МЕМБРА́ННЫЕ ПРОЦЕ́ССЫ РАЗДЕЛЕ́НИЯ

МЕМБРА́ННЫЕ ПРОЦЕ́ССЫ РАЗДЕ­ЛЕ́НИЯ, про­цес­сы раз­де­ле­ния сме­сей на ком­по­нен­ты по­сред­ст­вом пе­ре­го­ро­док c из­би­ра­тель­ной про­ни­цае­мо­стью – мем­бран раз­де­ли­тель­ных. К наи­бо­лее ран­ним, на­уч­но до­ку­мен­ти­ро­ван­ным ис­сле­до­ва­ни­ям раз­де­ле­ния с по­мо­щью мем­бран мож­но от­не­сти от­кры­тие ос­мо­са франц. ес­те­ст­во­ис­пы­та­те­лем Ж. А. Нол­ле в 1748, элек­тро­ос­мо­са рос. хи­ми­ком Ф. Ф. Рейс­сом в 1803, а так­же экс­пе­ри­мен­ты по раз­де­ле­нию ком­по­нен­тов кол­ло­ид­ной сис­те­мы с по­мо­щью мем­бра­ны (диа­лиз), про­ве­дён­ные в 1861 Т. Грэ­мом. Ши­рокое пром. при­ме­не­ние мем­бран на­ча­лось с 1980-х гг., по­сле то­го как бы­ли раз­ра­бо­та­ны осн. тех­но­ло­гии М. п. р. (в 1920-х гг. мик­ро­фильт­ра­ция, в 1930-х гг. ульт­ра­фильт­ра­ция, в 1950-х гг. ге­мо­диа­лиз и элек­тро­диа­лиз, в 1960-х гг. об­рат­ный ос­мос, в 1970-х гг. га­зо­раз­де­ле­ние, в 1980-х гг. мем­бран­ная дис­тил­ля­ция и ис­па­ре­ние че­рез мем­бра­ну).

Боль­шин­ст­во М. п. р. яв­ля­ют­ся изо­тер­ми­че­ски­ми, дви­жу­щей си­лой в них мо­гут быть гра­ди­ен­ты дав­ле­ния (ба­ро­мем­бран­ные про­цес­сы), кон­цен­тра­ции (диф­фу­зи­он­но-мем­бран­ные про­цес­сы) или элек­трич. по­тен­циа­ла (элек­тро­мем­бран­ные про­цес­сы) по обе сто­ро­ны мем­бра­ны. В ре­зуль­та­те взаи­мо­дей­ст­вия с мем­бра­ной из ис­ход­ной сме­си вы­де­ля­ет­ся ком­по­нент (или груп­па ком­по­нен­тов), ко­то­рый про­хо­дит че­рез мем­бра­ну, – пе­нет­рант; фор­ми­ру­ет­ся про­шед­ший че­рез мем­бра­ну по­ток – пер­ме­ат; не про­шед­ший че­рез мем­бра­ну по­ток на­зы­ва­ют ре­тен­та­том. Эф­фек­тив­ность раз­де­ле­ния оце­ни­ва­ют сле­дую­щи­ми по­ка­за­те­ля­ми: се­лек­тив­но­стью $φ= 1-с_2/c_1$, где $c_1$ и $с_2$ – кон­цен­тра­ции ком­по­нен­та в сме­си до мем­бра­ны и за ней; ко­эф. раз­де­ле­ния ком­по­нен­тов A и B, вы­ра­жа­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем $K_р=(c_{A,1}/c_{A,2})/(c_{B,1}/c_{B,2})$, где $c_{A,1}, c_{B,1} и $c_{A,2}, c_{B,2}$ – кон­цен­тра­ции ком­по­нен­тов в ис­ход­ной сме­си и в пер­меа­те; про­ни­цае­мо­стью (удель­ной про­из­во­ди­тель­но­стью) мем­бра­ны $G=V/F_τ$, где $V$ – ко­ли­че­ст­во сме­си, про­шед­шей че­рез мем­бра­ну за вре­мя $τ$, $F$ – пло­щадь по­верх­но­сти мем­бра­ны. Раз­де­ляе­мые на прак­ти­ке сме­си мно­го­ком­по­нен­тны, и час­то од­ни рас­тво­рён­ные ве­ще­ст­ва вли­я­ют на раз­де­ле­ние на­хо­дя­щих­ся в рас­тво­ре др. ве­ществ. По­это­му ус­та­нов­лен­ные при раз­де­ле­нии би­нар­ных рас­тво­ров се­лек­тив­ность и про­ни­цае­мость не мо­гут быть без экс­пе­рим. про­вер­ки пе­ре­не­се­ны на мно­го­ком­по­нент­ные сме­си.

Осн. дос­то­ин­ст­ва­ми М. п. р. яв­ля­ют­ся: воз­мож­ность не­пре­рыв­но­го вы­пол­не­ния, низ­кие энер­ге­тич. за­тра­ты, не­вы­со­кие ра­бо­чие темп-ры, лёг­кость со­че­та­ния с др. про­цес­са­ми раз­де­ле­ния, вы­со­кая се­лек­тив­ность при раз­де­ле­нии прак­ти­че­ски лю­бых сис­тем бла­го­да­ря ши­ро­ко­му диа­па­зо­ну су­ще­ст­вую­щих мем­бран и их свой­ст­вам, воз­мож­ность мас­шта­би­ро­ва­ния про­цес­са.

Ба­ро­мем­бран­ные про­цес­сы – мик­ро­фильт­ра­ция, ульт­ра­фильт­ра­ция и об­рат­ный ос­мос – ис­поль­зу­ют­ся для раз­де­ле­ния рас­тво­ров и кол­ло­ид­ных сис­тем. Раз­ли­ча­ют­ся (в ука­зан­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти) умень­ше­ни­ем раз­ме­ров (мо­ле­ку­ляр­ных масс) за­дер­жи­вае­мых час­тиц (мо­ле­кул), а так­же воз­рас­та­ни­ем не­об­хо­ди­мо­го для раз­де­ле­ния дав­ле­ния. Сте­пень раз­де­ле­ния оп­ре­де­ля­ет­ся раз­ме­ром пор мем­бра­ны. Мик­ро­фильт­ра­ция, ульт­ра­фильт­ра­ция и об­рат­ный ос­мос от­но­сят­ся к про­мыш­лен­ным М. п. р. Мик­ро­фильт­ра­ция при­ме­ня­ет­ся для очи­ст­ки жид­ко­стей от кол­ло­ид­ных час­тиц и мик­ро­час­тиц (раз­ме­ром 0,02–10 мкм); пе­ре­пад дав­ле­ния со­став­ля­ет 0,1–1,0 МПа. Ульт­ра­фильт­ра­ция ис­поль­зу­ет­ся для раз­де­ле­ния рас­тво­ров вы­со­ко- и низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ных со­еди­не­ний; мем­бра­ны за­дер­жи­ва­ют час­ти­цы (мо­ле­ку­лы) раз­ме­ром 0,001–0,02 мкм (мо­ле­ку­ляр­ные мас­сы от 300 до 300 тыс.); пе­ре­пад дав­ле­ний 0,1–2,0 МПа. Об­рат­ный ос­мос осу­ще­ст­в­ля­ет­ся пу­тём пре­имущественного про­ник­но­ве­ния рас­тво­ри­те­ля че­рез мем­бра­ну и за­держ­ки рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва. В ос­но­ве ме­то­да ле­жит яв­ле­ние ос­мо­са – са­мо­про­из­воль­но­го пе­ре­хо­да рас­тво­ри­те­ля че­рез мем­бра­ну, раз­де­ляю­щую рас­тво­ри­тель и рас­твор, в сто­ро­ну рас­тво­ра; дав­ле­ние, при ко­то­ром на­сту­па­ет рав­но­ве­сие, на­зы­ва­ет­ся ос­мо­ти­че­ским. Ес­ли при­ло­жить дав­ле­ние, пре­вы­шаю­щее ос­мо­ти­че­ское, то воз­ни­ка­ет об­рат­ный про­цесс – по­ток рас­тво­ри­те­ля из рас­тво­ра. Об­рат­ный ос­мос при­ме­ня­ет­ся для раз­де­ле­ния рас­тво­ров низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ных ве­ществ (ме­нее 0,001 мкм); пе­ре­пад дав­ле­ний обыч­но 1,0–25,0 МПа.

На ско­рость и се­лек­тив­ность ба­ро­мем­бран­ных про­цес­сов раз­де­ле­ния влия­ет ряд фак­то­ров, ос­нов­ные из ко­то­рых – кон­цен­тра­ци­он­ная по­ля­ри­за­ция, ра­бо­чее дав­ле­ние и темп-ра, гид­ро­ди­на­мич. ус­ло­вия внут­ри мем­бран­но­го ап­па­ра­та, при­ро­да и кон­цен­тра­ция раз­де­ляе­мой сме­си. По­вы­ше­ние кон­цен­тра­ции рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва у по­верх­но­сти мем­бра­ны – кон­цен­тра­ци­он­ная по­ля­ри­за­ция – про­ис­хо­дит вслед­ст­вие из­би­рат. пе­ре­но­са рас­тво­ри­те­ля че­рез по­ры мем­бра­ны. Влия­ние кон­цен­тра­ци­он­ной по­ля­ри­за­ции на про­цесс раз­де­ле­ния все­гда от­ри­ца­тель­но (умень­ша­ет дви­жу­щую си­лу про­цес­са вслед­ст­вие уве­ли­че­ния ос­мо­тич. дав­ле­ния). Умень­шить влия­ние кон­цен­тра­ци­он­ной по­ля­ри­за­ции мож­но пу­тём пе­ре­ме­ши­ва­ния рас­тво­ра над мем­бра­ной, уве­ли­че­ния ско­ро­сти по­то­ка раз­де­ляе­мой сме­си или ис­поль­зо­ва­ния тур­бу­ли­зи­рую­щих по­ток вста­вок. В ре­зуль­та­те уве­ли­чи­ва­ет­ся про­из­во­ди­тель­ность и раз­де­ли­тель­ная спо­соб­ность мем­бран­но­го ап­па­ра­та. По­вы­ше­ние ра­бо­че­го дав­ле­ния уве­ли­чи­ва­ет про­ни­цае­мость мем­бра­ны, од­на­ко с по­вы­ше­ни­ем дав­ле­ния по­ли­мер­ные мем­бра­ны де­фор­ми­ру­ют­ся. Не­об­ра­ти­мая ме­ха­нич. де­фор­ма­ция мем­бра­ны при­во­дит к умень­ше­нию про­ни­цае­мо­сти, но се­лек­тив­ность воз­рас­та­ет. По­вы­ше­ние темп-ры ис­ход­но­го рас­тво­ра улуч­ша­ет ус­ло­вия про­ве­де­ния про­цес­са раз­де­ле­ния, т. к. по­ни­жа­ет вяз­кость рас­тво­ра и уве­ли­чи­ва­ет ско­рость диф­фу­зии рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва от по­верх­но­сти мем­бра­ны в яд­ро по­то­ка. Это при­во­дит к сни­же­нию влия­ния кон­цен­тра­ци­он­ной по­ля­ри­за­ции. При­ро­да рас­тво­рён­ных ве­ществ ока­зы­ва­ет влия­ние на се­лек­тив­ность и, в мень­шей сте­пе­ни, – на про­ни­цае­мость мем­бра­ны. Так, не­ор­га­нич. ве­ще­ст­ва (элек­тро­ли­ты) за­дер­жи­ва­ют­ся мем­бра­на­ми луч­ше, чем ор­га­нич. ве­ще­ст­ва с той же мо­ле­ку­ляр­ной мас­сой; сре­ди го­мо­ло­гов и др. род­ст­вен­ных со­еди­не­ний луч­ше за­дер­жи­ва­ют­ся ве­ще­ст­ва с бoльшей мо­ле­ку­ляр­ной мас­сой. По­вы­ше­ние кон­цен­тра­ции рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва в ис­ход­ном рас­тво­ре при­водит к уве­ли­че­нию ос­мо­тич. дав­ле­ния рас­тво­ра, а так­же к воз­рас­та­нию вяз­ко­сти; оба фак­то­ра сни­жа­ют про­ни­цае­мость мем­бра­ны. Об­рат­ный ос­мос эф­фек­ти­вен для обес­со­ли­ва­ния рас­тво­ров элек­тро­ли­тов с кон­цен­тра­ци­ей от 5 до 20%; для рас­тво­ров ор­га­нич. ве­ществ диа­па­зон кон­цен­тра­ций зна­чи­тель­но ши­ре. При ульт­ра­фильт­ра­ции вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных со­еди­не­ний верх­ний пре­дел кон­цен­тра­ций рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми об­ра­зо­ва­ния ге­ле­об­раз­но­го осад­ка на по­верх­но­сти мем­бра­ны или кон­цен­тра­ци­ей, при ко­то­рой про­ни­цае­мость ста­но­вит­ся слиш­ком низ­кой из-за чрез­мер­но­го воз­рас­та­ния вяз­ко­сти раз­де­ляе­мо­го рас­тво­ра.

Об­рат­ный ос­мос ис­поль­зу­ет­ся для оп­рес­не­ния со­лё­ных и очи­ст­ки сточ­ных вод, раз­де­ле­ния азео­троп­ных и тер­мо­ла­биль­ных сме­сей, кон­цен­три­ро­ва­ния рас­тво­ров и т. д.; ульт­ра­фильт­ра­ция – для очи­ст­ки сточ­ных вод от вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных со­еди­не­ний, кон­цен­три­ро­ва­ния сус­пен­зий, вы­де­ле­ния и очи­ст­ки био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных ве­ществ, вак­цин, ви­ру­сов, очи­ст­ки кро­ви, кон­цен­три­ро­ва­ния мо­ло­ка, фрук­то­вых и овощ­ных со­ков и др.; мик­ро­фильт­ра­ция – для очи­ст­ки тех­но­ло­гич. рас­тво­ров и во­ды от тон­ко­дис­перс­ных ве­ществ, раз­де­ле­ния эмуль­сий, пред­ва­ри­тель­ной под­го­тов­ки жид­ко­стей, напр. мор­ской и со­лё­ных вод пе­ред оп­рес­не­ни­ем, и т. д.

К диф­фу­зи­он­но-мем­бран­ным про­цес­сам раз­де­ле­ния от­но­сят­ся диа­лиз, ис­па­ре­ние че­рез мем­бра­ну, диф­фу­зи­он­ное раз­де­ле­ние га­зов. Диа­лиз – са­мо­про­из­воль­ное раз­де­ле­ние рас­тво­рён­ных ве­ществ, зна­чи­тель­но раз­ли­чаю­щих­ся мо­ле­ку­ляр­ны­ми мас­са­ми. Ско­рость про­цес­са оп­ре­де­ля­ет­ся в пер­вую оче­редь разл. ко­эф­фи­ци­ен­та­ми диф­фу­зии раз­де­ляе­мых ве­ществ че­рез мем­бра­ну, раз­де­ляю­щую кон­цен­три­ро­ван­ный и раз­бав­лен­ный рас­тво­ры. Под дей­ст­ви­ем гра­ди­ен­та кон­цен­тра­ции рас­тво­рён­ные ве­ще­ст­ва с разл. ско­ро­стя­ми диф­фун­ди­ру­ют че­рез мем­бра­ну в сто­ро­ну раз­бав­лен­но­го рас­тво­ра. Рас­тво­ри­тель (обыч­но во­да) диф­фун­ди­ру­ет в об­рат­ном на­прав­ле­нии, сни­жая ско­рость пе­ре­но­са рас­тво­рён­ных ве­ществ. Диа­лиз при­ме­ня­ет­ся в про­из-ве ис­кусств. во­ло­кон, ря­да био­хи­мич. пре­па­ра­тов, для очи­ст­ки рас­тво­ров био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных ве­ществ (в т. ч. при про­ве­де­нии ге­мо­диа­ли­за). Ис­па­ре­ние че­рез мем­бра­ну (пер­ва­по­ра­ция) – ме­тод раз­де­ле­ния жид­ких сме­сей, при ко­то­ром ис­ход­ный рас­твор кон­так­ти­ру­ет с мем­бра­ной с од­ной её сто­ро­ны, а про­ни­каю­щий ком­по­нент в ви­де па­ра от­во­дит­ся с др. сто­ро­ны пу­тём ва­куу­ми­ро­ва­ния или в то­ке инерт­но­го га­за. Со­став па­ров за­ви­сит от темп-ры про­цес­са, со­ста­ва рас­тво­ра и др. В ап­па­рат для про­ве­де­ния про­цес­са долж­но под­во­дить­ся те­п­ло, не­об­хо­ди­мое для ис­па­ре­ния про­ни­каю­ще­го ком­по­нен­та. Ме­тод при­ме­ня­ет­ся для раз­де­ле­ния азео­троп­ных сме­сей, жид­ких уг­ле­во­до­ро­дов, вод­ных рас­тво­ров кар­бо­но­вых ки­слот и пр. Диф­фу­зи­он­ное раз­де­ле­ние га­зов и обо­га­ще­ние га­зо­вой сме­си од­ним из ком­по­нен­тов ос­но­ва­но на разл. ко­эф­фи­ци­ен­тах диф­фу­зии га­зов че­рез не­по­рис­тые мем­бра­ны под дей­ст­ви­ем гра­ди­ен­та кон­цен­тра­ций (или элек­трич. по­тен­циа­ла) или пар­ци­аль­ных дав­ле­ний раз­де­ляе­мых ком­по­нен­тов. Га­зо­раз­де­ле­ние че­рез мем­бра­ну при­ме­ня­ет­ся для из­вле­че­ния во­до­ро­да из га­зо­вых сме­сей (напр., при про­из-ве ам­миа­ка), для раз­де­ле­ния ки­сло­ро­да и азо­та, ме­та­на и ди­ок­си­да уг­ле­ро­да, из­вле­че­ния во­до­ро­да, ам­миа­ка, ге­лия из при­род­ных и тех­нич. га­зов, в ря­де др. про­цес­сов.

Сре­ди элек­тро­мем­бран­ных про­цес­сов пром. при­ме­не­ние (для обес­со­ли­ва­ния мор­ской и со­ло­но­ва­той вод, са­хар­ных рас­тво­ров, мо­лоч­ной сы­во­рот­ки, из­вле­че­ния ми­нер. сы­рья из со­лё­ных вод и пр.) на­хо­дит элек­тро­диа­лиз – раз­де­ле­ние рас­тво­ров под дей­ст­ви­ем элек­тро­дви­жу­щей си­лы, ко­то­рая соз­да­ёт­ся по обе сто­ро­ны не­се­лек­тив­ных мем­бран, про­ни­цае­мых для лю­бых ио­нов (от­де­ле­ние элек­тро­ли­тов от не­элек­тро­ли­тов), или се­лек­тив­ных ио­но­об­мен­ных мем­бран, про­ни­цае­мых толь­ко для ка­тио­нов ли­бо толь­ко для анио­нов (при­ме­ня­ет­ся для обес­со­ли­ва­ния рас­тво­ров элек­тро­ли­тов, фрак­цио­ни­ро­ва­ния ио­нов). Раз­де­ле­ние ио­нов с оди­на­ко­вым зна­ком за­ря­да про­ис­хо­дит вслед­ст­вие раз­ли­чия ме­ж­ду ско­ро­стя­ми их пе­ре­но­са че­рез мем­бра­ну.

Пе­ре­нос че­рез жид­кие мем­бра­ны мо­жет про­ис­хо­дить в ре­жи­ме диа­ли­за или элек­тро­диа­ли­за; дви­жу­щая си­ла про­цес­са – гра­ди­ент хи­мич. или элек­тро­хи­мич. по­тен­циа­ла. Раз­де­ле­ние с ис­поль­зо­ва­ни­ем жид­ких мем­бран ис­поль­зу­ет­ся при экс­трак­ции и ад­сорб­ции, при про­ве­де­нии хи­мич. ре­ак­ций. Круг ре­шае­мых за­дач раз­но­об­ра­зен: се­лек­тив­ное уда­ле­ние ио­нов (напр., ка­тио­нов ме­тал­лов из тех­но­ло­гич. рас­тво­ров), раз­де­ле­ние сме­сей ор­га­нич. жид­ко­стей (в т. ч. уг­ле­во­до­ро­дов, напр. бен­зо­ла и гек­са­на), уда­ле­ние ор­га­нич. ве­ществ (фе­но­ла из сточ­ных вод) и пр.

В со­от­вет­ст­вии с кон­ст­рук­тив­ны­ми осо­бен­но­стя­ми раз­ли­ча­ют ап­па­ра­ты для М. п. р.: с плос­ко­ка­мер­ны­ми мем­бран­ны­ми эле­мен­та­ми (плот­ность упа­ков­ки мем­бра­ны – удель­ная ра­бо­чая по­верх­ность мем­бран в еди­ни­це объ­ё­ма ап­пара­та $a$ = 60–300 м²/м³); со спи­раль­ны­ми мем­бран­ны­ми эле­мен­та­ми ($a $= 300–800 м 2 /м 3 ); с мем­бра­на­ми в ви­де по­лых во­ло­кон ($a$ = 20000–30000 м²/м³). Бла­го­да­ря вы­со­кой плот­но­сти упа­ков­ки ап­па­ра­ты с мем­бра­на­ми в ви­де по­лых во­ло­кон ис­поль­зу­ют в ус­та­нов­ках боль­шой про­из­во­ди­тель­но­сти, напр. в оп­рес­ни­тель­ных. Осн. тре­бо­ва­ния к ап­па­ра­там для М. п. р.: вы­со­кая плот­ность упа­ков­ки мем­бра­ны; рав­но­мер­ное рас­пре­де­ле­ние раз­де­ляе­мой сме­си вдоль по­верх­но­сти мем­бра­ны; соз­да­ние от­но­си­тель­но вы­со­ких ско­ро­стей дви­же­ния раз­де­ляе­мых сме­сей от­но­си­тель­но мем­бра­ны с це­лью умень­ше­ния влия­ния кон­цен­тра­ци­он­ной по­ля­ри­за­ции; гер­ме­тич­ность; проч­ность; про­сто­та сбор­ки и мон­та­жа; на­дёж­ность в экс­плуа­та­ции.

М. п. р. ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в разл. тех­но­ло­гич. опе­ра­ци­ях хи­мич. и неф­те­хи­мич. пром-сти (в т. ч. при очи­ст­ке и кон­цен­три­ро­ва­нии рас­тво­ров, раз­де­ле­нии близ­ко­ки­пя­щих ком­по­нен­тов, азео­троп­ных и не­тер­мо­стой­ких сме­сей; от­де­ле­нии вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных ве­ществ от низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ных рас­тво­ри­те­лей; во­до­под­го­тов­ке и глу­бо­кой очи­ст­ке сточ­ных вод), а так­же в разл. про­цес­сах пи­ще­вой и мик­ро­био­ло­гич. пром-сти, в ме­ди­ци­не и пр.