reforef.ru 1
Вступ

Будь-яке тіло або групу тіл, що знаходяться у взаємодії і в думках відособляються від дії навколишнього середовища, називають системою. Системи можуть бути гомогенними і гетерогенними. Гомогенними називають такі системи, усередині яких немає поверхонь розділу, що відокремлюють один від одного частини системи, що розрізняються по властивостях. Гетерогенними називають такі системи, усередині яких є поверхні розділу, системи, що відокремлюють один від одного частини, розрізняються по властивостях.

Гомогенну частину системи, відокремлену від інших частин системи поверхнею розділу і що володіє однорідним складом і певними фізичними властивостями, відмінними від інших частин системи, називають фазою.

Системи і фази можуть складатися з одного або декількох хімічно однорідних речовин або компонентів, які можуть бути виділені з системи і існувати в ізольованому вигляді тривалий час.

Всяка неоднорідна система складається з двох або більше фаз, при цьому одна з них, дисперсна або внутрішня фаза, характеризується дрібно роздробленим (дисперсним) станом, інша ж, дисперсійна, або зовнішня фаза, оточує окремі частинки першою і є тим середовищем, в якому розподілені частинки дисперсної фази.

Ділення систем на гомогенних і гетерогенних декілька умовно. По суті, всі системи складаються з дисперсійного середовища і дисперсної фази і розрізняються лише розмірами частинок останньої: у гомогенних системах частинки дисперсної фази мають розміри молекул і атомів.

Залежно від агрегатного стану дисперсійного середовища гетерогенні системи можуть бути газовими, рідкими і твердими.
РОЗДІЛЕННЯ ГАЗОВИХ ГЕТЕРОГЕННИХ СИСТЕМ
Характеристика газових гетерогенних систем.

Газові неоднорідні системи є газоподібним дисперсійним середовищем, в якому зважені тверді або рідкі частинки.

Ці системи ділять на дві великі групи: механічні і конденсуємі системи, що відрізняються один від одного головним чином розміром частинок.


Механічні газові системи виходять при дробленні твердих тіл, при розпилюванні рідин або в інших процесах, де тверді або рідкі частинки розподіляються в газі; такі частинки, що диспергують в газі, називаються пилом. Розміри твердих частинок пилу коливаються в межах 5—50 мю.

Конденсовані газові системи, отримуються при конденсації частинок з газу або пари або при хімічній взаємодії двох газів, внаслідок чого частинки газу (пара) переходять в твердий або рідкий стан. У першому випадку виходять дими, в другому — т у м а н и. Розміри частинок в газових системах, що конденсують, коливаються в межах 0,3—0,001 мю.

Вказані вище межі розмірів частинок пилу, димів і туманів є значною мірою умовними. Середні розміри зважених в газі частинок деяких використовуваних в техніці речовин приведені в

табл. 7.



Слід вказати, що частинки систем, що конденсують, можуть об'єднуватися в крупніші агрегати і утворювати частинки, що перевищують по розмірах навіть частинки механічних суспензій. З іншого боку, тверді частинки, зважені в газах, виходять при спалюванні твердих речовин, наприклад в пилоподібних колчеданних печах, при розпилюючій сушці та ін., можуть наближатися по розмірах до частинок, що конденсують .

Зважені частинки розміром від 1 мю і нижче знаходяться в так званому броунівському русі, що виникає унаслідок теплового руху окремих молекул дисперсійного (в даному випадку газоподібною) середовища.

Частинки розміром менше 0,1 мю. практично вже не осідають під впливом сили тяжіння і можуть знаходитися в зваженому стані необмежено великий час.

У хімічній промисловості є багато джерел утворення неоднорідних газових систем. Пил утворюється при дробленні твердих матеріалів, просіюванні, змішуванні, пересипанні і в інших механічних процесах.


Дими і тумани утворюються в різних процесах, пари, що супроводжується конденсацією: при випаровуванні рідин, сушці розпилюванням і багато інших.

У процесах горіння часто утворюються дими, що є дисперсійним газовим середовищем із зваженими в ній твердими і рідкими частинками, причому перші виникають при неповному згоранні, а другі при конденсації водяної пари. Прикладом утворення димів може також служити випадання хлористого амонія у вигляді найдрібніших твердих зважених частинок при змішенні газоподібного аміаку з хлористоводневим газом.

Прикладом утворення туманів є конденсація сірчаної кислоти у вигляді найдрібніших крапельок, що утворюються при взаємодії сірчаного ангідриду з вологим повітрям.

У виробничих процесах часто доводиться проводити розділення газових неоднорідних систем для очищення газів від зважених в них твердих і рідких частинок.

Використовуванні методи очищення газів можуть бути розділені на наступні основні групи:


  1. Механічне або сухе очищення, при якому осадження частинок пилу відбувається під дією механічної сили: сили
    тяжіння або відцентрової сили.

  2. Мокре очищення шляхом пропускання газу через шар рідини
    або зрошування його рідиною.

  3. Фільтрування газів через пористі матеріали, не
    проникні частинок, зважених в газі.

  4. Електричне очищення газів шляхом осадження зважених в газі частинок в електричному полі високої напруги.





Механічне очищення газів

Найбільш простим способом очищення газів від зважених в них частинок є осадження цих частинок під дією сили тяжіння у відстійних апаратах і під дією відцентрової сили, що розвивається потоком газів у відцентрових апаратах, званих циклонами.

В

ідстійні камери
. Для попереднього грубого очищення|очистки| газів можна застосовувати відстійні камери, в яких відділення|відокремлення| твердих зважених в газі частинок|часток,часточок| відбувається|походить| унаслідок|внаслідок| вільного осадження їх під впливом сили тяжіння. Тверда зважена частинка|частка,часточка|, що потрапила|попадала| з|із| газом у відстійний апарат (мал. 95), здійснює|скоює,чинить| складний рух: вона рухається|суне| уздовж|вздовж,уподовж| апарату із швидкістю w і під впливом сили тяжіння—


вниз із швидкістю осадження w0. Величина абсолютної швидкості руху частинки може бути визначена як діагональ паралелограма із сторонами w і w0. Довжина апарату l повинна бути такою, щоб частинка, рухаючись з цією абсолютною швидкістю, встигла осісти на його дно.

Теоретично продуктивність відстійного апарату визначається по рівнянню витрати:



Якщо осадження частинки пилу в апараті проходить за час т, то:



а отже




У цих формулах прийнято: Н—висота апарату в м; b—ширина апарату в м; l—длина апарату в м\ F0=bl—площа горизонтального перетину апарату або площі плану

його в м2;

w0—скорость осадження. Рівняння (1—192) показує, що теоретично продуктивність відстійних апаратів не залежить від їх висоти, а лише від площі

їх перерізу в плані їх швидкості осадження.

Простим пристроєм для попереднього очищення газів від пилу є відстійні газоходи (мал. 96). Для кращого осадження пилу в газоходах іноді влаштовують вертикальні перегородки, завдяки яким подовжується шлях газу і зменшується його швидкість, що сприяє кращому пиловловлюванню.

Для грубого очищення від пилу головним чином гарячих пічних газів застосовують також пилоосаджувальні камери (мал. 97), в яких газовий потік за допомогою великого числа горизонтально розташованих сталевих перегородок розбивається на ряд плоских горизонтальних струменів.




Газ підлягаючий очищенню, безперервно поступає через регулювальний шибер 2 в канал 3 і розподіляється в камері між перегородками—листами 1. При проходженні газу уздовж камери зважені тверді частинки осідають на поверхнях листів, а очищений газ поступає через збірний канал 4 у вертикальний канал 5 і з нього через заслонку 6 прямує в газохід. Пил, що осів на листах, періодично згрібається з них спеціальними шкрібками через дверці 7. Камера і газоходи споруджуються цегляними.

Для того, щоб камера могла працювати весь час, її зазвичай ділять на два самостійні відділення, з яких одне знаходиться в роботі, а інше в цей час очищається від пилу. Відділення відключаються за допомогою дзвонових пісочних затворів; вивантаження пилу проводиться за допомогою скребків через люк.

Відстань між листами в камері зазвичай дорівнює 40-100мм. Для того щоб частинки, що встигли осісти в камері, не захвачувалися потоком газу, швидкість останнього не повинна бути більше максимально

допустимої величини, визначуваної по рівнянню



Мокре очищення газів

Мокре очищення застосовують в тих випадках, коли допустимі зволоження і охолоджування газу, що очищається, а відокремлювані від газу тверді зважені частинки мають незначну цінність. Мокре очищення газу проводять шляхом промивки його водою або який-небудь іншою рідиною.

Газ приводиться в тісний контакт з рідиною, яку розбризкують або розподіляють у вигляді стікаючої тонкої плівки. Апарати для мокрого очищення працюють також за принципом використання дії інерційних сил; при ударі газового потоку об стінки, змочені рідиною, остання поглинає зважені в ньому частинки.


Під дією відцентрових і інерційних сил зважені частинки досить повно витягуються з газу, який охолоджується і насищається парами рідини. Охолоджування газу нижче за температуру конденсації пари рідини, що знаходиться в ньому, сприяє і видаленню з газу найдрібніших твердих частинок, що грають в даному випадку роль центрів конденсації.
Фільтрація газів

Очищення газів від пилу проводять також шляхом їх фільтрації. Цей метод полягає в пропусканні газу, що містить зважені частинки, через пористі перегородки, що володіють властивістю пропускати частинки газу і затримувати на своїй поверхні тверді частинки, зважені в ньому.

Вибір пористої перегородки обумовлюється поряд чинників, з яких основними є: хімічні властивості фільтрованого газу і його температура і розміри зважених частинок, які повинні бути затримані фільтром.

Продуктивність фільтру (і його розміри) залежить від швидкості фільтрації, яка визначається кількістю газу, що проходить в одиницю часу через одиницю поверхні перегородки, що фільтрує. Швидкість фільтрації газів значною мірою залежить від тиску газу і опору перегородки, що фільтрує.




Електричне очищення газів

Механічним методам очищення газів і відповідній апаратурі властиві істотні недоліки.

Апарати, в яких осадження частинок відбувається під дією сили тяжіння (пилоосаджувальні камери), громіздкі і малоефективні, і в них неможливо уловлювати частинки розміром менше 10 мю.

Циклони значно компактніші і продуктивніші, але відцентрові сили і сили інерції, що виникають при зміні направлення газового потоку, не дають можливості отримати достатню повноту очищення газів від дрібного пилу; крім того, використання циклонів пов'язане із значною витратою енергії на просування газу, а самі апарати схильні до зносу від дії абразивного пилу.


У гідравлічних пиловловлювачах відбувається охолоджування і насичення газу парами рідини, що у ряді випадків неприпустимо.

При мокрому очищенні часто доводиться виділяти представляючу цінність пил з осаду, унаслідок чого значно дорожчає очищення газу.

Тканинні фільтри не можуть бути застосовані для очищення гарячих і хімічно агресивних газів; крім того, ці фільтри швидко забруднюються і руйнуються.

Тому у ряді випадків застосовується електричне очищення газів.

Цей метод газоочистки володіє наступними перевагами:

1. Принципово можливо отримати найвищу чистоту газу. Правда, з економічних міркуваннях ступінь очищення газу в електрофільтрах обмежують 90—99%; перевищення цих меж привело б до надмірного подовження часу перебування газу в електричному полі і відповідно до збільшення об'єму апаратури.

2. Витрата енергії на осадження частинок складає 0,1—0,8 квт. на 1000 м3 газу, а втрата тиску в електрофільтрах не перевищує нормально 3—15 мм вод. ст. Таким чином, сумарні витрати енергії невеликі.

3. Електричне очищення можна проводити також при високих температурах і в умовах хімічно агресивних середовищ.

4. Можлива повна автоматизація процесу очищення.

Даний метод грунтується на іонізації газу, що очищається, шляхом його самостійної(!) іонізації. Осадження пилу відбувається на осадительный електрод.
Мембранний газорозділ

Мембранний газорозділ – розділення на компоненти газових сумішей або їх збагачення одним із компонентів. При використанні пористих перегородок з преим. розміром пор (5-30).10-3 мкм. розділення газів відбувається унаслідок т. наз. кнудсеновскої дифузії. Для її здійснення необхідно, щоб довжина вільного пробігу молекул була більше діаметру пор мембрани, тобто частота зіткнень молекул газу із стінками пор перевищувала частоту взаємних зіткнень молекул. Оскільки середні швидкості молекул відповідно за кінетичною теорією газів обернено пропорційні квадратному корню їх мас, компоненти суміші, що розділяється, проникають через пори мембрани з різними швидкостями. В результаті перміат збагачується компонентом з меншою мол. масою, концентрат - з більшою. У реальних умовах вельми важко за допомогою пористих мембран забезпечити чисто кнудсеновский механізм розділення компонентів. Це пояснюється адсорбцією або конденсацією їх на стінках пор перегородки і виникненням додаткового т. наз. конденсаційного або поверхневого газового потоку.


При застосуванні непористих мембран розділення 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.

Мембранний газорозділ застосовують: за допомогою пористих мембран -у виробництві збагаченого U, для очищення повітря від радіоактивного Кr, витягання Не з природного газу і т.п.; за допомогою непористих мембран для виділення Н2 з продувальних газів виробництва NH3 і ін., для збагачення повітря киснем, регулювання газового середовища в камерах плодо-, овочесховищ , витягання Н2, NH3 і Не з прир. і технол. газів, розділення вуглеводнів і в перспективі для рекуперації оксидів S з газових викидів.


РОЗДІЛЕННЯ РІДКИХ ГЕТЕРОГЕННИХ СИСТЕМ І ДІЙСНИХ РОЗЧИНІВ

Рідкі гетерогенні системи

Рідкі гетерогенні системи діляться на наступні три класи:

1. Суспензії—системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища і твердих зважених в ній частинок.

2. Емульсиі—системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища і зважених в ній рідких частинок однієї або декількох інших рідин.

3. Піни—системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища і зважених в ній частинок газів.
Відстоювання і декантація

Неоднорідні рідкі системи з більш менш грубим роздробленням дисперсної фази піддаються розділенню під дією однієї тільки сили тяжіння. Якщо щільність дисперсної фази більше щільності дисперсійного середовища, зважені частинки осідають на дно посудини, і, навпаки, якщо щільність дисперсійного середовища більше щільності зважених частинок, останні спливають догори. Осадження під дією сили тяжіння твердих частинок, що знаходяться в зваженому стані в рідкому середовищі називають відстоюванням (згущуванням, седиментацією). Швидкість осадження зважених частинок залежить як від їх щільності, так і від ступеня дисперсності, причому осадження протікатиме тим повільніше, чим меншими розмірами володіють частинки дисперсної фази і чим менше різниця щільності обох фаз. Практично методом відстоювання і декантації користуються головним чином для розділення грубих суспензій.

Фільтрація

У тих випадках, коли при розділенні суспензій недопустимі втрати рідини з осадом або зважені тверді частинки вельми погано осідають, або ж необхідно виділити тверду фазу у вигляді осаду з деяким мінімальним вмістом вологи, метод відстоювання і декантації непридатний. У цих випадках суспензії розділяють за допомогою фільтрації.

Процес фільтрації заснований на затриманні твердих зважених частинок пористими перегородками, здатними пропускати тільки рідину і затримувати частинки твердої фази. В результаті безпосереднього контакту суспензії з поверхнею пористої перегородки і різного тиску до і після перегородки рідка фаза проходить через пори перегородки і збирається у вигляді звільненого від твердих частинок фільтрату, а тверді частинки затримуються на поверхні перегородки, утворюючи шар осаду, який потім видаляється.

Фільтрація знаходить в даний час широке застосування в техніці як універсальний метод розділення суспензій, починаючи від найгрубіших і кінчаючи тонкими мутями, і використовується навіть для розділення деяких колоїдних розчинів; у останньому випадку необхідний відповідний матеріал, що фільтрує .

При фільтрації рідка фаза повинна подолати гідравлічний опор, що спричинюється перегородкою яка фільтрує, течії рідини. Проте величина пор перегородки, що фільтрує, і її опор мають значення тільки в початковий момент процесу, оскільки надалі на поверхні перегородки, що фільтрує, поступово відкладається осад. Цей шар осаду, що збільшується у міру протікання процесу, зазвичай використовують як середовище, що фільтрує, і прагнуть зменшити його гідравлічний опор, що досягається шляхом періодичного або безперервного видалення більшої частини осаду з перегородки, що фільтрує, іноді з подальшою промивкою поверхні перегородки розчинниками.

Характер і товщина шару осаду, що відкладається на поверхні перегородки, що фільтрує, є в більшості випадків найважливішими чинниками, що визначають ефективність фільтрації, — продуктивність фільтру і витрата енергії на проштовхування рідини через фільтр. Більшість перегородок, що фільтрують, на початку процесу фільтрації володіють низькою затримуючою здатністю, і при фільтрації тонких суспензій перші порції фільтрату майже завжди містять деяку кількість суспендованих частинок, що пройшли через пори перегородки разом з рідиною.


Таке явище спостерігатиметься до тих пор, поки на поверхні перегородки не виникне шар осаду, що має пори значно менших розмірів, чим пори перегородки. Цей шар і затримуватиме майже повністю всі тверді частинки.

Ступінь повноти розділення значною мірою залежить від тиску, при якому протікає процес фільтрації. Фільтрат виходить чистішим, якщо фільтрацію починають при низькому тиску, а потім підвищують його у міру збільшення осаду.

Істотне значення має також рівномірність тиску; при безперервному і рівномірному тиску може бути досягнута повнота розділення, якщо ж тиск нерівномірний і передається поштовхами (наприклад, при подачі суспензії на фыльтр-преси за допомогою поршневих насосів), із-за гідравлічних ударів, що виникають при цьому, у фільтрат можуть потрапити найбільш тонко роздроблені частинки.

Хроматографія

Хроматографія (від греч. чсюмб — колір) — метод розділення, аналізу і физико-хімічного дослідження сумішей речовин; заснований на різній рухливості компонентів досліджуваного об'єкту в тонкому шарі речовини: розподілі речовин між двома фазами — нерухомою і рухомою (елюент); розроблений в 1903 році російським біохіміком М.С.Цветом; назва методу пов'язана з першими експериментами по хроматографії, в ході яких Михайло Цвет розділяв яскраво забарвлені рослинні пігменти: він показав, що при пропусканні суміші рослинних пігментів через шар безбарвного сорбенту індивідуальні речовини розташовуються у вигляді стовпчика з окремо забарвленими зонами — хроматограммы. Розвиток і широке розповсюдження метод отримав тільки в 40-х – 50-х роках XX століття після відкриття інших методів Х. і областей їх застосування. хроматографія заснована на розподілі досліджуваної речовини між двома фазами – нерухомою і рухомою. Нерухома фаза – сорбент з розвиненою поверхнею, рухома, звана елюентом, – газообразный або рідкий потік.

Для проведення Х. використовують спеціальні прилади – хроматографи, які мають 3 основних вузла: хроматографічна колонка, детектор і пристрій для введення проби. Після введення проби в хроматограф під дією потоку рухомої фази компоненти суміші починають переміщатися уздовж колонки, заповненої сорбентом, з різними швидкостями, величини яких обернено пропорційні коефіцієнту розподілу компонентів. Тобто добре сурбуємі компоненти пересуваються уподовж шару сорбенту повільніше, ніж погано сурбуємі, тому першим з колонки виходить компонент з найменшим коефіцієнтом розподілу, потім з вищим і так далі Сигнал детектора автоматично записується і реєструється (зазвичай на діаграмній стрічці самописцем) у вигляді графіка, що відображає розташування хроматографічних зон на шарі сорбенту або в потоці рухомої фази в часі.


Залежно від природи взаємодії, що обумовлює розподіл компонентів між рухомою і нерухомою фазою хроматографія може бути:


  1. Адсорбційна хроматографія.

  2. Розподільна хроматографія.

  3. Іонообмінна хроматографія.

  4. Екськлюзіонная хроматографія.

  5. Осадкова хроматографія.


Залежно від агрегатного стану елюента Х. може бути газова хроматографія і рідинна хроматографія.

Залежно від місця знаходження сорбенту Х. може бути колоночна і площинна хроматографія.

Залежно від способу переміщення суміші, що розділяється, уподовж шару сорбенту розрізняють наступні види хроматографія:

  1. Фронтальна хроматографія.

  2. Хроматографія проявника.

  3. Витіснювальна хроматографія.



РЕКТИФІКАЦІЯ

РЕКТИФІКАЦІЯ (від позднелат. rectificatio - випрямляння, виправлення), розділення рідких сумішей на практично чисті компоненти, що відрізняються т-рами кипіння, шляхом багатократних випаровування рідини і конденсації пари. У цьому осн. відмінність Р. від дистиляції, при якій в результаті одноразового циклу часткове випаровування-конденсація досягається лише попереднє (грубе) розділення рідких сумішей.

Для Р. зазвичай використовують колонні апарати, наз. колонами ректифікацій, в яких здійснюється багатократний контакт між потоками парової і рідкої фаз. Рушійна сила Р. – різниця між фактичними (робочими) і рівноважними концентраціями компонентів в паровій фазі, що відповідають даному складу рідкої фази. Парорідинна система прагне до досягнення рівноважного стану, внаслідок чого пара при контакті з рідиною збагачується легколеткими(низькокиплячими) компонентами (ЛЛК), а рідина - важколеткими (висококиплячими) компонентами (ТЛК). Оскільки рідина і пара рухаються, як правило, протитечією (пара - вгору, рідина - вниз), при достатньо великий, висоті колони в її верхній частині можна отримати практично чистий цільовий компонент.


Залежно від температури кипіння рідин, що розділяються, ректифікацію проводять під разним тиском: атмосферним (т. кип. 30-150 °С), вище атмосферного (при розділенні рідин з низькими т-рами кипіння, напр. зріджених газів), у вакуумі (при розділенні висококиплячих рідин для зниження їх т-р кипіння). Ректифікацію можна здійснювати безперервно або періодично. Для безперервної ректифікації застосовують колони, що складаються з двох ступенів: верхньої-укріплючої(у ній пара зміцнюється, тобто збагачується ЛЛК) і нижньою - вичерпною (де відбувається вичерпання рідкої суміші, тобто витягання ЛЛК і збагачення її ТЛК). При періодичній ректифікації в колоні проводиться тільки зміцнення пари. Розрізняють Р. бінарних (двокомпонентних) і багатокомпонентних сумішей.
Ректифікація бінарних сумішей. Процес здійснюють при дискретному (ступінчастому) контакті фаз в тарілчастих колонах або безперервному контакті фаз в колонах насадок.

Безперервна ректифікація.

При Р. в тарілчастих апаратах початкова суміш низькокиплячого компоненту поступає в середню частину колони; вверху продукт-дистилят відбирається з дефлегматора, а збіднений цим компонентом залишок відводиться як нижній продукт з куба-випарника. Пари, що утворюються в ньому, піднімаються по колоні, контактуючи на тарілках із стікаючою рідиною, і поступають в дефлегматор, звідки частина конденсату, що утворився, наз. флегмою, повертається у верх. частину колони.
Перекристалізація

Перекристалізація — метод очищення речовини, заснований на відмінності розчинності речовини в розчиннику при різних температурах (зазвичай інтервал температур від кімнатної до температури кипіння розчинника, якщо розчинник — вода, або до якоїсь вищої температури.

Перекристалізація має на увазі погану розчинність речовини в розчиннику при низьких температурах, і добре — при високих. При нагріванні колби з сумішшю речовина розчиняється. Після стадії адсорбції домішок (якщо це необхідно) активованим вугіллям, при охолоджуванні утворюється перенасичений розчин, з якого розчинена речовина випадає у вигляді осаду. Після пропуску суміші через колбу Бузена і воронку Блюхера отримуємо очищену розчинену речовину.


Перевага методу: високий ступінь очищення.

Недолік методу: сильні втрати речовини в ході перекристалізації: завжди частина розчиненої речовини в осад не випаде, втрати при перегонці нерідко складають 40-50 %.

Розчинником можуть бути вода, оцтова кислота, етанол (95 %), метанол, ацетон, гексан, пентан — залежно від умов. Якщо розчинником є вода, то нагрівання проводять у водяній бані. Охолоджування перенасиченого розчину проводять за допомогою водяного холодильника, якщо температура кипіння розчинника нижче 130 градусів, якщо вище — за допомогою повітряного холодильника.
Мембранні методи розділення сумішей

Дослідження процесів розділення з використанням молекулярних сит дозволило виділити мембранний метод, як найбільш перспективний для тонкого очищення. Цей метод, характеризується високою чіткістю розділення сумішей речовин. Напівпроникна мембрана - перегородка, що володіє властивістю пропускати переважно певні компоненти рідких або газоподібних сумішей. Широко мембранний метод використовують для обробки води і водних розчинів, очищення стічних вод, очищення і концентрації розчинів.

При ультрафільтрації відбуваються розділення, фракціонування і концентрація розчинів. Один з розчинів збагачується розчиненою речовиною, а інший обідняється. Мембрани пропускають розчинник і певні фракції молекулярних сполук. Рушійна сила ультрафільтрації - різниця тиску по обидві сторони мембрани. Ця сила витрачається на подолання сил тертя і взаємодії між молекулами рідкої фази і полімерними молекулами мембрани. Зазвичай процес ультрафільтрації проводять при порівняно низькому робочому тиску 0,3 - 1 Мпа. Збільшення тиску вище вказаного приводить до ущільнення мембрани, зменшення діаметру пор, зміні селективності розділення і, як правило, до зниження продуктивності.

Ультрафільтрації зазвичай піддаються речовини, в яких молекулярна маса розчинених компонентів набагато більше молекулярної маси розчинника. Ефективність розділення залежить від структури мембран, швидкості течії і концентрації розчину, що розділяється, форми, розміру і дифузійної здатності розчинених молекул.


Недолік процесу - сильна концентраційна поляризація, тобто на поверхні мембрани може утворюватися щільний осад - шар гелю. Гідравлічний опір цього шару у ряді випадків може бути вище, ніж опір самої мембрани. Способи зниження концентраційної поляризації різні: збільшення швидкості обмивання поверхні мембрани потоком рідини, що розділяється, робота в пульсуючому режимі подачі розчину, турбулізація потоку. Точка гелеутворення залежить від його хімічних і фізичних властивостей.

Ультрафільтрація - нова технологія. Результат розділення - два розчини, один з яких є збагаченим, а інший - збідненою розчиненою речовиною, що міститься в початковому, підлягаючому розділенню речовини. Велике значення має використання цього процесу при розділенні речовин, чутливих до температурного режиму, оскільки при ультрафільтрації розчини не нагріваються і не піддаються хімічній дії. Звідси дуже низькі енергетичні витрати, приблизно в 20 - 60 разів нижче, ніж при дистиляції.

Зі всіх видів мембранного розділення ультрафільтрація знайшла найбільш різноманітне застосування. Важливе промислове застосування ультрафільтрації - розділення емульсії масла і води.

Ультрафільтрационні системи за рахунок поверхонь фільтрації і міцної структури матеріалу мембран забезпечують розділення розчинів без втрат і відділення чистого фільтрату від суспензій. Тому ультрафільтрацію часто використовують для уловлювання волокон і частинок з фільтрату після використання волокнистих і зернистих фільтрів іонообмінних і сорбційних систем. Область використання ультрафільтрації постійно розширюється. Причина - можливість відновлення із стічних вод цінних компонентів, які іншим способом відновити дуже важко або взагалі неможливо.

Стійкість матеріалу, з якого виготовлені мембрани, визначає їх довговічність і працездатність.

Мембрани на основі похідних целюлози нестійкі до дії кислот і лугів. Ацетатні мембрани найбільш стійкі в області pH=4,5-5; при pH=6 термін служби цих мембран скорочується майже удвічі, а при pH=10 складає всього декілька днів. Ацетатні мембрани нестійкі до дії органічних розчинників і активних речовин, оскільки вони утворюють сольваты з ацетатами целюлози, викликаючи їх набухання.


Діаліз — звільнення колоїдних розчинів і розчинів високомолекулярних речовин від розчинених в них низькомолекулярних з'єднань за допомогою напівпроникної мембрани. При діалізі молекули розчиненої низькомолекулярної речовини проходять через мембрану, а нездібні діалізувати (проходити через мембрану) колоїдні частинки залишаються за нею. Простим діалізатором є мішечок з колодія (напівпроникного матеріалу), в якому знаходиться рідина, що діалізує. Мішечок занурюють в розчинник (наприклад у воду). Поступово концентрації діалізуємої речовини в діалізуємій рідині і в розчиннику стають рівними. Міняючи розчинник, можна добитися практично повного очищення від небажаних домішок. Швидкість діалізу зазвичай украй низька (тижні). Прискорюють процес діалізу збільшуючи площу мембрани і температуру, безперервно міняючи розчинник. Процес діалізу заснований на процесах осмосу і дифузії, що пояснює способи його прискорення.

Діаліз застосовують для очищення колоїдних розчинів від домішок електролітів і низькомолекулярних неелектролітів. Діаліз застосовують в промисловості для очищення різних речовин, наприклад у виробництві штучних волокон, при виготовленні лікарських речовин.

Матеріал, що пройшов через мембрану, називається діалізат.

Зворотний осмос(гіперфільтрація) – розділення розчинів низкомол. сполук завдяки різній рухливості компонентів в порах мембран. У разі мимовільного переходу розчинника через мембрану в розчин тиск, при якому наступає рівновага, називається осмотичним. Якщо з боку розчину прикласти тиск, що перевищує осмотичний, розчинник переноситиметься у зворотному напрямі (звідси назв. процесу). Оскільки мембрани зазвичай не володіють ідеальною проникністю, спостерігається деяке проникнення через них розчиненої речовини. Тому рушійна сила зворотного осмосу (а також ультра- і мікрофільтрації) Dр = р — (p1 — p2) = р — Dp, де р - тиск над початковим розчином, p1 і p2-осмотич. тиск розчину і пермеата. Робочий тиск процесу 1-10 Мпа. Розміри молекул або іонів розчиненої речовини, а також розчинника і розміри мембранних пор мають однаковий порядок (1 — 5) .10-3 мкм.


Селективність і проникність мембран для зворотного осмосу визначаються робочими температурою і тиском і, крім того, рН, концентрацією і природою початкової суміші. При високій температурі відбувається поступове ущільнення (усадка) мембран, що знижує їх ресурс. З підвищенням тиску проникність перегородок проходить через максимум, а селективність, як правило, зростає. Під дією робочого тиску мембрани також ущільнюються, що сприяє зменшенню G (G – проникність), але практично не викликає зміни j (селективність) . Швидкість ущільнення дещо знижується, якщо процес здійснюють при невеликі температурі і тиску або при використанні композитних мембран. Якнайкращі умови роботи полімерних перегородок досягаються у разі розділення сумішей в нейтральному середовищі при кімнатній температурі.

Процес зворотного осмосу широко використовується для опріснення морської води і очищення питної води для різних цілей з початку 1970-х років.
Використана література:



  1. Гельперін н.І. "Основні процеси і апарати хімічної технології" кн.1, М.:Химия, 1981;

  2. Дитнерський Ю. І., «Мембранні процеси розділення рідких сумішей», М., 1975;

  3. Хванг З.-Т., Каммермейер До., Мембранні процеси розділення, пер. з англ., М., 1981;

  4. Коган В. Би., Азеотропна і екстрактна ректифікація, 2 видавництва, Л., 1971;

  5. Касаткин А. Р., Основні процеси і апарати хімічної технології, 9 видавництво, М., 1973