-мембрана; 2 - углерод-углеродный материал; 3 - селективный слой; A - питающий поток; B - пропущенный поток; С - остаточный поток
Преимущества
По сравнению с аналогами материал фильтров выдерживает давление разрыва в 2 раза большее, что позволяет повысить производительность обработки на 40%.
Стадия разработки
Готовая продукция.
1.3Общие сведения о фильтровании.
Фильтрованием называют процессы разделения неоднородных систем при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы этих систем и пропускают другие. К этим процессам относятся разделение суспензий на чистую жидкость и влажный осадок, аэрозолей на чистый газ и сухой осадок или на чистый газ и жидкость. Закономерности, характеризующие процессы разделения перечисленных неоднородных систем, наряду с общими чертами имеют также существенные отличия, причём закономерности процесса разделения суспензий установлены полнее по сравнению с соответствующими закономерностями для аэрозолей.
Целесообразно различать понятия «фильтрование» и «фильтрация», обозначая первым из них процессы разделения суспензий и других неоднородных систем в промышленных и лабораторных условиях, а вторым – процессы движения жидкостей и газов через пористые грунты в природных условиях. По аналогии термины фильтрование и фильтрация применяют к процессам разделения лучей, переменных токов и звуковых колебаний, т.е. к процессам, для осуществления которых вместо пористой среды используются соответствующие физические приборы.
Однако неправильно называть фильтрованием процесс разделения аэрозолей посредством осаждения твёрдых частиц или капелек жидкости в электростатическом поле электрофильтров. Поскольку для проведения этого процесса пористую перегородку не применяют, его следует называть электростатическим осаждением.
В химической промышленности широко используется процесс фильтрования. Знание физических основ процесса, факторов, определяющих режимы работы и, в конечном счёте, качество производимого продукта, позволит использовать наиболее рациональные типы современного фильтровального оборудования.
Обслуживание фильтровального оборудования требует достаточной теоретической подготовки, знания конструкций применяемого оборудования, умения обеспечить наиболее рациональные режимы работы при изменении физических характеристик поступающих суспензий. Мы можем рассмотреть механизм процесса фильтрования и промывки осадков, типовые конструкции фильтровального оборудования, особенности его работы, преимущества и недостатки.
1.4Режимы фильтрования.
В производственной практике применяют различные режимы фильтрования. В зависимости от способа получения разности давлений по обе стороны фильтровальной перегородки различают три режима фильтрования.
1) Постоянная разность давлений и уменьшающая скорость фильтрования.
2) Постоянная скорость фильтрования и увеличивающаяся разность давлений.
3) Переменные скорости фильтрования и увеличивающаяся разность давлений.
Разделение суспензий можно проводить для получения твёрдой или жидкой фазы, когда другая фаза является отходом, а также для одновременного получения твёрдой и жидких фаз.
Разделение суспензии, состоящей из жидкости, в которой взвешены твёрдые частицы, производится при помощи фильтра. В простейшем случае он является сосудом, разделённым на две части пористой фильтровальной перегородкой. Суспензию помещают в одну часть этого сосуда таким образом, чтобы она соприкасалась с фильтровальной перегородкой. В разделённых частях сосуда создаётся разность давлений, под действием которой жидкость проходит через поры фильтровальной перегородки, а твёрдые частицы задерживаются этой перегородкой. Таким образом, суспензия разделяется на чистый фильтрат и влажный осадок.
В промышленных условиях применяют разнообразные , часто довольно сложные по конструкции фильтры, причём фильтровальная перегородка обычно имеет плоскую или цилиндрическую форму.
Фильтры чаще всего подразделяются на периодические действующие и непрерывно действующие. В первых фильтровальная перегородка неподвижна, во вторых она непрерывно перемещается по замкнутому пути. При этом в фильтрах периодического действия на всех элементах перегородки одновременно осуществляются одни и те же процессы, например поступление суспензии, образование осадка или его удаление.
В фильтрах непрерывного действия на различных элементах перегородки происходят разные процессы в зависимости от того, на каком участке замкнутого пути находится в данный момент рассматриваемый элемент перегородки; так, на один участок перегородки поступает суспензия, а на других её участках образуется и удаляется осадок.
Можно также подразделить фильтры по направлениям движения фильтрата и действия силы тяжести, поскольку оседание твёрдых частиц суспензий под действием этой силы влияет на закономерности фильтрования. Указанные направления могут совпадать, быть противоположными или перпендикулярными друг другу.
Фильтрование является гидродинамическим процессом, скорость которого прямо пропорциональна разности давлений, создаваемой по обеим сторонам фильтровальной перегородки, и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при её движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка.
Разность давлений по обеим сторонам фильтровальной перегородки создают при помощи компрессоров, вакуум-насосов и жидкостных насосов, например поршневых и центробежных, а также используя гидростатическое давление самой разделяемой суспензии.
Независимо от того, каким образом создают разность давлений, движущая сила процесса фильтрования возрастает прямо пропорционально этой разности. Однако в большинстве случаев скорость фильтрования возрастает медленнее, чем увеличивается разность давления, так как при увеличении последней поры перегородки и осадка сжимаются, и сопротивление возрастает.
Значение процессов фильтрования возрастает с увеличением масштабов производства химической и родственных ей отраслей промышленности. Это объясняется тем, что процесс разделения суспензий нередко вызывает затруднения, обусловленные главным образом большим сопротивлением осадка и соответственно малой скоростью фильтрования. При этом для достижения заданной производительности фильтровальной установки требуется большое число фильтров определённой конструкции. Поэтому возникла тенденция к увеличению размеров фильтровального оборудования и интенсификации процессов фильтрования.
Для правильного решения проблем выбора фильтра, фильтровальной перегородки, вспомогательного вещества и условий фильтрования намечаются два пути.
Применяя первый путь, следует создать опытные условия установки, включающие достаточное число различных небольших фильтров, одинаковых по конструкции с промышленными фильтрами разных типов. Учитывая упомянутые выше общие указания по выбору средств фильтрования и использую различные фильтровальные перегородки, экспериментально можно выбрать наиболее рациональную конструкцию фильтра и установить условия его работы применительно к данной суспензии.
При этом следует иметь в виду, что не все суспензии сохраняют неизменными свои свойства во время транспортирования от места получения до опытной установки, в особенности, если расстояние между данными пунктами значительно. В связи с этим целесообразно сконструировать небольшие транспортабельные опытные фильтры, которые можно доставлять к месту получения суспензий.
Использую второй путь, надлежит организовать накопление и систематизацию производственных данных о свойствах суспензий и осадков и о соответствующих им средствах фильтрования. Для этого необходимо иметь унифицированную схему, согласно которой даются сведения об уже внедрённых в производство процессах фильтрования. Только при этом условии возможны сопоставления и приближённая идентификация одного из них с новым процессом фильтрования, что позволяет выбрать средства фильтрования с последующей экспериментальной проверкой их.
2 Мембраны.
Мембраны - тонкие пленки со специальной структурой, созданные для обеспечения селективного пропускания растворенных веществ. Вообще, избирательность мембраны основана на ее способности пропускать или не пропускать частицы в соответствии с их размером и иными свойствами. Мембрана может быть гомогенной или асимметричной. Гомогенные мембраны в поперечном сечении имеют однородную структуру при увеличении по крайней мере в 100 раз. Наибольшей степенью гомогенности обладают мембраны, разработанные для микрофильтрации и гемодиализа. Мембраны снижают величину потока не только нежелательных растворенных веществ, но и самого растворителя. Для уменьшения сопротивления потоку растворителя были разработаны образцы, имеющие асимметричное поперечное сечение. То есть они состоят из двух параллельных слоев. Сопротивление, оказываемое течению селективным слоем, который обеспечивает мембране возможность селективной фильтрации, минимизируется посредством уменьшения его толщины. Сопротивление течению более толстого и прочного поддерживающего слоя, который обеспечивает прочность конструкции, минимизируется за счет его открытой пористой структуры. Эти различные слои могут быть сделаны из одного и того же материала, как в асимметричных мембранах из ацетата целлюлозы, или из различных материалов, как в тонкопленочных составных (композитных) мембранах. Мембраны, используемые в оборудовании для очистки воды, бывают двух видов: в виде плоских листов и полых волокон.
2.1 Полупроницаемые мембраны.
Основной проблемой при реализации мембранных методов является разработка и изготовление полупроницаемых мембран, которые отвечали бы следующим требованиям:
· высокая разделяющая способность (селективность);
· высокая удельная производительность (проницаемость);
· устойчивость к действию среды разделяемой системы и её компонентов;
· неизменность к действию среды разделяемой системы и её компонентов;
· неизменность характеристик в процессе эксплуатации;
· достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортирования и хранения мембран;
· низкая стоимость.
При получении полупроницаемых мембран используют различные материалы: полимерные плёнки, стекло, металлическую фольгу и др. Наибольшее распространение получили мембраны на основе различных полимеров. Эти мембраны приготавливаются по специальной технологии, так как первые исследования показали, что, как правило, плёнки, выпускаемые промышленностью для других целей, не обладают селективными свойствами.
Все полупроницаемые мембраны целесообразно подразделить на две основные группы: пористые и непористые.
Непористые (диффузионные) мембраны являются квазигомогенными гелями, через которые растворитель и растворённые вещества проникают под действием градиента концентраций (молекулярная диффузия). Поэтому такие мембраны часто называют диффузионными. Скорость, с корой проходят через мембрану отдельные компоненты, зависит от энергии активации при взаимодействии переносимых частиц с материалом мембраны и от размеров диффузионных частиц. Обычно скорость диффузии тем выше, чем слабее связаны между собой отдельные звенья полимерной цепи в гелевом слое, т.е. чем сильнее мембрана набухает.
Диффузионные мембраны наиболее рационально применять для разделения компонентов с близкими свойствами, но различными размерами молекул. Поскольку эти мембраны не имеют пор в общепринятом смысле и концепция диффундирующего вещества по толщине мембраны остаётся низкой, то диффузионные мембраны не забиваются и, следовательно, не снижают проницаемости времени.
Диффузионные мембраны применяют для разделения газов и жидких смесей методом испарения через мембрану.
Пористые мембраны. Современные представления о капиллярно-фильтрационной модели механизма полупроницаемости позволяют сделать вывод о возможности получения пористых селективных мембран для обратного осмоса и ультрафильтрации на основе практически любого лиофильного материала. Наибольшее практическое распространение получили синтетические полимерные мембраны, приготовленные по специальной технологии.
Пористые полимерные плёнки получают обычно введением в полимер добавок с последующим их вымыванием или путём удаления растворителей из растворов полимеров в условиях, препятствующих существенной усадке каркасной структуры полимера вследствие действия капиллярных сил.
Известно три основных метода формирования полупроницаемых мембран: сухой (спонтанный), коагуляционный и термальный.
Сухой метод, заключается в растворении полимера, например эфира целлюлозы, или смеси эфиров, в растворителях типа ацетона и добавлении к этому раствору соответствующих порообразующих агентов (этанол, бутанол, вода, глицерин и др.). К достоинству плёнок, полученных по данному методу, прежде всего следует отнести возможность их хранения и транспортирования в сухом виде.
Значительно чаще применяют формирование мембран коагуляционным методом. Этот метод заключается в следующем. Раствор, приготовленный из ацетата целлюлозы, летучего растворителя и пороообразователя, поливается тонким слоем на стеклянную пластину, подсушивается в течение нескольких минут и затем погружается в холодную воду, где выдерживается до отделения плёнки от подложки. За это время происходит почти полное образование мембраны.
В ряде случаев, после описанного приёма, полученная плёнка является лишь заготовкой, а не полупроницаемой мембраной. Для закрепления получено структуры, её обрабатывают водой при температуре, близкой к температуре стеклования данного полимера. При этом происходит некоторая усадка пористой структуры, что часто приводит к повышению селективности мембран.
Термальный метод формирования пористых мембран заключается в термической желатинизации смеси полимера и соответствующих пластификаторов, например, полигликолей. Компоненты смешиваются с целью получения геля. По мере снижения температуры нагретого раствора пластификатор-полимер полимерные цепочки взаимодействуют и образуют квазисшитую гелеобразную структуру. В конечном счёте происходит разделение фаз и образование пор.
Термальный гель можно снова расплавить и снова получить при охлаждении.
Термальные гели очень хороши в качестве подложек в комбинированных мембранах, так как могут иметь изотропную структуру, в собственно термическая желатинизация позволяет получить структуру полимерной плёнки практически любой пористости. Отпрессованную плёнку при температуре 200 градусов Цельсия промывают водой для удаления добавок. Полученные таким образом мембраны имеют улучшенные механические свойства и повышенную водопроницаемость по сравнению с мембранами из регенерированной целлюлозы.
Нуклеопоры. Так называются мембраны, образованные при облучении тонких плёнок заряженными частицами с последующим травлением химическими реагентами. Для того, чтобы при травлении смогли образоваться сквозные поры практически одинаковых размеров, излучение должно обладать высокой плотностью ионизации.
Для изготовления мембран «нуклеопор» представляется целесообразным использовать анизотропные плёнки с очень тонким верхним слоем (1 мм).
Учитывая тот факт, что с помощью радиоактивного излучения и последующей химической обработки можно получать мембраны с порами заданно диаметра, а распределение пор по диаметрам чрезвычайно узкое, нуклеопорные мембраны очень перспективны для фракционирования растворов высокомолекулярных соединений и их очистки.
Изопористые мембраны. Примером изопористых мембран, содержащих многочисленные цилиндрические капиллярные поры, является класс ионотропных гелевых мембран, приготовляемых из полиэтилена. Мембраны из изотропного геля характеризуются очень узким распределением размера пор, однако число и радиус капилляров различны на обеих сторонах мембраны вследствие эквивалентного увеличения диаметра и уменьшения числа пор при повышении концентрации растворителя в золе.
В работах советских исследователей даны разработки методов получения ацетатцеллюлозных мембран с высокими значениями селективности (до 98%) и проницаемости.
Вместе с тем наряду с очевидными достоинствами эти мембраны имеют ряд существенных недостатков, которые ограничивают область их применения в химической технологии: нестойкость в щелочных и кислотных средах, необратимое ухудшение основных характеристик со временем, малая механическая прочность, необходимость хранения и транспортирования во влажном состоянии, поскольку высушивание мембран приводит к необратимой потере проницаемости.
Наряду с полимерными известны многие типы мембран с жесткой структурой. В их числе металлические мембраны, мембраны из пористого стекла.
Металлические мембраны могут быть приготовлены выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава. При этом получаются высокопористые мембраны с очень узким распределением по размеру пор. Другим вариантом получения металлических мембран может быть спекание при высокой температуре металлического порошка.
Основным преимуществом металлических мембран является однородность структуры и, как следствие, размеров пор. Эти мембраны не разрушаются бактериями, химически стойки в различных средах и могут подвергаться термической обработке. Они легко очищаются обратным током воды или какой-либо другой жидкости либо прокаливанием.
Мембраны из микропористого стекла. Стеклянные мембраны обладают такими ценными свойствами, как высокая термическая и химическая стойкость, неподверженность действию микроорганизмов и жесткость структуры. Эти свойства позволяют использовать их при разделении растворов в широком интервале рН и осуществлять стерилизацию. Мембраны из микропористого стекла могут быть изготовлены в виде пластин, плёнок, трубок или капилляров.
Технология получения стеклянных капиллярно-пористых мембран складывается из нескольких последовательных операций: формирования капилляров из щелочеборсиликатного стекла, кислотной обработкой, в процессе которой удаляется одна из составляющих стеклофаз, а оставшийся пористый каркас состоит в основном из SiO2 . Путём вариации режимов термической и химической обработки можно получать мембраны различной пористой структуры с порами размером от 2,0 до 100,0 нм.
Изучение влияния давления на рабочие характеристики мембран показало, что проницаемость капиллярно-пористых мембран линейно возрастает с увеличением рабочего давления.
Жёсткость структуры стеклянных мембран и обратимость рабочих характеристик подвержена опытами по проницаемости воды при последовательном увеличении и снижении рабочего давления. Исследования показали, что при длительной эксплуатации мембран из пористого стекла их рабочие характеристики не изменяются.
Селективность стеклянных мембран может быть повышена изменением рН раствора или добавлением а раствор солей тяжёлых металлов. Проницаемость капиллярно-пористых стеклянных мембран можно значительно увеличить путём повышения относительной пористости стенок капилляров и особенно-снижением их толщины, что подтверждается опытными данными.
Нанесённые мембраны. Исходя из капиллярно-фильтрационной модели механизма полупроницаемости, можно ожидать появления селективных свойств у лиофильного пористого материала со сквозными капиллярами при уменьшении его пор до размеров, не превышающих удвоенной толщины слоя связанной жидкости.
Мембраны нанесённого типа в зависимости от способа их получения можно подразделить на пропитанные, запыленные и осаждённые.
В качестве пористой основы при получении пропитанных мембран могут использоваться различные материалы: пористая нержавеющая сталь, металлокерамические перегородки и другие, а в качестве веществ, уменьшающих размеры пор, - нерастворимые соли, которые получаются в результате химического взаимодействия между специально подобранными растворимыми солями. Методика приготовления мембран заключается в следующем: пористую основу пропитывают в насыщенном водном растворе какой-либо растворимой соли в течение суток и высушивают. Затем мембрану помещают в раствор другой соли, образующей при химической реакции нерастворимый осадок. Выдержка мембраны также производится в течение суток.
Оказалось, что эти мембраны обладают значительной проницаемостью при низких давлениях, но очень малой селективностью. Однако даже при такой селективности по раствору NaCl эти мембраны могут быть с успехом использованы для проведения процесса ультрафильтрации.
При повышении давления селективность пропитанных мембран понижается, что свидетельствует о неравномерности пропитки и наличии в мембранах крупных пор, через которые раствор NaCl проходит не разделяясь. Можно ожидать, что селективность подобных мембран может быть повышена при получении мембраноподобного слоя путём многократной пропитки основы.
Таким образом, технология изготовления пропитанных мембран открывает широкие возможности получения разнообразных полупроницаемых мембран для проведения обратного осмоса и ультрафильтрации.
Напылённые мембраны могут быть получены путём напыления на микропористую подложку различных веществ, обладающих свойством к сцеплению подложки. При этом размер пор можно направленно регулировать изменением толщины напылённого на подложку слоя.
Осаждённые мембраны получают продавливанием через микропористую подложку какой-либо суспензии, содержащей небольшое количество тонкодиспергированного вещества, которое тонким слоем осаждается на подложке. При дальнейшей обработке на поверхности подложки образуется полупроницаемый слой, который сохраняет свои селективные свойства длительное время.
В качестве обложек могут быть использованы бумага, пористые полимерные плёнки с порами размером 0,45 мкм и др. При выборе подложки следует учитывать способность к сцеплению подложки и плёнки из окиси графита. При отсутствии такой способности происходит проникновение ОГ-частиц в поры подложки, что ведёт к ухудшению характеристик полученной мембраны.
Интересно отметить, что селективность мембран из ОГ по H3BO3 значительно выше, чем селективность ацетатцеллюлозных мембран.
К достоинству мембран из ОГ относится прежде всего их высокая химическая стойкость и возможность устойчивой работы в условиях переменных температур. Однако механическая прочность испытанных мембран пока ещё невелика.
2.2 Технология изготовления эластичных мембран.
Технология прорезинивания тканей.
Наиболее распространённым материалом для эластичных мембран в настоящее время являются прорезиненные ткани. Для производства таких тканей применяются разнообразные текстильные материалы из различных видов волокон, представляющих собой высокомолекулярные органические вещества: натуральные, искусственные и синтетические волокна. Назначение текстильных материалов состоит в повышении прочности изделий и в уменьшении их деформируемости при растяжении.
Технология прорезинивания тканей представляет собой довольно сложный процесс, осуществляемый на специализированных заводах резино-технических изделий. Из всей последовательности технологического процесса прорезинивания тканей можно выделить следующие наиболее характерные операции:
· Сушка тканей;
· Промазка ткани;
· Пропитка;
· Вулканизация;
Технология изготовления гофрированных мембран.
Основное преимущество гофрированных мембран в сравнении с плоскими состоит в том, что они допускают большие перемещения жёсткого центра и обладают более пологой характеристикой.
Вест технологический процесс изготовления гофрированных мемьран из прорезиненных тканей состоит из следующих основных операций:
1. вырезки заготовок;
2. нагревания деталей пресс-формы на плите пресса до температуры 140+/-5 градусов Цельсия;
3. закладки заготовок в пресс-форму;
4. прессования и выдержки в течение 5-12 минут, при температуре 140+/-5 градусов Цельсия;
5. разборки пресс-формы и выемки детали;
6. контроля качества детали.
Обычно внутренние поверхности пресс-формы, соприкасающиеся с прорезиненной тканью, хромируют, однако допускаются применение и нехромированных пресс-форм. В этом случае её внутренние поверхности необходимо смазывать слоем кремнеорганической жидкости.
Технология изготовления мембран, не обладающих жёсткостью в окружном направлении.
Применение мембранного полотна, не обладающего жёсткостью в окружном направлении, является перспективным для приборов с повышенным классом точности.
Наиболее полно требованиям идеального мембранного полотна удовлетворяет тонка резиновая плёнка, армированная радиально расположенными нитями.
Для изготовления опытных образцов данного типа мембран может быть использована следующая технология.
На тонкое жёсткое металлическое кольцо наматывается нить до тех пор, пока всё оно не покроется сетью радиальных нитей. Затем нити смазывают резиновым клеем, и на них накладывается круглая заготовка из тонкой резиновой плёнки с предварительно обработанной и намазанной клеем поверхностью. Процесс сушки полученного изделия рекомендуется производить на горячей плите с температурой около 140 градусов Цельсия, предварительно слегка зажав его между двумя плоскими дисками. Затем нити обрезают по контуру резиновой плёнки, и получают эластичную плёнку, армированную радиальными нитями, которая является заготовкой для мембраны.
Технология изготовления мембран из резин.
В некоторых случаях оказывается целесообразным применение мембран из резин, не армированных тканью. Это возможно в тех случаях, когда к мембране не предъявляются жёсткие требования в отношении точности и стабильности эффективной площади, а собственная жесткость мембраны не сказывается существенным образом на характеристике приборов. Применение подобных мембран позволяет в некоторой степени упростить конструкцию и уменьшить габаритные размеры пневматических приборов. Широкое распространение получила резиновая разделительная мембрана.
Изготовление резиновых мембран производят в следующей последовательности:
1. очищают пресс-форму и смазывают её внутреннюю полость тонким слоем кремнеорганической жидкости;
2. помещают верхнюю и нижнюю половины пресс-формы на нагревательную плиту вулканизатора и прогревают их в течение 1-2 мин;
3. подготовляют навеску из сырой резины, предварительно разрезав её на полосы шириной 5-10 мм;
4. размещают навеску резиновой смеси в пресс-форме согласно форме детали;
5. собирают пресс-форму и выдерживают её в собранном виде 0,5-2 мин для прогрева резины;
6. зажимают пресс-форму на вулканизаторе до полного её смыкания и выдерживают в течение времени, необходимого для окончания процесса вулканизации резины. Время вулканизации зависит от толщины прессуемой детали;
7. разбирают пресс-форму, вынимают деталь, и с помощью ножа очищают её от облоя.
Полученная таким образом деталь должна иметь ровную гладкую поверхность без спаев и трещин и обладать твёрдостью вулканизированной резины.
2.3 Баромембранные процессы.
Фильтрование как метод разделения твердых частиц и раствора известен с древних времен. Несмотря на то что фильтрование по сути является мембранным методом, его исследовали раньше, чем сформировался круг вопросов, составляющих науку о мембранах (мембранологию или мембранику), и обычно в монографиях по мембранным методам разделения простое фильтрование не описывается. Обычная фильтрация позволяет отделить от жидкости или газа частицы с размером более 10 мкм. Для процесса используют давление до 2 атм (~ 200 000 Па). Фильтрация позволяет отделять от растворов и газов водные грибы, эритроциты, цветочную пыльцу, пепел, угольную пыль, простейшие организмы.
Для отделения от жидкости или газа частиц с размером 0,1 - 10 мкм Зигмонди в 1922 году предложил метод микрофильтрации . Микрофильтры имеют меньшие размеры пор, чем обычные, и поэтому требуется избыточное давление до 5 атм. Функциональная связь диаметра пор и необходимого давления следует из капиллярной модели Хагена-Пуазейля, представляющей поры в виде цилиндров, проходящих через мембрану перпендикулярно ее поверхностям
Главными областями применения микрофильтрации являются получение стерильной воды, осветление и стабилизация вин. Мембранные методы не только экологически и экономически эффективны, но и позволяют сохранить первоначальный аромат продукта. В пивоварении замена пастеризации микрофильтрацией позволяет сохранить вкус и аромат свежего пива.
Наиболее эффективным способом приготовления мембран для микрофильтрации является бомбардировка поликарбонатных пленок ионами 129Xe, полученными на циклотроне, с последующим травлением треков на поверхности мембраны щелочью и отмывкой. Изготовленные таким образом мембраны называют ядерными, или трековыми. Они в значительно большей степени, чем другие мембраны, обладают равенством радиусов пор (изопористостью).
Метод ультрафильтрации был предложен Бехгольдом еще в 1907 году. Для проведения ультрафильтрации необходимо избыточное давление от 2 до 10 атм. Ультрафильтрация позволяет отделять коллоидные растворы и растворы высокомолекулярных соединений, для которых мембрана непроницаема, от электролитов, концентрировать фруктовые соки, кофе, белки из молочной сыворотки, яичный белок. Ультрафильтрация позволяет сразу после дойки сконцентрировать молоко до сливок и в концентрированном виде перевозить, экономя транспортные затраты. Особо важным применением ультрафильтрации является выделение альбумина и других белков из кровяной плазмы. В самых тяжелых случаях, когда неизвестна группа крови больного и медлить нельзя, инъекция альбумина спасает человека от смерти. Установки для ультрафильтрации способны отделить от растворов не только бактерии, но и вирусы. Воду, пропущенную через ультрафильтры, можно пить даже тогда, когда исходная вода биологически заражена.
Для разделения молекул или ионов Манегольд в 1929 году предложил метод обратного осмоса. Промышленным метод обратного осмоса стал после 1962 года, когда Лоэб и Сурираджан получили асимметричные ацетилцеллюлозные мембраны, имевшие тонкий и плотный активный слой с узкими порами и толстый слой с широкими порами. Фактической толщиной такой мембраны является толщина активного слоя.
Одной из глобальных научных, технических, социальных и даже политических проблем человечества является дефицит пресной воды, которая составляет только 1% всего запаса воды на земном шаре. Многие эксперты ставят ее на первое место среди проблем, с которыми встретится человек третьего тысячелетия. Обратный осмос является в настоящее время самым рентабельным методом опреснения морских и океанских вод. Уже сейчас, кроме некоторых арабских стран, где имеется дешевая электроэнергия и используется дистилляция, обратный осмос доминирует при опреснении морских вод, так же как электродиализ с ионообменными мембранами преобладает при опреснении подземных солоноватых вод, расположенных внутри континентов. В качестве мембран для обратного осмоса используют кроме ацетилцеллюлозных полиамидные, полисульфоновые, полимидные мембраны. Из мембран для компактности делают рулоны, формируют из них полые волокна, что существенно увеличивает удельную производительность мембранных установок.
Сравнительно недавно арсенал баромембранных методов пополнил промежуточный между ультрафильтрацией и обратным осмосом метод, который был назван нанофильтрацией Для нанофильтрации требуется давление от 8 до 13 атм
2.4Мембранное разделение газов и испарение через мембрану (первапорация)
Исследование мембранных методов разделения газов было начато Т. Грэмом в 1833 году. Однако эта проблема как крупномасштабная техническая задача была реализована позже в связи с потребностью ядерной промышленности разделять изотопы урана. Успех этой работы стимулировал дальнейшие исследования и их реализацию при разделении компонентов воздуха. Фракции, обогащенные кислородом до 60%, нашли применение в сталелитейной промышленности (кислородное дутье), медицине (оксигенация), а обогащенные азотом - при синтезе аммиака. Оксигенаторы применяют при временном отключении сердца и легких человека при сложных хирургических операциях. Полезным применением фракций, обогащенных азотом, стало хранение овощей и фруктов в атмосфере, содержащей до 90-95% азота, 2-5% кислорода и столько же диоксида углерода, что обеспечивает их сохранность в течение зимнего сезона, позволяет сохранить вкусовые и питательные качества.
Методы разделения газовых смесей используются при синтезе аммиака, разделении изотопов водорода, выделении гелия из природных и нефтяных газов. Получает распространение мембранный метод выделения диоксида серы (сернистого газа) из выбросов тепловых электростанций, которые являются причиной кислотных дождей, подкисляющих почвы и разрушающих архитектурные строения.
Мембраны, применяемые для разделения газов, могут быть разделены на две группы: с пористой матрицей и сплошной матрицей. Если мембрана имеет крупные поры, то разделение происходит преимущественно за счет различия молекулярных масс разделяемых компонентов. В мембранах меньшего размера пор действуют также и другие механизмы разделения, в том числе важную роль приобретает взаимодействие компонентов со стенками пор в мембране (ситовый эффект, адсорбция). Механизм разделения газов мембранами второй группы преимущественно основан на сорбции компонентов матрицей и влиянии поверхностных явлений на процесс разделения.
Мембраны для разделения газов изготавливают как из полимерных органических, так и из неорганических материалов. Изотопы урана впервые были разделены с помощью мембраны из железа, водород избирательно пропускает палладиевая мембрана, гелий - плавленый кварц. Для разделения газов применяют мембраны из силиконов, тетрафторэтилена, полиэфиримидов, ацетилцеллюлозы, керамики, стекла.
Метод первапорации основан на испарении жидкости через мембрану. Впервые в 1906 году Каленберг применил каучуковую мембрану для разделения смеси углеводородов и спиртов. Первапорация нашла применение для концентрирования молока, кофейного экстракта, латекса, разделения углеводородов в процессах нефтепереработки для выделения фракций с разными октановыми числами, а также для дегидратации этанола. В будущем первапорация может заменить процесс ректификации, однако в настоящее время она ее дополняет в тех случаях, когда образуются азеотропные смеси, кипящие при одной температуре, и разделение ректификацией становится невозможным. Мембранные методы разделения газов и первапорация протекают как необратимые процессы при совместном действии нескольких сил, вызывающих массоперенос - разности давлений, концентраций и температур по обе стороны мембраны.
Анализ возможностей мембранных методов был бы неполным без их экологической оценки. Следует обратить внимание на то, что мембранная технология является безреагентной, поэтому в сточных водах могут оказаться только те же вещества, которые извлечены из природных материалов. Мембранные методы в отличие от других не могут быть экологическими бумерангами. Помимо высокой экологической целесообразности мембранные методы наиболее экономичны в сравнении с конкурирующими методами разделения веществ.
Заключение.
Значение процессов фильтрования возрастает с увеличением масштабов производства химической и родственных ей отраслей промышленности.
В данной области знаний известно много научно-технических достижений, которые используются на ограниченном количестве фильтровальных станций и очень медленно распространяются в подотрасли. Одной из причин этого является недостаточное теоретическая и специальная подготовка инженеров технологов водоочистных станций, не имеющих высшего образования.
Поэтому основными тенденциями развития фильтровального оборудования в современную жизнь общества являются повышение квалификации персонала и специальная подготовка инженеров. Внедрение перспективных конструкций фильтров в практику позволит резко повысить технический уровень фильтровальных станций, обеспечить высокое качество питьевой воды, подаваемой населению.
В основном течение процессов фильтрования происходит согласно закономерностям, но в результате искажающих влияний конструктивных особенностей фильтра иногда происходит отклонение от закономерного течения.
Быстрый же рост популярности мембран объясняется из великолепными технологическими и пользовательскими качествами: полимерные мембраны исключительно долговечны, просты в эксплуатации, нетребовательны к погодным и температурным условиям, что позволяет работать с ними круглый год. Мембраны могут найти применение в микроэлектронике, биотехнологии, медицине, фармацевтической, пищевой и парфюмерной промышленности, экологии.
Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод о том, что фильтры и мембранные технологии занимают достойное место в науке и повседневной жизни, что только усиливает интерес к изучению и более глубокому исследованию данный процессов.
Список используемой литературы.
1)”Большая химическая энциклопедия”, т.2, М., Советская энциклопедия,1998
2)“Справочник школьника по химии”,М., Слово, 1999
3)“Химия 11”,М.,Просвещение,1998
4)“Органическая химия”.,Просвещение,1999
5)“Общая Химия”,Минск,Университетское,1999
6) Алексеев Л.В.Автоматизация проектирования фильтров.-М.:1998г.
7) Рудольф З. Справочник по расчёту фильтров.
8) Русанов Е.С. Мембраны в химический процессах. - М.:1997г.
9) Чижов А.П. Мембранные металлические конструкции.-С.-Пб.:1999г.