И.Н.Бекман

МЕМБРАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Курс лекций

Москва, 2003

Содержание

Предисловие.
1. Мембранные явления и мембранная технология.
Определение понятий. Основные особенности мембранной технологии. Преимущества и недостатки по сравнению с традиционными методами разделения веществ. Сферы применения.
2. Мембрана.
Классификация мембран: фазовое состояние и материал мембраны, структурная форма мембран, способ разделения смесей.
Технологические характеристики мембран. Проницаемость, производительность, селективность, фактор разделения. Типичные и предельные транспортные характеристики.
Сплошные, пористые и асимметричные мембраны. Импрегнированные мембраны.
Методы приготовления мембран.
3. Мембранные газоразделительные элементы.
Конструкции модулей: плоские, рулонные и половолоконные разделительные элементы. Двухмембранные модули.
Технологические характеристики газоразделительных модулей. Коэффициент разделения потоков, реальный коэффициент разделения компонентов смеси.
4. Газоразделительные мембранные каскады.
Принципиальные схемы мембранного разделения: процесс, протекающий в одну стадию; процесс, протекающий в две стадии.
Работа каскадов: простые каскады, каскады с рециклом, идеальный каскад.
Качественная оценка работы мембранного модуля.
5. Термодинамика и кинетика селективного массопереноса через мембрану.
Эксергетический анализ мембранных процессов.
Непористые мембраны. Основные стадии процесса: адсорбция, растворение, диффузия, десорбция.
Феноменологическое описание диффузии газа через мембрану: нестационарный перенос (интегральный, дифференциальный и импульсный варианты), стационарный перенос, различные геометрии мембраны, единицы измерения, температурная зависимость параметров. Диффузия в гетерогенных средах: слоистые среды, параллельная диффузия, дисперсионные среды. Роль граничных процессов: учет сопротивления поверхностных слоев, процессы диссоциации-ассоциации на поверхности мембраны. Диффузия в активных средах: наличие обратимой химической реакции 1-го или 2-го порядка.
Пористые мембраны. Гидравлические потоки через мембрану: закон Дарси, потоки Пуазейля и Кнудсена, поверхностная диффузия. Облегченная диффузия. Производительность и селективность пористых мембран. 6. Способы управления процессом разделения.
Молекулярный, фазовый, модульный и аппаратурный дизайн.
6.1 Модификация мембран.
Полимерные мембраны: факторы, влияющие на газопроницаемость и селективность. Связь параметров переноса с параметрами газа, полимера и параметрами взатмодействия газ-полимер. Модификация структуры материала мембраны. Модификация приповерхностных слоев мембраны. Направленные химические, термические, радиационные и механические воздействия.
Металлические мембранны: металлы, сплавы, Эффект спилловера. Допирование гидридообразующими компонентами. Роль окисных слоев.
Пористые мембраны: керамика, стекло, ядерные фильтры, крезованные полимеры. Число, диаметр, длина пор, сквозные, тупиковые и открытые поры – перспективы направленного изменения.
6.2 Модификации методики проведения процесса газоразделения.
Разделение газов в нестационарных условиях: метод концентрационных волн, импульс смеси газов. Использование неравновесных процессов на поверхности мембраны (плазма, ионные пучки, атомизаторы) для увеличения производительности мембраны.
Активное воздействие на процесс разделения: лазерное облучения, ультразвуковое облучение, введение пластифицирующих добавок, жидких кристаллов и т.п.
7. Каталитические мембраны и мембраны активного переноса.
Каталитические металлические мембраны. Применение каталитических мембран в процессах газоразделения. Сопряженные реакции на мембранных катализаторах. Применение мембран для сдвига равновесия каталической реакции.
Каталитические мембраны на полимерной основе. Методы приготовления, структура и свойства. Конверсия компонентов смеси в ходе разделения.
Мембраны с подвижным переносчиком. Жидкие и мпрегнированные мембраны.
“Активные” мембраны и мембраны избирательного переноса. Перфторированные ионнообменные мембраны. 8. Мембранные методы разделения газовых смесей.
Мембраны в водородной энергетике. Извлечение оксидов углерода, серы и азота из дымовых газов. Обогащение воздуха кислородом. Медицинские генеравторы кислорода. Аппараты “горного воздуха”. Осушка газов. Диффузионное извлечение гелия из природного и нефтяного газа. Отбензинирование тяжелых углеводородов из нефтяного газа. Регулирование состава газовой среды при хранении сельскохозяйственной продукции. Получение синтетического топливного газа при очистке биогаза.
9. Мембранные методы разделения жидкостей.
Особенности баромембранных процессов разделения жидких смесей (микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос. Физико-химические основы мембранной дистилляции. Диализ и гемодиализ. Электродиализ, пьезодиализ, термодиализ. Осушка жидкостей. Нанофильтрация кислотных, щелочных и окислительных сред высокоагрессивных топлив. Мембранная технология в получении веществ высокой чистоты. Мембранные методы разделения азеотропных веществ.
10. Мембранная технология в экологии.
Обессоливание морских и сточных вод с помощью обратного осмоса. Создание автономных систем жизнеобеспечения. Мембранные аппараты типа “искусственные легкие”, ;искусственная почка”, “искусственные жабры”. среде. Выделение органических токсинов из промышленных стоков. Мембранные импакторы в анализе размерных спектров аэрозолей. Мембранные методы очистки воды от тяжелых металлов. Мембранные методы очистки природных водоемов.
11. Интегрированные и гибридные мембранные системы.
Мембранные контакторы с подвижным носителем: мебранные адсорберы, мембранные абсорберы, мембранные вентили и мембранные экстракторы. Проточный и циркуляционный режимы, соток и противоток. Влияние различных факторов на эффективность разделения: параметры мембраны, параметры химических реакций и типы изотерм сорбции в носителе, скорости движения всех флюидов, температура и др. Основные применения мембранных контакторов: аэрация и деаэрация воды, дехлорирование воды, озонаторы, разделение олефинов от парафинов, переработка биогаза, очистка воды от органических поллютантов и тяжелых металлов.
12. Мембранные методы в атомной промышленности
Подготовка топлива и материалов для атомной энергетики. Разделение изотопов урана. Получение высокочистых материалов для атомной техники и энергетики методом ультафильтрации Микрокапсулирование препаратов, выделяющих в результате радиоактивного распада газообразные продукты. Мембранная очистка газообразных теплоносителей в процессе работы атомного реактора: водород, гелий, диссоциирующие теплоносители.
Утилизация радиоактивных отходов. Использование микро- и ультрафильтрационных мембран для извлечения из водных и органических стоков находившихся в них в коллоидном состоянии тяжелых металлов. Очистка сточных вод от радинуклидов.
Очистка газообразных выбросов АЭС и АСТ от радиоактивных благородных газов. Особенности извлечения криптона и ксенона. Разделение РБГ с целью выделения стабильного криптона.
Утилизация тритированной воды с помощью пленок из целлофана и ацетацеллюлозы.
Асимметричные мембраны в очистке термоядерного горючего, Разделение изотопов водора, извлечение гелия.

Литература

1. Н.И.Николаев Диффузия в мембранах. М.: Химия, 1980. 2. С.Т.Хванг, К.Каммермейер Мембранные процессы разделения. М.: Химия, 1981. 3. А.Е.Чалых Диффузия в полимерных системах. М.: Химия, 1987 4. Т.Брок Мембранная фильтрация. М.: Мир, 1987. 5. С.Ф.Тимашов Физико-химия мембранных процессов. М.: Химия, 1988 6. Полимерные пленки для выращивания и хранения плодов и овощей .Под ред. С.В.Генеля) М.: Химия, 1985 7. Polymeric gas separation membranes / Eds. D.R.Paul, Y.P.Yampol’skii., CRC Press, N.Y., Boka Raton, Florida, 1994.

Аннотация

Курс лекций направлен на ознакомление слушателей с основными направлениями применения мембранной технологии и интегрированных мембранных систем для разделения и очистки смесей газов и жидкостей. Проанализированы перспективы использования различных типов материалов и мембран, разных типов газоразделительных модулей и режимов разделения, каскадов для увеличения производительности и селективности процесса разделения. Существенное внимание уделено использованию мембранной технологии в ядерно-топливном цикле.

Hosted by uCoz