МЕМБРАННЫе процессы

ЛЕКЦИЯ № 7

Мембранные методы разделения жидких систем, применяемые в пищевой промышленности, классифицируют по среднему размеру пор на обратный осмос, ультрафильтрацию, микрофильтрацию, диализ и электродиализ (рис. 1).

Рис. 1. Классификация мембранных процессов

Сущность мембранных процессов заключается в фильтрации растворов под давлением через специальные полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы растворителя и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. В их основе лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода воды через полупроницаемую перегородку в раствор. Разделение растворов осуществляется без фазовых превращений, и энергия в процессе расходуется, в основном, на создание давления исходной жидкости и ее продавливании через мембрану.

Мембранные процессы отличаются от процесса фильтрования. На очистку фильтрованием направляют жидкость, представляющую собой гетерогенную (двухфазную) систему с различной степенью дисперсности взвешенных частиц. При фильтровании задерживаются взвешенные частицы размером не менее 100…200 А. При фильтровании задерживаемое вещество остается либо на поверхности, либо в объеме фильтрующего материала, который при загрязнении меняют или очищают обратной промывкой.

Обратным осмосом очищают, как правило, гомогенные (однородные) системы – истинные растворы. Обратно осмотическая мембрана должна быть настолько плотной, чтобы служить барьером для веществ, находящихся в растворах в виде молекул и ионов, что вызывает значительные гидравлические сопротивления при продавливании через мембраны чистого растворителя. Микрофильтрацией называется мембранный процесс, при котором из раствора выделяются крупные коллоидные частицы или взвешенные микрочастицы размером 0,2…10,0 мкм. Процессы микрофильтрации осложняются образованием гелеобразных слоев на поверхности фильтрующей перегородки, называемых микрофильтрационной мембраной.

Микрофильтрация протекает под действием небольшой разности давлений по обе стороны микрофильтра. Она занимает промежуточное место между ультрафильтрацией и обычной фильтрацией без резко выраженных границ. Ее используют для концентрирования тонких суспензий, осветления (удаления взвешенных веществ) фруктовых соков, очистки сточных вод.

Ультрафильтрация – это процесс разделения, фракционирования и концентрирования растворов с помощью полупроницаемых мембран со средним диаметром пор от 0,01 до 0,20 мкм под давлением 0,1...1,0 МПа. В процессах ультрафильтрации из исходного раствора отделяют мелкие бактерии и сферические вирусы, крупные белковые молекулы и т. п. При ультрафильтрации исходный раствор разделяется на два принципиально новых продукта: низкомолекулярный (фильтрат) и высокомолекулярный. Фильтрат проходит сквозь мембрану и удаляется, а высокомолекулярный продукт концентрируется. В отличие от процессов микрофильтрации ультрафильтрация может сопровождаться адсорбцией растворенных веществ на поверхности пор мембраны и даже межмолекулярным взаимодействием. Ультрафильтрацию используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя.

Обратный осмос и ультрафильтрация принципиально отличаются от обычной фильтрации. Если при фильтрации продукт откладывается в виде кристаллического или аморфного осадка на поверхности фильтра, то при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.

Обратный осмос – это процесс фильтрования растворов под давлением, превышающим осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. В основе описываемого метода лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор (рис. 2, а). Давление, при котором наступает равновесие (рис. 2, б), называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое (рис. 2, в), то перенос растворителя будет происходить в обратном направлении, что нашло отражение в названии процесса «обратный осмос».

Главная особенность мембранного разделения заключается в том, что в условиях, когда размеры пор мембраны соизмеримы с размерами молекул растворителя и растворенного вещества, совершенно меняется механизм фильтрования. Можно выделить несколько последовательных стадий мембранного процесса: перенос компонентов исходного потока к поверхности мембраны; проникновение этих компонентов в мембрану; прохождение их через мембрану; выход компонентов из мембраны с противоположной стороны; распространение прошедших через мембрану компонентов в растворе справа от мембраны.

Первапорация – это процесс испарения через мембрану, используемый для разделения трудноразделимых смесей. Испарение через мембрану представляет собой процесс мембранного разделения жидкостей, при котором смесь приводится в контакт с одной стороной селективно проницаемой непористой мембраны, а проникшие через мембрану компоненты (пермеат) удаляются в виде пара с ее обратной стороны.

В основе всех электромембранных процессов лежит электродиализ - перенос ионов через мембраны под действием электрической силы. При использовании неселективных мембран, проницаемых для ионов (например, целлофановых), можно отделить электролиты от неэлектролитов. Если мембраны более проницаемы для катионов или, наоборот, для анионов (например, ионообменные мембраны), то путем электродиализа можно повысить или понизить концентрацию ионного вещества в растворе.

Баромембранным процессам свойственно явление так называемой концентрационной поляризации, оно заключается в увеличении концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественного переноса растворителя через мембрану.

Концентрационная поляризация – отношение концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны к его концентрации в разделяемом растворе. Влияние концентрационной поляризации на рабочие характеристики мембран отрицательное, т. к. при этом вследствие увеличения осмотического давления раствора снижается движущая сила процесса разделения. Кроме того, при этом возможно выпадение в осадок и осаждение на мембране труднорастворимых солей, гелеобразование высокомолекулярных соединений. В результате падает удельная производительность (проницаемость) и селективность мембран, снижается срок их службы.

Предполагая, что растворенное вещество переносится в пограничном слое молекулярной диффузией и конвекцией, было получено уравнение для определения концентрационной поляризации КП

, (1)

где G₁ – удельная проницаемость мембраны по растворителю; j – фактор Чилтона–Кольборна (при турбулентном режиме движения разделяемого раствора ); v – средняя скорость движения разделяемого раствора, м/с; Sc – критерий Шмидта; – истинная селективность мембраны ( ); С₂, С₃ – соответственно концентрация растворенного вещества в ядре потока и у поверхности мембраны.

Методы снижения концентрационной поляризации зависят от конструкции мембранного аппарата, свойств мембраны, стоимости готового продукта, производительности установки и др. Основными методами снижения концентрационной поляризации являются:

– турбулизация разделяемого раствора – увеличивает проницаемость и селективность мембраны вследствие снижения концентрации растворенных веществ в пограничном слое и приближения ее к концентрации в ядре потока, что вызывает уменьшение осмотического давления и увеличение движущей силы процесса;

– создание пульсирующего потока – повышает скорость пристенных слоев жидкости, что уменьшает вероятность их оседания на поверхности мембран, приводящего к снижению проницаемости;

– использование аппаратов с узкими каналами – направлено на создание ламинарного режима движения разделяемого раствора, что позволяет достичь высокую производительность при небольших габаритных размерах аппарата;

– повышение температуры – уменьшает вязкость разделяемого раствора, увеличивая коэффициент диффузии растворенного вещества;

– воздействие на пограничный слой ультразвуковыми колебаниями.

Можно привести следующую условную классификацию различных мембранных процессов с точки зрения их движущей силы:

- градиент электрического потенциала: электродиализ, электрофорез;

- градиент концентрации: диализ, пертракция, первапорация, пермеация, газоразделение;

- градиент давления: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос;

- градиент температуры: термоосмос, эффект Сорета.

К важнейшим технологическим параметрам баромембранных процессов относятся скорость фильтрации, полнота разделения (селективность) и проницаемость компонентов.

Скоростью фильтрации называют объемный расход фильтрата, получаемого в единицу времени с 1 м² площади поверхности мембраны.

Разделяющую способность мембраны принято характеризовать селективностью R (%) (иногда R называют коэффициентом солезадержания)

, (2)

где С₁ и С₂ – концентрации задерживаемого вещества в исходном растворе и фильтрате.

Проницаемость G (л/(м³×ч)) при данном давлении выражается соотношением

, (3)

где V – объем фильтрата, л; F – рабочая площадь поверхности мембраны, м²; t – продолжительность процесса, ч.

Расчет осмотического давления. Осмотическое давление разбавленных растворов рассчитывают по уравнению Вант–Гоффа:

, (4)

где с - мольная доля растворенного вещества; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура раствора.

Для практического использования в (4) вводят поправочные коэффициенты. Тогда осмотическое давление рассчитывают по уравнению

, (5)

где - коэффициент Вант–Гоффа; - степень диссоциации растворенного вещества.

Для сильных электролитов, полностью диссоциирующих на ионы, осмотическое давление определяется по уравнению

, (6)

где - число ионов, образующихся при диссоциации 1 молекулы; Ф - практический осмотический коэффициент ( ).

Факторы, влияющие на баромембранные процессы: давление, температура, гидродинамические условия, электрические и магнитные поля, ультразвуковые волны, осадкообразование на мембранах.

Давление. Основным фактором, оказывающим влияние на процесс обратного осмоса и ультрафильтрации, является рабочее давление. С увеличением давления увеличивается эффективная движущая сила процесса и, соответственно, возрастает величина проницаемости мембраны.

Выбор рабочего давления зависит от вида процесса, природы и концентрации разделяемого раствора, типа мембраны, конструкции аппарата, гидравлического сопротивления межмембранного канала и дренажа и т. п.

В качестве критерия, характеризующего вязкоэластичные свойства мембраны, принимают площадь петли гистерезиса, описываемой кривой G = f(Р) при последовательном увеличении давления от нуля до некоторого значения, а затем изменении давления в обратной последовательности (рис. 3).

У мембран с большей площадью петли гистерезиса при непрерывной работе проницаемость снижается значительно быстрее и момент, когда эксплуатация ее становится нецелесообразной, наступает раньше. Максимум кривой проницаемости объясняется тем, что вследствие уменьшения диаметра пор в активном слое эффективная площадь мембраны снижается быстрее, чем увеличивается движущая сила процесса за счет повышения рабочего давления. Проницаемость и остаточная деформация мембраны изотропной по толщине не зависят от положения мембраны.

Температура.Влияние температуры раствора на процесс имеет сложный характер. Увеличение температуры уменьшает вязкость и плотность раствора и одновременно увеличивает его осмотическое давление. Если уменьшение вязкости и плотности приводит к увеличению проницаемости, то увеличение осмотического давления снижает движущую силу и уменьшает проницаемость. Степень влияния тех или иных факторов зависит от природы растворенного вещества и концентрации раствора. Влияние температуры на селективность становиться все боле заметным с повышением концентрации. Влияние температуры на проницаемость при разделении растворов невысокой концентрации практически полностью определяется изменением вязкости раствора и хорошо описывается уравнением

, (28)

где G – проницаемость растворителя; – вязкость раствора.

Для более концентрированных растворов величина уменьшается с увеличением температуры.

Анализ данных о влиянии температуры на селективность и проницаемость ацетатцеллюлозных мембран для обратного осмоса при разделении растворов показывает, что с повышением температуры (примерно до 50 °С) проницаемость мембраны сначала увеличивается обратно пропорционально вязкости жидкости (рис. 4). Затем зависимость G = f(t) начинает отклоняться от этой закономерности, проницаемость уменьшается и при t = 85 °С падает до нуля.

Повышение температуры в процессах микро- и ультрафильтрации приводит обычно к увеличению и проницаемости, и селективности мембраны. Это объясняется тем, что уменьшается вязкость пермеата, а также значительно снижается влияние концентрационной поляризации на характеристики мембран.

Концентрация. Увеличение концентрации раствора приводит к уменьшению движущей силы процесса , увеличению вязкости и плотности раствора, что снижает величину проницаемости.

Для учета изменения проницаемости в связи с изменением концентрации предложено следующее эмпирическое соотношение

, (30)

где k₁, k₂, n – константы, характеризующие конкретную систему мембрана – раствор; х – концентрация исходного раствора; – плотность раствора; – вязкость раствора.

Зависимость селективности от концентрации носит более сложный характер. В случае разделения растворов невысокой концентрации селективность существенно не меняется с изменением концентрации, а падение концентрации можно считать линейным.

С увеличением концентрации растворенных веществ в разделяемом растворе ухудшаются рабочие характеристики мембран – удельная производительность и селективность. При концентрировании повышается осмотическое давление раствора, а следовательно, снижается эффективная движущая сила процесса разделения; кроме того, увеличивается вязкость, в результате чего уменьшается коэффициент массоотдачи. По этим причинам удельная производительность мембран может снизиться до столь малых значений, что практическое использование баромембранных процессов становится нецелесообразным.

Зависимость селективности от концентрации раствора в интервале возможных изменений концентраций в процессе обратного осмоса может быть подразделена на три области: область I характеризуется повышением селективности, область II – селективность является практически постоянной, область III характеризуется резким падением селективности и проницаемости (рис. 5).

Электрическое поле. Наложение электрического поля существенно влияет на перенос вещества через мембрану и соответственно – на селективные свойства мембран. Наблюдаемые при этом эффекты зависят от типа разделяемой системы, структуры мембраны, вида подводимого к мембране электрического поля (постоянный или переменный ток) и других факторов.

Установлено, что в условиях наложения постоянного электрического поля к мембране (для обратного осмоса) существенно изменяются основные характеристики переноса ионов через мембрану: скорость переноса одних ионов возрастает, а других – уменьшается, в результате чего резко увеличиваются коэффициенты разделения. Процесс, происходящий при одновременном воздействии градиентов давления и электрического потенциала, был назван электроосмофильтрацией. В процессе электроосмофильтрации катионы, проникающие через прикатодную мембрану, отводятся с пермеатом в виде оснований, а анионы, проникающие через прианодную мембрану, – в виде кислот. Ионы, задерживаемые мембраной, накапливаются в разделяемом растворе. Если разделяемый раствор содержит несколько катионов или анионов, то изменением плотности тока можно регулировать степень их разделения.

Магнитное поле. Магнитная обработка воды перед проведением обратного осмоса способствует длительной работе мембраны без заметного ухудшения ее характеристик.

Акустические колебания. В жидкости при распространении акустической волны возникает переменное (звуковое) давление, под действием которого жидкость подвергается переменному сжатию и растяжению, что сопровождается образованием пузырьков, заполненных паром и газом, растворенным в жидкости. Эти пузырьки называются кавитационными, а само явление – ультразвуковой кавитацией. Образование микропузырьков под действием акустических колебаний называется кавитационной прочностью и зависит от присутствия в жидкости газовых зародышей и примесей твердых или растворенных веществ и других факторов. Установлено, что акустические колебания и возникающие при этом эффекты (кавитация и др.) влияют на выравнивание концентрации растворенных веществ в пограничных слоях и во всем объеме аппарата. Линейное возрастание коэффициента массоотдачи происходит не только вследствие интенсификации процесса переноса вещества от поверхности мембраны в ядро потока, но и в результате одновременного снижения концентрационной поляризации.

Природа и состав растворенных веществ. На селективность и в значительной степени на проницаемость мембран определяющее влияние оказывает природа растворенных веществ. Ю.И. Дытнерским были сформулированы следующие принципы разделения растворов веществ различной природы: неорганические вещества (электролиты) задерживаются мембранами лучше, чем органические той же молекулярной массы; среди родственных соединений лучше задерживаются вещества с большей молекулярной массой; вещества, которые могут образовывать связь с мембраной, задерживаются мембраной тем лучше, чем менее прочна эта связь.

Показатель концентрации ионов водорода (рН среды). Селективность мембран при обратноосмотическом разделении растворов электролитов минимальна при рН 5…6. Для растворов многовалентных солей, а также для растворов электролитов достаточно высокой концентрации заметного влияния рН на селективность мембран не обнаружено. Установлено, что проницаемость высокоселективных мембран по растворителю с изменением рН в процессе ультрафильтрации практически не изменяется. В то же время проницаемость мембраны по белку очень сильно зависит от рН. Резкое увеличение селективности в области рН 9…10, по-видимому, обусловлено увеличением ассоциации молекул белка вблизи изоэлектрической точки. Подъем кривых в области значения рН < 7, вероятно, связан с увеличением взаимного притяжения молекул белка с избыточным положительным зарядом и поверхности мембраны, имеющей небольшой отрицательный заряд.

Осадкообразование на мембранах. На продолжительность и надежность работы мембран большое влияние оказывает процесс осадкообразования. Образующийся слой осадка, который, как правило, является соленепроницаемым, забивает поверхностные поры мембраны, создает дополнительное сопротивление потоку и массопередаче в граничном слое, в результате чего увеличивается концентрационная поляризация на мембранах и снижается их солезадерживающая способность и производительность.

Химический состав осадков, образующихся при опреснении и очистке вод различного типа, весьма разнообразен. На процессы обратного осмоса отрицательное влияние оказывает образование в аппаратах отложений малорастворимых солей кальция, гидроокисей железа и марганца, а также взвешенных веществ и высокомолекулярных соединений.

Характеристика мембран. Мембрана – полупроницаемая перегородка, пропускающая определенные компоненты жидких или газовых смесей. Они должны обладать высокой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной производительностью (проницаемостью); химической стойкостью к действию среды разделяемой системы; механической прочностью. Полупроницаемые мембраны изготовляют из различных полимерных материалов, пористого стекла, графитов, металлической фольги и др. От материала мембраны зависят ее свойства (химическая стойкость, прочность) и структура.

Мембраны подразделяют на пористые и диффузионные.

Пористые мембраны имеют как анизотропную, так и изотропную структуру. Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный тонкопористый (называемый активным, или селективным) слой толщиной 0,25…0,50 мкм. Компоненты смеси разделяются именно этим слоем, располагаемым со стороны обрабатываемого раствора. Крупнопористый слой толщиной около 100…200 мкм, находящийся под активным слоем, является подложкой, повышающей механическую прочность мембраны. Мембраны с анизотропной структурой характеризуются высокой удельной производительностью, отсутствием закупорки пор в процессе их эксплуатации. Для мембран с изотропной структурой характерно быстрое снижение проницаемости вследствие закупорки пор коллоидными или взвешенными частицами, содержащимися в разделяемых растворах.

Диффузионные(непористые) мембраны применяют для разделения газов и жидких смесей методом испарения через мембрану. Они представляют собой квазигомогенные гели, через которые растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентраций (молекулярная диффузия).

Диффузионные мембраны имеют большое гидродинамическое сопротивление, поэтому их следует применять в виде ультратонких пленок толщиной порядка 0,02…0,04 мкм, закрепленных на пористых подложках.

В зависимости от типа используемых баромембранных аппаратов как пористые, так и диффузионные мембраны изготовляют листовыми, трубчатыми либо в виде полых волокон внутренним диаметром 20…100 мкм при толщине стенки 10…50 мкм. Мембраны можно изготовлять также на пористых носителях (подложках) различной конфигурации, так называемые композитные, или комбинированные мембраны.

Для изготовления мембран применяют различные материалы: полимерные пленки, стекло, металлическую фольгу и др. В зависимости от механической прочности используемых материалов мембраны подразделяют на уплотняющиеся (полимерные) и с жесткой структурой.

Уплотняющиеся (полимерные) мембраны. К ним относятся мембраны, которые под воздействием давления или каких-либо других факторов уплотняются. Эти мембраны отличаются эластичностью, что упрощает их герметизацию в аппаратах. Наибольшее применение получили полимерные мембраны из лиофильных материалов, обладающие высокой удельной производительностью. По типам структур мембраны могут быть симметричными и асимметричными. 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.

Мембраны с анизотропной структурой получают из растворов полимеров с различными добавками в условиях, препятствующих уплотнению полимера вследствие действия капиллярных сил, которые удаляют растворители или предварительно введенные в них добавки.

Для получения листовых полупроницаемых мембран применяют сухой (спонтанный), мокрый (коагуляционный) и термальный методы.

Мембраны с изотропной структурой получают облучением тонких полимерных пленок заряженными частицами или электромагнитным излучением с последующим травлением химическими реагентами из-за чего их называют ядерными мембранами, или «нуклеопорами».

На структуру мембран значительное влияние оказывают следующие факторы: тип заряженной частицы, присутствие примесей в полимере, концентрация раствора, вид и длительность дополнительного облучения, частичный отжиг перед выщелачиванием, продолжительность химического травления.

В настоящее время можно получать ядерные мембраны с порами диаметром от 4 нм до нескольких десятков микрометров.

Мембраны с жесткой структурой. К ним относятся металлические мембраны, из пористого стекла, нанесенные, динамические и др.

Металлические мембраны изготовляют выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава. Получаемые мембраны отличаются высокой пористостью и очень узким распределением пор по размерам. Диаметр пор в таких мембранах составляет 0,1…5,0 мкм, но в случае необходимости его можно уменьшить, используя при получении мембран тонкую металлическую фольгу. Металлические мембраны можно изготовлять также спеканием металлического порошка при высокой температуре. Диаметр пор у мембран, полученных таким способом, находится в пределах от нескольких микрометров до десятых и даже сотых долей микрометра.

Основное преимущество металлических мембран – однородность структуры и размеров пор. Эти мембраны не подвержены воздействию бактерий, химически стойки в различных средах. Их можно очищать обратным током воды или какой-либо другой жидкости либо прокаливанием.

Мембраны из пористого стекла обладают высокой химической стойкостью и жесткостью структуры, не подвержены действию микроорганизмов.

Мембраны из пористого стекла изготовляют в виде пластин, пленок, трубок, капилляров, полого волокна; их можно подвергать как тепловой стерилизации, так и химической.

Нанесенные мембраны. В зависимости от способа получения эти мембраны можно разделить на пропитанные и напыленные. При получении пропитанных мембран в качестве пористой основы используют различные материалы: пористую нержавеющую сталь, металлокерамические перегородки, а в качестве веществ, уменьшающих размеры пор, – нерастворимые соли, которые образуются на поверхности пор в результате химического взаимодействия между специально подобранными растворимыми солями.

Напыленные мембраны получают напылением на микропористую подложку различных веществ (из растворов и расплавов полимеров, металлов и др.), обладающих склонностью к сцеплению с материалом подложки. При этом, изменяя толщину напыленного на подложку слоя, можно направленно регулировать размер пор.

Динамические мембраны получают фильтрованием раствора, содержащего специальные добавки диспергированных веществ, через пористые подложки. Подложки, имея номинальный размер пор от 5 нм до 5 мкм, не способны задерживать молекулы и ионы растворенных низкомолекулярных веществ. Однако в результате сорбции дисперсных частиц на поверхности подложки, обращенной к раствору, образуется полупроницаемый слой.

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.

Методы очистки мембран. При проведении мембранных процессов в результате концентрационной поляризации на поверхности мембраны образуется слой слаборастворимых солей (обратный осмос), гель (ультрафильтрация) или осадок микрочастиц (микрофильтрация).

Для очистки мембран используют механические, гидродинамические, физические и химические методы.

Механическая очистка – механическое воздействие на рабочую поверхность мембраны (например, эластичной губкой с применением моющих средств).

Гидродинамическая очистка – пульсационное воздействие на загрязненную поверхность мембраны разделяемым раствором или промывной жидкостью (водой), турбулизация потока, промывка газожидкостной эмульсией (смесью воды и воздуха), обратная продувка мембраны сжатым воздухом, обратный ток жидкости. Кроме того, при резком сбросе давления в аппарате загрязнения отслаиваются от мембраны и вымываются сильным потоком воды.

Физическая очистка– воздействие на мембрану различных (электрических, магнитных, ультразвуковых) полей.

Химическая очистка – промывка рабочей поверхности различными химическими реактивами (раствором соляной, лимонной кислоты, содой и т. д.).

Баромембранные аппараты классифицируются:

по способу укладки мембран: на аппараты с плоскими, с трубчатыми мембранными элементами, с мембранными элементами рулонного типа, с мембранами в виде полых волокон;

по положению мембранных элементов: на горизонтальные, вертикальные;

по условиям демонтажа: на разборные и неразборные.

Они могут быть корпусные и бескорпусные. Мембранные аппараты могут работать как в режиме идеального вытеснения, так и в режиме идеального перемешивания.

Аппараты с плоскими мембранными элементами выпускают в различных модификациях: корпусными и бескорпусными, с центральным и периферийным выводом пермеата, с общим отводом пермеата либо отдельно из каждого элемента. По форме мембранные элементы изготовляют круглыми (эллиптическими) и прямоугольными (квадратными). В них мембранный элемент состоит из плоских мембран, уложенных по обе стороны плоского пористого материала. Расстояние между соседними мембранными элементами, по которому протекает исходный раствор, составляет 0,5…5,0 мм. Разделяемый раствор последовательно проходит между всеми мембранными элементами, концентрируется и удаляется из аппарата.

Аппарат с плоским мембранным элементом эллиптической формы состоит из пакета мембранных элементов 1 эллиптической формы, находящихся между круглыми фланцами 2, соосность которых обеспечивается двумя направляющими штангами 3 (рис. 7).

Мембранные элементы состоят из опорных пластин 4, по обеим сторонам которых уложены мембраны 5. Отверстия в опорных пластинах и мембранах точно совмещаются и герметизируются двумя защелкивающимися кольцами: проточным 6 со стороны входа разделяемого раствора в переточное отверстие и замковым 7 со стороны выхода из него. Для подачи разделяемого раствора из переточного отверстия в межмембранный канал и отвода его в другое переточное отверстие в проточных кольцах имеются прорези в радиальном направлении.

Для распределения разделяемого раствора по секциям одно из переточных отверстий на соответствующих мембранных элементах перекрывают заглушкой 8. Пермеат отбирают отдельно из каждого мембранного элемента по гибким капиллярным шлангам 9 с последующим выводом в общий коллектор 10.

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами.Различают трубчатые мембранные элементы с мембраной 2 внутри (рис. 10, а), снаружи трубки (рис. 10, б) и с комбинированным ее расположением (рис. 10, в). Наибольшее применение из них получили аппараты с мембраной внутри трубки.

Они имеют следующие преимущества: малую материалоемкость из-за отсутствия корпуса; низкое гидравлическое сопротивление потоку пермеата в связи с небольшой длиной дренажного канала; хорошие гидродинамические условия работы мембраны, т. е. равномерное движение потока раствора с высокой скоростью над ее поверхностью и отсутствие застойных зон; возможна механическая очистка мембранных элементов от осадка без разборки аппарата; удобство установки трубчатых мембранных элементов в аппараты; надежная герметизация аппарата.

Недостатки аппаратов этого типа: малая удельная поверхность мембран в аппарате; повышенная точность изготовления и механической обработки внутренней поверхности дренажного каркаса; невозможен визуальный контроль процесса формования мембран.

Трубчатый мембранный элемент состоит из мембраны и дренажного каркаса. Дренажный каркас изготовляют из трубки, являющейся опорой для мембранного элемента, и микропористой подложки 3, исключающей вдавливание мембраны 2 в дренажные каналы трубки под воздействием рабочего давления разделяемой смеси.

В аппаратах с комбинированным расположением мембран в трубчатых мембранных элементах мембраны помещаются на дренажном каркасе как внутри труб, так и снаружи. Аппараты этого типа имеют наибольшую удельную поверхность мембран. Однако помимо недостатков, характерных для аппаратов с трубчатыми мембранными элементами, в которых мембраны расположены внутри или снаружи труб, в аппаратах этого типа значительное гидравлическое сопротивление из-за большого пути пермеата внутри трубки.

Трубчатые мембранные элементы различаются также конструкцией дренажного каркаса и способом крепления на нем мембраны.