Мембраналық қондырғыларға жалпы сипаттама

Пән: Химия
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 13 бет
Таңдаулыға:

КІРІСПЕ

Сұйық жүйелерді бөлу процесі халық шаруашылығының көптеген салаларында маңызды рөл атқарады. Бұл процестерді жүзеге асыру үшін көптеген әдістер қолданылады: айдау және ректификация, абсорбция және адсорбция, экстракция және т. б. Алайда, табиғат тірі организмдердің милиондаған жыл эволюциясы нәтижесінен жартылай өткізгіш мембраналарды қолдану арқылы бөлу әдістерінің неғұрлым әмбепап және жетілген түрлерін қалыптастырды. Шындығындада, биологиялық мембраналар организмге қажетті заттарды ішкі ортадан жасушаға немесе керісінше бағытталған тасымалды қамтамасыз етеді. Мембранасыз тыныс алу, қан айналымы, ақуыз синтезі, тамақ қортылу және т. б. процестер мүмкін емес.

Ғалымдар көптен бері жартылай мембраналардың тамаша қасиетін - бір заттарды өткізіп, екіншісін өткізбейтін, танып білуге және адам пайдасына қолдануға талпынған. Бірақ, мебраналарды технологиялық мақсатта қолдану идеясы тек соңғы уақытта табиғат және заттардың құрылымы туралы біліміміздің кеңеюі, ғылымның әртүрлі саласындағы жаңа жетістіктер, синтетикалық полимерлер өңдіру арқылы қол жеткізілді.

Сұйық жүйелерді бөлудің негізгі мембраналық әдістеріне диализ, электродиализ, кері осмос, ульрафильтрация жатады. Бұл әдістердің кез келгенінде бөлінетін еріткіш жартылай өткізгіш мембранаға жанастырылып, бір жағынан өткізіледі. Жартылай өткізгіш мембрананың ерекше қасиеті кезінде одан өткен қоспа белгілі бір компонентпен қанығады.

1. Мембраналар.

1. 1 Мембраналар классификациясы.

Жалпы түсінік бойынша мембраналар дегеніміз екі фаза арасын бөлетін шекара. Мембраналар газ, сұйық, қатты немесе осы үш күйдің араласқан күйінде болуы мүмкін. Құрылымы бойынша өрескел құрылымды және жіңішке құрылымды, мысалы майлы қышқылдардың су бетіндегі жабыны, елек түрінде болады. Мембраналар келесі талаптарға сәйкес келуі жажет:

- жоғары бөлу қасиетіне(талғамдылық) ие болуы тиіс;

- жоғары меншікті өнімділікке ие болуы тиіс;

- бөлінетін жүйе ортасының әрекетіне химиялық тұрақты болуы тиіс;

- тасымалдау, сақтау және жөндеу кезінде шыдайтындай механикалық беріктікке ие болуы тиіс. Сондай-ақ, мембраналар қасиеті эксплуатация жағдайында өзгермеуі тиіс.

Мембраналарды жасауда әртүрлі полимерлер (ацетаттар, целлюлозалар, полиамидтер, полисульфон және т. б. ), керамика, шыны, метал фольгалар қолданады. Қолданылатын материалдардың механикалық беріктігіне байланысты мебраналар тығыздағыш (полимерлік) және қатаң құрылымды, сондай - ақ, кеуекті және кеуекті емес (диффузиялық) деп бөлінеді.

Кеуекті мембраналар кері осмос, микро және ультрафильтрация процесінде кең қолданыс тапқан. Олар анизотропты және де изотропты құрылымды болады. Анизотропты құрылымды мембраналар селективті тосқауыл болып табылатын қалындығы 0, 25-0, 5 мкм болатын жіңішке кеуекті беттік қабатқа (активті немесе талғамды деп атаатын) ие. Қоспа компоненттері осы қабат арқылы бөлінеді. Активті қабат астында орналасқан қалындығы 100-200 мкм болатын үлкен кеуекті қабат мембрананың механикалық беріктігін арттыратын төсеніш болып табылады. Анизотропты құрылымды мембраналар жоғары меншікті өнімділікпен және де эксплуатация кезінде баяу кеуек бітелуімен сипатталады. Бұндай мембраналардың жұмыс істеу уақыты мембрана материалының өңделетін ортаға химиялық тұрақтылығымен анықталады.

Диффузиялық мембраналарды газ, сұйық қоспаларды буландыру, диализ әдістерімен бөлу үшін қолданады. Олар көп жағдайда кеуекті емес. Диффузиялық мембраналар еріткіш пен еріген зат концентрация градиенті (молекулалық диффузия) әсерінен өтетін квазигомогенді гел болып табылады.

Қолданылатын аппараттар типіне байланысты кеуекті және диффузиялық мембраналар табақшалы, құбырлы және ішкі диаметрі 20-100 мкм, қабырға қалыңдығы 10-50 мкм болатын талшық тәрізді түрде шығарады.

1. 2 Тығыздаушы (полимерлік) мембраналар.

Полимерлік мембраналарға қысым мен басқада факторлар әсерінен тығыздалатын мембраналар жатады. Бұл мембраналар аппарат герметизациясын жеңілдететін эластикалық қасиетімен ерекшеленеді. Полимрлік мембраналардың ішінде кең қолданыс тапқан жоғары меншікті өнімділікке ие лиофильді материалдан жасалған мембраналар.

Анизотропты құрылымды мембраналарды, әдетте, әртүрлі қоспалы полимер ерітіндісінен еріткішті бөліп алу арқылы алады.

Табақшалы (қабыршақ тәрізді) мембраналарды алу үшін құрғақ, ылғал және термиялық әдіс қолданылады. Құрғақ әдіс кезінде полимер, мысалы, целлюлоза эфиры немесе эфир қоспасы, ацетон сияқты еріткіште ерітіледі, содан осы ерітіндіге сәйкес буландырушы агент (этанол, бутанол, су, глицерин және т. б. ) қосады. Бұл әдіспен жасалған мембраналардың артықшылығы - оларды құрғақ күйде тасымалдау және сақтау мүмкіндігі.

Ылғалды әдіспен целлюлоза ацетатты мембраналарды алады. Целлюлоза ацетатынан, еріткіштен (ацетат пен су) және буландырғыштан (магний перхлорат) тұратын ерітіндіні жұқалай көлденең бетке жағады, бірнеше минут кептіріп, пайда болған қабықты суық суға салады. Бастапқы сатыда ацетон полимер ертіндісінің бетінен тез буланып оның бетінде гел тәрізді қабық пайда болады. Кейіннен бұл қабық активтіге ауысады. Бұл қабықтың қалындығы аз болған сайын еріткіш булануы жоғарлайды.

Жылулық әдістепен мембраналарды алу полимер мен пластификаторды желатинизациялауға негізделген, мысалы, полигликольдер. Компонентттерді араластырады, балқытып суытқаннан кейін термальді гельдер алады. Пластификатордың еру қабілеті сәйкес полимердің еру дәрежесі де температура өзгерген сайын өзгереді. Балқыманың температурасы төмендеген сайын полимер макромолекуласыгель тәрізді құрылым түзіп әрекеттеседі. Осыған орай фазалар бөлінуі нәтижесінде кеуектер пайда болады.

Изотропты құрылымды мембраналарды жұқа полимерлі қабықтарды зарядталған бөлшектермен сәулелендіру арқылы алады, сол себептен оларды ядролық мембраналар немесе нуклеокеуектер деп атайды.

Ядролық мембраналардың артықылығы: кеуектер диаметрінің ауытқуы номиналды шамадан 10 % аспайды, кеуектің көлденен қимасының формасы дөңгелек, алдын ала берілген шамадағы кеуек саны мен диаметрлі мембраналар алу мүмкіндігі, мембраналарды жасауда агрессивті орталарға тұрақты материадар қолдану, бактериялар әсеріне тұрақты, химиялық және термиялық өңдеуге тұрақты. Сондықтан ядролық мембраналар микроаналитикалық зерттеулерде, жоғары молекулалық қосылыстар ерітіндісін бөлу мен тазартуда қолдану өте перспективті. Ядролық мембраналары дала жағдайында бактериялардан тазартылған су алуға, қан жасушаларының өлшемі мен құрылысын зерттеуде және де басқа да мақсатта қолданады.

1. 3 Қатаң құрылымды мембраналар

Қатаң құрылымды мембраналарға металл, керамикалық, динамикалық және қондырылған мембраналар жатады.

Метал мембраналарды балқыманың бір компонентін сілтісіздендіру немесу айдау арқылы алады. Олар жоғары кеуектілік пен кеуектердің өте жінішке таралымымен ерекшкленеді. Бұндай кеуектердің диаметрі 0, 1-6 мкм, бірақ қажеттілік жағдайында оларды металл фольгаларды қолданып кішірейтуге болады. Сондай-ақ, металл мембраналарды жоғары температурада металл ұнтақтарды пісіру арқылы алуға болады. Бұл әдіспен алынған мембрана кеуектерінің диаметрі бірнеше микрометрден оннан бір және жүзден бір микрометр аралығында.

Металл мембараналардың артықшылығы - құрылымының біртектілігі мен кеуек өлшемі. Бұл мембраналар бактерия әсеріне тұрақты, әр түрлі ортада химиялық берік. Оларды судың кері тоғымен, қандайда бір басқа сұйықтықпен немесе қыздыру арқылы тазартуға болады.

Керамикалық материалдар негізіндегі мембраналарды екі немесе үш қабатты қылып жасайды, яғни олар композитті материалдар болып табылады. Төсеніш кеуектерінің диаметрі 3, 0 - 15 мкм. Оның үстіне қалыңдығы бірнеше микрометр мембрана түзуші жабын жағады. Әдетте, керамикалық мембраналық элемент шыбық түрінде жасалады. Керамикалық мембраналар микро және ультрафильтрация процестерін жүргізуде кең қолданыс тапқан, сондай - ақ оларды жоғары температурада агрессивті орталарды тазарту мен бөлуге қолдануға болады.

Кеуекті шыныдан жасалған мембраналар жоғары химиялық тұрақтылық пен қатаң құрылымға ие. Олар тірі организмдер әсеріне ұшырамайды. Бұл қасиеттер оларды кең интервалда рН (1-10) ерітінділерді бөлуде қолдануға мүмкіндік береді.

Кеуекті шындан жасалған мембраналарды пластина, қабықша, құбыр, капилляр түріндер сілтілік бор силикатты шыныдан қышқылмен өңдеу арқылы алады. Термиялық және химиялық өңдеудің режимін өзгерте отырып диаметрі 2, 0-100 нм болатын әртүрлі кеуекті құрылымды мембраналар алуға болады.

Қондырылған мембраналарды алыну әдісіне байланысты сіңірілген және тозаңдандырылған деп бөледі. Сіңірілген мембраналарды алу кезінде кеуекті негіз ретінде әр түрлі материалдар: кеуекті тот баспайтын болат, металлкерамикалық қалқандар, ал кеуек өлшемін кішірейткіш зат ретінде ерімейтін тұздар қолданады. Сіңірілген мембраналарды келесі жолмен алады: кеуекті негізді тәулік ішінде кез келген ерігіш тұздың (мысалы CuSO ₄ ) қаныққан сулы ерітіндісінде сіңіреді және кептіреді. Кейін оны тәулік бойы тұзды ертіндіде ұстайды.

Тозаңдандырылған мембраналарды микрокеуекті төсеңішке әр түрлі заттарды ( полимер балқымасы мен ертінділері) тозаңдандыру арқылы алады. Төсенішке тозаңдандырылған қабықтың қалындығын өзгерте отырып, кеуек өлшемін өзгертуге болады. Тозаңдандырылған мембраналардың мысалына органикалық қосылыстардың плазмалық полимерленуі арқылы алынған ультра жініщке мембраналар жатады.

Мембраналарды плазмалық синтездеудің негізгі артықшылықтары:

- сақтау мен тасымалдауды жеңілдететін құрғақ мембраналардың түзілуі;

- полимерленген мембрана қабатының қалыңдығын реттеу мүмкіндігі;

- мембраналарды алу уақыты салыстырмалы аз.

Динамикалық мембраналарды кеуекті төсеңіш арқылы ұсақталған заттардың арнайы қоспаларынан тұратын ерітіндіні сүзу арқылы алады. Бұл мембраналардың ерекшеліктеріне оларды үлкен қондырғыларда мысалы, өңдірістік ақаба суларды тазартуда қолдануды айтуға болады. Тағы бір маңызды артықшылығы жоғары меншікті өнімділігі. Ол сағатына бір квадрат метрден жүздеген литрге жетеді. Бұл кең тараған ацетат целюлозалы мембраналардың меншікті өнімділігінен асып түседі. Сондай-ақ, динамикалық мембраналардың жұмыс істеу уақыты шектелмеген.

Динамикалық мембраналарды әлсіз минералданған ақаба және табиғи суларды, концентрленген сулы ерітінділерді тазартуда тиімді қолдануға болады.

2. Мембраналық қондырғылар.

2. 1 Мембраналық қондырғыларға жалпы сипаттама.

Мембраналық процестердің өңдірістік қондырғылары келесі талаптарды қанағаттандыру тиіс:

- қондырғының бірлік көлемінде мембрананың үлкен жұмыс бетіне ие болуы;

- жинау мен жөндеуге қолайлығы;

- сұйықтық секциялар бойымен қозғалғанда мембрана үстімен бірқалыпты қозғалуы тиіс.

Мембраналық аппараттарды құрастырғанда жоғары қысымда жұмыс істеу талаптарын ескеру қажет: механикалық тұрақтылықты қамтамасыз ету, герметикалық және т. б. . Айтылған талаптардың барлығын орындайтын қондырғы жасау мүмкін емес. Сондықтын, әр процес үшін тиімді жүретіндей қондырғыны жеке таңдайды.

Мембраналық процестерге арналған қондырғылар мембраналардың орналасуына байланысты төрт типке бөлінеді:

- жазық мембраналы элементті қондырғылар;

- құбырлы мембраналы элементті қондырғылар;

- орама түріндегі мембраналы элементті қондырғылар;

- іші қуыс талшық тәрізді мембраналар.

Бұл қондырғылар корпуспен және корпуссыз болуы мүмкін. Мембраналық элементтердің орналасуына байланысты көлденең және тік деп бөлінеді. Жөндеу шарттары бойынша жиналатын және жиналмайтын болады. Қондырғы конструкциясына байланысты идеалды ығыстыру мен қатар идеалды араластыру режимдерінде жұмыс істеуі мүмкін.

2. 2 Жазық мембраналы элементті қондырғылар.

Бұл қондырғылардың негізі болып жазық кеуекті материал - дренаждің екі жағынынан орналастырылған жазық мембраналардан тұратын элемент. Көршілес мембраналық элементтер арасындағы арақашықтық алшақ емес, 0, 5 - 5 мм аралығында. Бөлінетін ертінді тізбектей барлық мембраналық элементтер арқылы өткеннен кейін қанығады және қондырғыдан шығарылады. Ертіндінің мембранадан өткен бөлігі фильтрат түзеді.

Жазық мембраналы элементі бар қондырғылыр әр түрлі модификацияда шығарылады: корпусты және корпуссыз. Пішіні бойынша мембраналық элементтерді домалақ (элипс), төрт бұрыш немесе квадрат түрінде жасайды. 1- суретте төрт бұрышты мембаналық элемент көрсетілген.

1-сурет- Үздіксіз ленталы мембраналық қондырғы

1-фланецтер, 2 - болт, 3 - тығыздаушы пластина, 4-мембрана, 5 - дренажды пластина, 6- бөлгіш пластинна.

Жазық камералық қондырғылардың кемшілігі - мембрана меншікті бетінің аз болуы, сондай-ақ, қондырғыны құрастыру мен мембраналарды ауыстыру автоматтандырылмаған.

2. 3 Құбырлы мембраналы элементтер.

Бұл қондырғылырдың құрылысын оларды құрайтын мембраналық элементтердің конструкциясымен анықтайды.

2- сурет- Құбырлы мембраналық элементтер

а - құбыр ішіндегі мембранамен, б- құбыр сыртындағы мембранамен, с - комбинирленген мембрана. 1 -құбыр, 2 - мембраналар, 3 - төсеніштер, 4 - корпус.

Құбырлы мембраналардың ішінде ең көп қолданыс тапқан құбыр ішіндегі мембраналық қондырғылар. Олардың артықшылықтары: корпустың жоқтығынан метериа жұмсалуының аз болуы, гидравликалық қарсыласудың төмен болуы, мембрана жұмысының жақсы гидродинамикалық шарттары, қондырғыларға құбырлы мембраналы элементтерді орналастыру ыңғайлылығы, қондырғы герметизациясының сенімділігі.

Қондырғы кемшіліктеріне мембрананың меншікті бетінің аз болуы, прцесті сырттай бақылау мүмкіншілігі жоқ болуы жатады. 2-суретте құырлы мембраналардың түрлері көрсетілген.

Құбырлы мембраналы элементті қондырғылар тұнба түзілу мүмкін болатын ерітінділерді микро және ультра фильтрация арқылы бөлуде, сондай -ақ, тұздардың концентрациясы жоғары суды кері осмос процесімен тұщыландыруда кең қолданыс тапқан.

2. 4 Орама түріндегі мембраналы элементті қондырғылар.

Орама түріндегі мембраналы элементті қондырғылар жоғары меншікті бетке, аз металл қажеттілікке ие, мембраналық элементтерді жинауда көптеген операциялар механизацияланған. Бұл қондырғылардың кемшілігіне кейбір конструкцияларынының монтажының қиындығы, мембрана бір бөлшегі бұзылғанда барлық пакетті ауыстыру қажеттілігі туындайды. Бұл қондырғылардың түрі 4- суретте көрсетілген.

4 - сурет - Орама түріндегі мембраналы элементті қондырғының құрылысы мен жалпы көрінісі.

1 - араластырушы құрылғы, 2- мембрана, 3 - дренажды бет, 4 - сепаратор - тор, 5 - желімдеу аймағы, 6 - фиксатор, 7 - корпус.

2. 5 Іші қуыс талшық тәрізді мембраналар.

Бұл мембраналар ерітінділерді кері осмос пен ультрафильтрация процестерімен бөлуде кең қолданыс тапқан. Кері осмосқа арналған мембраналардың сыртқы диаметрі - 45-200 мкм және қабырға қалыңдығы 10-50 мкм, ал ультрафильтрация үшін 200 - 1000 және 50-200 мкм.

Талшық тәрізді мембраналық қондырғылар құрылысы бойынша қарапайым, жасалуы жағынан технологиялық жеңіл, олар оңай жиналады және эксплуатацияға ыңғайлы. Талшықтардың кіші диаметрі нәтижесінен олар мембраның жоғары меншікті бетін қамтамасыз етеді. Сондықтан олар үлкен тоннажды химиялық өңдірісте, таза су өңдіруде, азық - түлік өнеркәсібінде, газдарды бөлу мен тазалауда кең қолданыс тапқан.

Іші қуыс талшық тәрізді мембраналы қондырғыларды келесі топтарға бөлуге болады: параллель орналасқан, цилиндрлік мембраналық элементтер, U - тәрізді орналасқан талшықтар. 5 - суретте параллель орналасқан мембраналық элемент келтірілген.

5 -сурет - Іші қуыс талшық тәрізді мембраналық қондығы.

1- пермеат жинаушы, 2- фланецтер, 3 - корпус, 4 - талшықтар, 5-құбырлы тор.

3. Мембраналық қондырғылар қолданылатын процестер.

Мембраналық элементті қондырғылар көп қолданылатын процестерге кері осмос, диализ, электродиализ, ультрафильтрация жатады.

Кері осмос су ерітінділерін осмотикалықтан жоғары қысымның әсерімен жартылай өткізгіш мембраналар арқылы сүзгіден өткізу әдісімен бөлу процесі болып табылады. Бұл әдіс тұщыландырудың басқа әдістерімен салыстырғанда елеулі артықшылықтарға ие: аз энергия шығындары, қондырғыларды жасап шығарудың, монтаждаудың және пайдаланудың қарапайымдылығы, олардың кіші көлемдері және т. б.

Кері осмос процесінде су мен онда ерітілген заттар молекулярлық деңгейде бөлінеді, бұл кезде мембрананың бір жағында іс жүзінде тұзсыздандырылған су жиналады, ал барлық ластар оның екінші жағында қалады.

Осылай, бастапқы тұздың мөлшері 3000 мг/л және одан да көп тұщы су кері осмостың бір сатысында 10-200 мг/л тұзсыздандырылуы мүмкін.

Теңіз суын тұщыландыру кезінде жұмыс қысымы 40-60 бар жоғары іріктемелі мембраналар қолданылады. Осы процестерде кері осмос мембраналарының үлесті өнімділігі және пермеаттың шығуы төмен және, сәйкесінше олар энергияның мол шығындарын қажет етеді.

Кері осмос процестерінде орамдық түрдің құрамалы полиамидті мембраналары және ацетат-целлюлозды мембраналар кең қолданысқа ие болды.

Әлсіз минералданған суды тұщыландыру үшін наносүзгілеуді қолданады, онда іріктемелігі төмен (50 - 80%) мембраналық элементтер пайдаланылады.

Мембраналық элементтерді салуға арналған корпустар эпоксидті шайырдан және шыныталшықтан, сонымен қатар тот баспайтын болаттан жасалынады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.