На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Мембраны: понятие и виды

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 29.09.2012. Сдан: 2011. Страниц: 10. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


     Лекции 
     Мембранные  процессы используют для обработки  жидкостей и газов с целью разделения их на компоненты в зависимости от молекулярной массы.
     Мембраны  используемые в этих процессах представляют собой тонкие, полимерные пленки (перегородки) изготовленные из органических и неорганических материалов и обладающие свойством полупроницаемости. Под полупроницаемостью понимают способность мембран пропускать через себя растворитель и растворенные в нем вещества с определенным молекулярным весом и задерживать вещества с молекулярным весом больше, чем размер отверстий в мембранах.
     Если  молекулярный вес этих соединений примерно перевести в средний диаметр  задерживаемых частиц, так как  различные природные соединения имеют разнообразную молекулярную массу, форму молекул, то условно задерживающую способность мембран выражают через показатель ММР (молекулярная масса разделения). При этом в качестве калибрующего вещества обычно выступает сывороточный бычий альбумин, молекула которого, как считают, строго сферическая.
     ММР выражают одной цифрой без указания единиц измерения.
     Например, если для данной мембраны ММР=10000, то это значит, что она имеет такой  диаметр пор, который позволяет  задерживать сферические молекулы с молекулярной массой 10000 и более  Да (дальтон). 

5. Полупроницаемые мембраны
     Полупроницаемые мембраны, с помощью которых осуществляется процесс разделения водных растворов, являются основной частью любого обратноосмотического аппарата и в значительной мере определяют не только технологические показатели процесса, но и технические и эксплуатационные характеристики аппаратов. Существует большое число разнообразных мембран.
     Полупроницаемые мембраны изготовляют из различных  полимерных материалов, пористого стекла, графитов, металлической фольги и  др. от материала мембраны зависят ее свойства (химическая стойкость, прочность), а также в значительной степени ее структура.
     Полимерные  мембраны. Полимерные мембраны могут быть пористыми и непористыми (понятие “непористые мембраны” условно, поскольку они могут иметь поры размером 0,5 – 1 мм).
     По  типам структур мембраны могут быть симметричными и асимметричными. С тем, что бы достичь возможно большей производительности при  достаточной чистоте пермеата (фильтрата), разделительный слой мембраны должен быть возможно тоньше и в то же время обеспечивать высокую селективность. Будучи тонкой, мембрана должна обеспечивать высокую механическую прочность относительно деформаций в широком диапазоне температур. В связи с этим были разработаны асимметричные мембраны. В асимметричных мембранах микропористый слой (99,5% толщины мембраны) является лишь подложкой для селективного непористого рабочего слоя, не создающего сопротивления переносу.
     Классическая  асимметричная гомогенная мембрана получается из одного вещества. Однако создание достаточно тонких рабочих слоев мембраны сопряжено с большими трудностями. Наличие даже небольшого количества дефектов в слое в виде сквозных пор через селективный слой асимметричной гомогенной мембраны заметно снижает селективность из-за проскока нежелательных компонентов. Решение этой проблемы привело к созданию мембран композитного типа, состоящих из слоев различных веществ. Для уплотнения дефектов на асимметричную мембрану наносится тонкий слой высокопроницаемого, но практически неселективного материала, который перекрывает сквозные поры в селективном слое, практически не влияя на ее проницаемость. Возможно также нанесение селективного слоя непосредственно на отдельно изготовляемую пористую подложку из более дешевого и доступного неселективного материала.
     Практика показывает. Что композитные материалы мембран меньше подвержены деформации под давлением. Для создания асимметричного селективного слоя используются полимеры с уникальными свойствами, так как из-за малой толщины селективных пленок стоимость даже очень дорогих полимеров не является существенным препятствием. Создание асимметричных мембран является основным направлением в мембранной технологии.
     Жидкие  мембраны. Под жидкими мембранами понимают мембраны с жидкостью, иммобилизованной внутри пор микропористой подложки. Если мембрана смачивается жидкостью, то последняя может удерживаться в порах за счет капиллярных сил. Давление, необходимое для вытеснения жидкости из пор, называется капиллярным давлением и изменяется обратно пропорционально диаметру пор, поэтому при достаточно малых порах жидкость удерживается на подложке при разнице давлений под и над мембраной в несколько атмосфер. Используются жидкие мембраны двух типов. К первому типу относятся пассивные жидкие мембраны, в которых обычные жидкости, имеющие большую проницаемость по целевому компоненту, наносятся на мембранную подложку. Второй тип жидких мембран – мембраны с активным транспортом целевого компонента. В этом случае в качестве жидкости используются специфические переносчики целевого компонента, растворенные в соответствующем растворителе.
     Керамические  мембраны. В последние годы успешно развивается направление с использованием керамических мембран. Полученные мембраны (одно-, семи- и девятнадцатиканальные) состоят из подложки на основе оксидов алюминия (с размерами пор 10 – 15 мкм и общей пористостью приблизительно 45%) и селективного слоя. Преимущества керамических мембран: высокая рабочая температура – 10000С и выше, высокая механическая прочность и долговечность, стойкость к химически агрессивным средам, удобство регенерации мембран. 

     Таким образом, мембраны, выпускаемые промышленностью принято разделять на несколько поколений в зависимости от материала изготовления и характеристик этого материала, связанных с механической и химической устойчивостью.
     Так, мембраны I поколения изготавливались из эфиров целлюлозы. Они обладали низкой механической и химической устойчивостью (были непрочными на разрыв и легко разлагались в агресивных средах рН которых выходил за пределы  рН 5-7 ед.). Срок службы таких мембран был не более 1 года.
     Мембраны  II поколения вырабатываются из полиамида и полисульфона в виде тонких композитных пленок, они обладают большой механической прочностью, т.к. имеют жесткую пористую основу (подложку), на которую нанесен тончайший разделительный слой (мембрана). Рабочий диапазон составляет по рН от 2 до 11 ед. Срок службы не более 1 года.
     Мембраны  последующего поколения III и IV начали изготавливать из керамики и оксидов металлов. Такие мембраны отличаются высокой механической и химической прочностью и являются практически вечными. По сравнению с мембранами I и II поколения, которые выдерживали максимальную температуру 50-70 оС, мембраны III и IV поколений выдерживают любые существующие температуры вплодь до 300 оС. 

Химическая стойкость  мембран из различных материалов
 

Материал  мембраны Композитная АЦ ПС ПВДФ ПАН Керамика Целлюлоза
3<рН<8 + + + + + + +
рН<3 или >8 + - + + + + -
Т>35 0С  + - + + + + +
Протеины + (+) + (+) (+) + +
Полисахариды (+) - + - (+) + -
Алифатические углеводороды - - - (+) + + +
Ароматические углеводороды - - - + - + (+)
Окислители - (+) + + (+) + (+)
Кетоны - - - + - + (+)
Спирты + - + + + + +
 
 
+ - устойчив, - - неустойчив, (+) - относительно устойчив
АЦ - ацетат целюлозы
ПС - полисульфонамид
ПВДФ - поливинилиденфторид
ПАН - полиакрилонитрил 
 

Сравнение мембранных методов очистки  воды
 

Процесс Обратный осмос
Нанофильтрация Ультрафильтрация Микрофильтрация
Тип мембраны ассиметричная ассиметричная ассиметричная ассиметричная, симметричная
Поддерживающий  слой, мкм 150 150 150-250 10-150
Разделительный  слой, мкм 1 1 1 -
Размер  пор, мкм <0.002 <0.002 0.2-0.02 4-0.02
Разделение Низко-, высокомолекулярная органика, ионы, молекулы, глюкоза Высокомолекулярная  органика, многозарядные ионы Макромолекулы, протеины, полисахариды, вирусы Частицы, бактерии
Материал  мембраны ацетаты целлюлозы, композитные ацетаты целлюлозы, композитные ацетаты целлюлозы, полисульфон, ПВДФ, керамика, композитные ацетаты целлюлозы, полипропилен, полисульфон, ПЭ, ПВДФ, лавсан, керамика, фторопласты
Тип модуля трубчатый, спиральный, плоскорамный трубчатый, спиральный, плоскорамный трубчатый, спиральный, плоскорамный, полое волокно трубчатый, спиральный, полое волокно
Рабочее давление, атм 15-150 5-35 1-10 <2
 
     В молочной промышленности мембранная технология используется для концентрирования молока и молочных продуктов, расщепления  молочных белков, выделения жиров  и протеинов, стерилизации молока, стандартизации молока, фильтрации воды, остающейся после  мойки оборудования и т. д.
     При этом применяются мембраны полимерные, керамические или комбинированные  из высококачественной стали либо углерода с полимерным или керамическим покрытием.
     При фильтрации и сепарации в пищевой  промышленности предпочтительней использовать керамические мембраны, которые имеют по сравнению с другими видами мембран и прежде всего по сравнению с полимерами следующие преимущества:
    Они устойчивы к механическому воздействию (их стойкость к подавливающему усилию составляет более 90 бар) и к воздействию химической среды в диапазоне 0–14 pH, в том числе растворителей;
    Термоустойчивы - предоставляют возможность стерилизации паром, поддаются очистке в производственном процессе (обратная промывка, химическая очистка);
    Имеют более высокие показатели производительности, измеряемые потоком на единицу времени или площади
Вместе  с тем керамические мембраны имеют  и некоторые, обусловленные технологией  производства недостатки:
    Из-за условий изготовления керамические мембраны предлагаются, как правило, в виде трубчатых мембран, которые имеют худшее соотношение между активной поверхностью фильтрации и потребной площадью (по сравнению с полимерными мембранами);
    Керамические мембраны дороже по сравнению с мембранами из другого сырья
 
     Мембранное  фильтрование 

     Является  частным случаем технологического процесса фильтрации и в отличие  от традиционного фильтрования базируется на явлении обратного осмоса. Под  обратным осмосом понимают диффузионный перенос растворителя через мембрану из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей концентрацией.
     Осмос – самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении. Это явление называют обратным осмосом. (рис.) 

     Так как разбавленные растворы по своему поведению схожи с газом, то их состояние с небольшой погрешностью можно описать характеристическим уравнением состояния идеального газа 

     pV = RT 

     На  практике осмотический потенциал любого раствора может быть приблизительно оценен формулой Освальда  

     р = CRT 

     С – молярная концентрация данного  раствора, моль/л
     R -  универсальная газовая постоянная (8,31)
     Т – абсолютная температура
     Но  не следует думать, что какой-либо раствор обладает давлением, рассчитанным по этой формуле.
     По  этой формуле рассчитывают только потенциал  давлений, который будет реализован только при наличии мембран.
     Движущей  силой мембранного фильтрования является градиент (перепад, разность) давлений до и после мембраны. 

     Весь  технологический  процесс фильтрования делят на следующие виды:
     - обычное фильтрование (классическое) (р= до 0,06 МПа, dпор > 10 мкм)
     - микрофильтрация  (р= до 0,1 МПа, dпор = 0,1-10 мкм)
     - ультрафильтрация (р= 0,1-2 МПа, dпор = 3-100 нм)
     - обратный осмос     (р= 1-25 МПа,  dпор = < 3 нм) 

     Микрометр - мкм (mм) 10-6
     Приставка «нано-» означает одну миллиардную. Один нанометр (1 нм) равен 1/1000 000 000 метра. Чтобы вы «прочувствовали» этот масштаб, укажем, что толщина человеческого волоса составляет примерно 50 000 нанометров, клетка бактерии измеряется несколькими сотнями нанометров, а наименьшие элементы, вытравленные на коммерческом микрочипе, на февраль 2002 года имели размеры порядка 130 нм. Наименьшие элементы, которые способен разглядеть невооруженный глаз человека, имеют размер 10 000 нанометров. Один нанометр – это ряд всего из десяти атомов водорода. Это действительно очень мало. 

     Обычное фильтрование
     (фильтровальная бумага, асбест, ткани и т.д.). Диаметр пор равен от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. Оно  позволяет эффективно задерживать только механические частицы (видны невооруженным глазом) и какую-то часть коллоидных частичек. Причем по толщине фильтра структура пор неупорядочена и неоднородна.
     Обычные фильтры отличаются наличием тупиковых  ответвлений пор. Вследствие этого  для обычных фильтров присуще  глубинное забивание пор задерживаемыми частицами (рис.) 

     
     При обычном фильтровании давление равно десятым долям атмосфер.
     Причем, при повышении давления задерживаемые  частицы уплотняются, закупоривают поры и тем самым снижают производительность фильтра.
     Для того, чтобы снизить этот отрицательный  эффект и тем самым повысить производительность фильтрования на поверхность обычных фильтров намывают мелкодисперсный материал необладающий уплотнением при повышенном давлении (кизельгур, перлит, которые изготавливают из специальных обработанных вулканических пород либо геологических глин).
     Обычные фильтры характеризуются линейной зависимостью производительности (л/(м2?ч)) от давления (МПа). 

       

     В микрофильтрации, ультрафильтрации и обратном осмосе в качестве фильтров используются мембраны, отличающиеся не только толщиной, но и размером пор и пористой структурой.
     Мембраны  способны задерживать молекулы или  частицы невидимые невооруженным  глазом и клетки микроорганизмов.
     Причем, при обратном осмосе размер пор таков, что через мембрану проходят только молекулы растворителя.
     Промышленное  внедрение мембранных фильтров стало возможным только благодаря производству ассиметрических мембран (неодинаковых по толщине).
     Структура таких мембран по толщине отличалась наличием очень тонкого разделительного  слоя (рис). Поры в мембранах были приближенно похожи на усеченный конус. В таких мембранах отсутствовали тупиковые зоны пор  и они не обладали глубинным забиванием структуры в отличие от обычных фильтров. 

     
 
Рисунок 29. Электронная  микрофотография    поперечного  сечения гиперфильтра. 

     
 
Рисунок   32.   Электронная   микрофотография   асимметричного   диффузионного гиперфильтра. 

     
 
 
Рисунок 30. Схематическое  изображение пор гинерфильтров:
а — различной толщины; б — набор сит, эквивалентный гиперфильтру;
1 — поры  переменного диаметра;  2 — поры  постоянного диаметра;  3 — молекулы растворенных веществ. 

     
 
 
Рисунок 31. Пористый гиперфильтр с коническими порами 

     Толщина мембранных пленок – несколько десятых  долей мм. Толщина разделительного  слоя на порядок меньше – несколько  сотых мм.
     Такая структура в мембранах создается вследствие испарения растворителя полимера мембраны в определенных условиях (давление, температура). 

     Мембраны  II поколения имеют такую же ассиметричную структуру, но дополнительно укреплены крупнопористой подложкой. (рис.32) 

     Фильтруемая жидкость при обычном фильтровании подвергается очистке от нежелательных механических примесей, причем, поток жидкости перпендикулярен плоскости фильтра 
 

       

Рисунок 33. Основная разница между обычной и мембранной фильтрацией
     Обычное фильтрование называют тупиковым. При обычном фильтровании два потока жидкости (исходная и фильтрат), которые идентичны по химическому составу в отношении водорастворимых веществ.
     При мембранной фильтрации поток фильтруемой  жидкости направлен по касательной  к плоскости фильтра (рис. 33). Мембраны самоочищающиеся, смываются потоком исходной жидкости.
     В упрощенном виде можно сказать, что  мембраная обработка жидкости сходна с молекулярным ситом.
     При мембранном фильтровании три потока жидкости (исходная, фильтрат, концентрат), отличающиеся химическим составом.
     Например, в концентрате больше, чем в  исходной жидкости веществ, задерживаемых  мембраной (высокомолекулярные вещества), в фильтрате – низкомолекулярные  вещества и растворитель  (рис).
     Если  проанализировать химический состав этих трех потоков, то в случае мембранной фильтрации будет строго соблюдаться материальный баланс по отдельным веществам и сумме: 

Исходная  жидкость ВМС + НМС + растворитель
Фильтрат  НМС + растворитель
Концентрат  ВМС + НМС + растворитель
 
     В отличие от традиционного фильтрования при мембранном фильтровании зависимость производительности мембран от давления нелинейная

     При мембранной фильтрации значительное влияние  на производительность оказывает скорость потока фильтруемой жидкости. Чем  больше скорость потока, тем выше производительность.
 
 
Основные  закономерности мембранного  фильтрования 

     
     Для идеальной мембраны при уменьшении объема фильтруемой жидкости концентрация высокомолекулярных соединений возрастает пропорционально уменьшению этого объема.
     Концентрация низкомолекулярных соединений в этой жидкости будет оставаться неизменной. За мембраной (в фильтрате) высокомолекулярные соединения отсутствуют, а концентрация низкомолекулярных соединений будет равна их концентрации в исходной жидкости и в концентрате. 

     СВМСисх < СВМСконц. 

     СНМСисх = СНМСконц. = СНМСфильт. 

     Материальный  баланс: 

     МВМС+НМСисх. = МВМС+НМСконц. + МНМСфильт. 

     Пример 1:
     Дано:
     Объем сточной воды – 10 л (V1)
     Концентрация  низкомолекулярных соединений в  исходной жидкости – 2 %. Концентрация высокомолекулярных соединений в исходной жидкости – 2 %. Объем концентрата – 2 л (V2).
     Определить  концентрацияю: СВМСконц, СВМСфильт., СНМСконц., СНМСфильт. 
 

     Решение:
     Vф = 10-2=8 л
     Так как при уменьшении объема фильтруемой жидкости концентрация высокомолекулярных соединений возрастает пропорционально уменьшению этого объема, то
     СВМСконц = 10 % (в 5 раз снизился объем фильтруемой жидкости было 10 л, а осталось 2 л,  а содержание СВМСисх = 2% - по условию задачи, то 5 ? 2 = 10 %).
     СВМСфильт.=0
     СНМСконц= СНМСфильт. = СНМСисх. = 2 % 

     Пример 2:
     Дано:
     Производительность  мембраны по фильтрату = 1 л/(м2?мин)
     Площадь мембран = 1 м2
     Исходный  объем жидкости = 10 л
     Прошло 4 мин.
     Определить  каков объем концентрата и  фильтрата через 4 мин. 

     Решение:
     Объем фильтрата через 4 мин будет равен
     Vф = Q ? t = 1? 4 = 4 л. 

     Vисх = Vконц +  Vфильт  

     Vконц = Vисх - Vфильт = 10 – 4 = 6 л. 

     Для реальных мембран (в промышленности), которые не обладают 100%-ным задерживанием  высокомолекулярных соединений (с размерами  молекул больше, чем диаметр пор мембраны) вводится понятие селективность (избирательная способность).
     
j = 0 – 100 %.
     Селективность может быть привязана к определенному  веществу (белку и т.д.)
     Чем больше j данной мембраны по данному веществу, тем лучше мембрана задерживает данное вещество.
     Селективность для каждого соединения и каждой мембраны устанавливается экспериментальным  путем.
     Если  при мембранном фильтровании желают максимально выделить или удалить  из раствора высокомолекулярное соединение, то мембрану выбирают с высокой селективностью этих веществ. По низкомолекулярным соединениям (которые необходимы или нет в зависимости от задачи) селективность будет нулевой.
     Большое значение j играет при обратном осмосе, когда обрабатывают воду, придавая ей питьевые кондиции.
     Производительность  мембран зависит от следующих  факторов:
     - от температуры
     - от давления
     - от вязкости
     - от степени турбулизации потока  жидкости над мембраной.
     Мембранные  процессы и мембранные технологии в целом имеют один существенный отрицательный эффект – это явление концентрационной поляризации мембран.
     
     Вследствие  этого явления задерживаемые  частицы над мембраной обладают более высокой концентрацией, чем  в основном объеме жидкости. Эти частицы создают своеобразный молекулярный слой, являющийся барьером для проходящего потока. 

     
     Вследствие роста концентрации задерживаемых частиц в определенный момент их молекулы начинают агрегироваться и оседать на поверхности мембраны в виде геля. Это явление называют гелевой поляризацией.
     И концентрационная и гелевая поляризация  – отрицательные явления. На практике их пытаются устранить с помощью следующих приемов:
     - увеличение подвижности фильтруемой  жидкости (снижение вязкости)
     - повышение температуры
     - турбулизацией потока над мембраной  (увеличение скорости потока; применение  турбулизационных насадок – препятствий;  введение в жидкость включений  в виде шариков, которые также  турбулизируют поток; применение  вибраций мембраны).
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.