Мембранная дистилляция

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Учебно-научный институт химии

 

Реферат по курсу

«Химическая кинетика, мембранные и каталитические процессы»:

Мембранная дистилляция.

 

Выполнил: студент 3 курса 33-й учебной группы

Александров Евгений

Преподаватель: к.х.н Пулялина Александра Юрьевна

 

2017

Введение.

Проблемы современной энергетики в последние десятилетия обращают повышенное внимание к перспективам физико-химических технологий и стимулируют появление новых методов и технологических процессов. Одним из таких методов, набирающих популярность в различных областях прикладной химии, стал метод мембранного разделения. Как отдельно, так и в сочетании с другими методами мембранные методы позволяют решить ряд достаточно актуальных технологических задач, таких как глубокая очистка воды, получение биотоплива, сепарация трудноразделяемых смесей и т.д.

 

Частным случаем методов мембранного разделения стала мембранная дистилляция (МД), в основе которой лежит проницаемость пористой гидрофобной мембраны для пара при одновременной непроницаемости для несмачивающих поверхность мембраны жидкостей. О данном методе и пойдёт речь в данном докладе.

 

Краткая историческая справка.

 

Начало изучения мембранных процессов пришлось на середину XX-го века. При этом исследования явления диффузии жидкостей через мембраны из различных материалов на ранних стадиях носило скорее эмпирический характер. Созданию устойчивых представлений о физических принципах метода МД предшествовало совершенствование теории диффузии в газах и жидкостях, а также открытие процесса термодиффузии.

 

Исторически первыми мембранными процессами, получившими широкую популярность среди исследователей 50-х годов стали методы разделения на мембранах, движущей силой которых являлся градиент температур. Одновременно были предприняты первые попытки мембранного разделения газовых смесей. На заре изучения мембранных методов они привлекали внимание в первую очередь биологов, так как мембранные процессы во многом напоминают некоторые явления, происходящие в живой клетке. Существенная особенность теоретических моделей 50-80-х годов состоит в том, что они базировались на ошибочном представлении о диффузии через мембрану жидкой фазы, а не паров жидкости, как было установлено позднее. В начале 80-х годов рядом авторов было показано, что массоперенос в пористых мембранах идет по схеме «испарение-диффузия-конденсация» под действием капиллярных сил. Именно тогда явление диффузии пара через пористые мембраны получило название мембранной дистилляции (МД).

 

В 1997 году Лаусоном и Ллойдом была опубликована обширная работа, посвященная мембранной дистилляции, в котором была дана общая терминология и концепция процесса, включающая в себя описание механизма мембранной дистилляции, свойства различных мембран, а также конструкции мембранных модулей. В 2000 году польский учёный Томашевска в своём исследовании впервые предлагает процесс МД как возможную альтернативу устаревшим методам очистки сточных вод и получения чистой питьевой воды. В 2004-2015 гг. появляется множество исследований, предлагающих использование метода для получения высокоэкологичного биотоплива, утилизации промышленных жидких отходов, опреснения морской воды и решения многих других технологических задач. В настоящее время метод МД продолжает активно совершенствоваться.

 

Физикические основы метода.

 

Движущей силой МД является разность химических потенциалов по обе стороны мембраны, которая обусловлена градиентом температуры и давления паров. Под действием градиента давления пары растворителя проникают через сообщающиеся поры и переходят от нагретой стороны мембраны к холодной. Решающую роль играет гидрофобность мембраны, которая препятствует проникновению жидкой фазы в поры. Важной особенностью метода МД является то, что поры гидрофобной мембраны заполнены только парогазовой смесью.

 

Рисунок 1. Общая схема процесса мембранной дистилляции.

 

Упрощенно процесс мембранной дистилляции может быть описан следующими стадиями:

- испарение на поверхности мембраны со стороны горячего раствора;

- диффузия пара через поры;

- конденсация дистиллята с «холодной» стороны мембраны.

 

Интенсивность испарения на поверхности мембраны зависит от многих факторов: температуры разделяемой жидкой смеси, от количественного и качественного состава, скорости потока жидкости и т.д. Также значительную роль играют характеристики используемой мембраны, ее толщина, пористость, степень гидрофобности мембраны. Одним из важнейших моментов является выбор способа отвода конденсата, то есть выбор типа мембранной дистилляции.

 

В процессе мембранной дистилляции разделяемая смесь (водный раствор), нагретая до рабочей температуры, приходит в контакт с одной стороной гидрофобной микропористой мембраны. Её гидрофобные свойства препятствует проникновению воды в поры, что приводит к образованию поверхности раздела «жидкость-пар» на каждом конце поры. Внутри мембраны находится воздух с водяным паром, пар с легкостью выходит из горячей стороны мембраны с поверхности менисков. Существенным фактором, снижающим эффективность процесса, является явление капиллярной конденсации в порах под действием капиллярных сил. На рисунке 2 схематично изображен разрез гидрофобной мембраны с прямыми цилиндрическими порами, находящейся в контакте с водным раствором. Данный рисунок иллюстрирует, как граница раздела пар-жидкость расположена в открытых порах.

Современные теоретические модели мембранной дистилляции описывают физику процесса методами неравновесной термодинамики.

 

Условия осуществления мембранной дистилляции:

- использование пористой, чаще всего гомогенной, гидрофобной мембраны;

- отсутствие капиллярной конденсации в порах;

- равновесие между жидкой и паровой фазами;

- прямой контакт с жидкостью хотя бы одной из сторон мембраны.

 

Разновидности осуществления МД.

 

Можно выделить четыре основных разновидности осуществления процесса мембранной

дистилляции, которые отличаются способом формирования поверхности, на которой

происходит конденсация пара, прошедшего через мембрану.