Мембранные методы разделения смесей. Мембранная технология Мембранная технология разделения

К мембранным методам разделения относятся:

1. Диализ и электродиализ.

2. Обратный осмос.

3. Микрофильтрация.

4. Ультрафильтрация.

В основе этих методов лежит явление осмоса - диффузии раство­ренных веществ через полупроницаемую перегородку, представляю­щую собой мембрану с большим количеством (до 10 10 -10 11 на 1 м 2) мелких отверстий - пор, диаметр которых не превышает 0,5 мкм.

Под мембраной обычно принято понимать высокопористую или беспористую плоскую или трубчатую перегородку, оформленную из полимерных или неорганических материалов и способную эффективно разделять частицы различных видов (ионы, молекулы, макромолекулы и коллоидные частицы), находящиеся в смеси или растворе. Использо­вание мембран позволяет создавать экономически высокоэффективные и малоотходные технологии.

Среди мембранных процессов особенно интенсивно развиваются баромембранные. Если обратный осмос изучен достаточно полно, то существенно в меньшей мере это касается микрофильтрации и тем бо­лее ультрафильтрации, несмотря на ее очевидную перспективность. Границы баромембранных методов разделения четко не определены, что, по видимому, принципиально невозможно, поскольку микро- и ультрафильтрация и обратный осмос в широких пределах перекрываются как в отношении их физико-химического описания, так и решае­мых задач. Следовательно, приведенная классификация барометриче­ских методов разделения в значительной мере условна. Тем не менее, каждый из указанных методов имеет свои характерные особенности, на основании которых предложено несколько их классификаций.

Микрофильтрация, в основном, является гидродинамическим процессом, близким к обычной фильтрации. Специфическая особен­ность микрофильтрации - использование мембран с диаметром пор от 0,1 до 10 мкм для отделения мелких частиц твердой фазы, в том числе микроорганизмов, в этом случае ее называют стерилизующей фильт­рацией. Поэтому в отличие от процесса фильтрации при микрофильт­рации явления диффузии (особенно при небольших размерах пор от 0,1 до 0,5 мкм) также играют определенную роль.

В основе ультрафильтрации лежит использование мембран с диа­метром пор от 0,001 до 0,1 мкм. Ультрафильтрация применяется для разделения клеток и молекул.

Мембранные методы разделения, применительно к биологическим суспензиям, обладают рядом преимуществ.

1. Концентрирование и очистка осуществляются без изменения аг­регатного состояния и фазовых превращений.

2. Перерабатываемый продукт не подвергается тепловым и хими­ческим воздействиям.

3. Механическое и аэродинамическое воздействие на биологиче­ский материал незначительно.

4. Легко обеспечиваются герметичность и асептические условия.

5. Аппаратурное оформление компактно по конструкции, отсутст­вуют движущиеся детали.

6. Процесс не обладает высокой энергоемкостью, в большинстве случаев энергия затрачивается только на перекачивание растворов.

Механизм переноса атомов, молекул или ионов различных веществ через полупроницаемые мембраны может быть объяснен одной из сле­дующих теорий.

Теория просеивания предполагает, что в полупроницаемой мем­бране существуют поры, размеры которых достаточны для того, чтобы пропускать растворитель, но слишком малы для того, чтобы пропус­кать молекулы или ионы растворенных веществ.

Теория молекулярной диффузии основана на неодинаковой рас­творимости и на различии коэффициента диффузии разделяемых ком­понентов в полимерных мембранах. Теория капиллярно-фильтрационной проницаемости основана на различии физико-химических свойств граничного слоя жидкости на поверхности мембраны и раствора в объеме.

Из предложенных теорий, получила распространение капиллярно-фильтрационная модель.

Основным рабочим органом мембранных аппаратов являются по­лупроницаемые мембраны. Мембраны должны обладать высокой раз­делительной способностью или селективностью, высокой удельной производительностью или проницаемостью, постоянством своих ха­рактеристик в процессе эксплуатации, химической стойкостью в раз­деляющей среде, механической прочностью, невысокой стоимостью. Селективность и проницаемость - это наиболее важные технологиче­ские характеристики мембран и аппарата в целом.

Селективность мембраны зависит от размера и формы молекул растворенного вещества. Следует иметь в виду, что практически во всех случаях существуют молекулы, задерживаемые мембраной лишь частично. Мембраны изготавливают из различных материалов: поли­мерных пленок, стекла, керамики, металлической фольги и т.п. Широ­кое распространение получили мембраны из полимерных пленок.

Полупроницаемые мембраны бывают пористые и непористые. Че­рез непористые мембраны процесс осуществляется за счет молекуляр­ной диффузии. Такие мембраны называются диффузионными и при­меняются для разделения компонентов с близкими свойствами. Порис­тые мембраны изготавливаются в основном из полимерных материалов и могут быть анизотропными и изотропными.

Пористые мембраны получают обычно путем удаления растворите­лей или вымыванием предварительно введенных добавок из растворов полимеров при их формировании. Полученные таким образом мембра­ны имеют тонкий 0,25-0,5 мкм поверхностный слой на микропористой подложке толщиной 100-250 мкм. Процесс мембранного разделения осуществляется в поверхностном активном слое, а подложка обеспечи­вает механическую прочность мембраны.

Широкое распространение получили ядерные мембраны, или нуклеопоры. Эти мембраны образуются облучением тонких полимерных пленок, заряженными альфа-частицами с последующим травлением пор химическими реагентами.

К основным достоинствам ядерных мембран относятся:

Правильная круглая форма пор;

Возможность получить мембраны с заранее заданными разме­рами и числом пор;

Одинаковый размер пор;

Химическая стойкость.

Ядерные мембраны изготавливают на основе покарбонатных пле­нок с диаметром пор от 0,1 до 8 мкм.

Наряду с полимерными известны мембраны с жесткой структурой:

металлические, из пористого стекла, керамики.

Металлические мембраны изготавливают выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава фольги. При этом получают высокопористые мембраны с порами одинакового размера - в пределах 5- 0,1 мкм.

Другой способ получения металлических мембран - спекание ме­таллического порошка при высоких температурах методом порошко­вой металлургии.

Недостатки мембранных методов разделения:

1. Некоторые материалы, из которых изготавливаются мембраны, быстро изнашиваются.

2. Возникают определенные трудности при обработке растворов, содержащих твердую фазу.

Тем не менее, следует отметить перспективность применения мем­бранных методов разделения в технологии микробиологического син­теза.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СЕЛЕКТИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ И СУСПЕНЗИЙ НА ПОРИСТЫХ МЕМБРАНАХ

К основным мембранным методам разделения жидких систем отно­сятся обратный осмос, ультра- и микрофильтрация. Эти методы харак­теризуются такими общими чертами, как использование полупрони­цаемых, т.е. по-разному пропускающих разные компоненты растворов и суспензий, мембран, применение в качестве движущей силы процес­са избыточного давления, способы борьбы с концентрационной поля­ризацией.

Деление указанных методов является в значительной степени ус­ловным и базируется, как правило, на размерах фильтруемых объектов и размерах пор соответствующих полупроницаемых мембран.

Более отчетливо следует разграничить методы ультра- и микро­фильтрации по фазовым состояниям разделяемых систем (соответст­венно, растворы и суспензии), а методов ультрафильтрации и обратно­го осмоса по механизму проницаемости (вязкое течение и активиро­ванная диффузия).

Можно приблизительно определить, что обратноосмотические мембраны могут задерживать частицы размером более 1-10 -4 мкм, т.е. гидратированные неорганические ионы, а ультрафильтрация наиболее эффективна для частиц размером более 1-10 -3 мкм, т.е. ультрафильтра-ционные мембраны могут задерживать органические молекулы и ионы. Соответственно, микрофильтрация позволяет эффективно задерживать частицы от 5-10 -2 до 10 мкм, те которые не осаждаются из растворов в поле гравитационных сил.

Тем не менее, четко определить границы применения различных мембранных методов не представляется возможным как из-за общно­сти физических явлений, лежащих в основе данных методов, так и ввиду широкого спектра свойств и природы разделяемых баромембранными процессами веществ.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОФИЛЬТРАЦИИ

Разделение растворов и суспензий методом микрофильтрации ос­новано на различии и эффективных гидродинамических размерах раз­деляемых молекул и частиц. Процесс разделения описывается в рамках различных теорий и механизмов полупроницаемости, учитывающих влияние физико-химических, гидродинамических и межмолекулярных факторов на прохождение частиц через мембраны.

Как правило, анализ и расчет процессов ультра- и микрофильтра­ции проводится с единых позиций. Такой подход правомерен, если учесть, что протекание этих процессов обычно сопровождается обра­зованием слоя осадка на мембране, оказывающего основное сопротив­ление массопереносу. Образование этого осадка и его свойства могут быть описаны едиными зависимостями.

Поверхностные явления на границе мембрана-раствор, свойства раствора и растворенного вещества (для микрофильтрации - свойства диспергированных частиц) оказывают существенное влияние на про­цесс ультра- и микрофильтрации.

Объект применения микрофильтрации - как правило, коллоидные (дисперсные) системы, имеющие дисперсную среду («растворитель») и дисперсную фазу (частицы, взвешенные в растворителе). В разделе­нии этих фаз часто и состоит задача проведения микрофильтрации жидкостей.

Важнейшую роль во всех процессах разделения мембранных игра­ют адгезионные и электростатические взаимодействия частиц с по­верхностью мембраны.

Биологические клеточные объекты представляют собой типичные лиофильные системы. Для них, в отличие от лиофобных систем, харак­терно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы с дисперсной средой. Такое взаимодействие приводит к образо­ванию сольватных гидратных (в случае, если дисперсионной средой является вода) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг час­тиц дисперсной фазы. Кроме этого, клетки микроорганизмов обладают зарядом (электрокинетический потенциал - ЭКП), величина которого различна у разных микроорганизмов. Для одного и того же вида мик­роорганизмов величина заряда меняется в зависимости от условий сре­ды и процессов, происходящих в самой клетке. Наличие у клеток за­ряда позволяет рассматривать биологические суспензии как растворы электролитов.

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

При разделении растворов и суспензий с помощью полупроницае­мых мембран, через мембрану преимущественно проходит раствори­тель. При этом концентрация растворенного вещества в пограничном слое у поверхности мембраны увеличивается. Повышение концентра­ции происходит до тех пор, пока под действием возникающего гради­ента концентраций растворенного вещества между поверхностью мем­браны и объемом раствора не установится динамическое равновесие.

Явление образования у поверхности мембраны пограничного слоя, в котором концентрация растворенного вещества больше, чем в основ­ном объеме раствора, получило название концентрационной поляриза­ции. Влияние концентрационной поляризации на фильтрацию всегда отрицательно по следующим причинам:

Снижается эффективное давление вследствие увеличения осмоти­ческого давления раствора, определяемого концентрацией именно в пограничном слое. Это приводит к снижению, как скорости процесса, так и селективности, сокращается срок службы мембран, который в значительной степени зависит от концентрации растворенного вещества.

Концентрационная поляризация связана с образованием погранич­ного слоя, отделяющего поверхность мембраны от раствора в объеме. Толщина этого слоя в общем случае определяется гидродинамически­ми условиями в установке - интенсивностью перемешивания и скоро­стью движения потока. Профиль концентрации этого слоя зависит от режима движения раствора.

Различают два режима концентрационной поляризации:

Предгелевый, когда концентрация у поверхности мембраны Cw ниже концентрации гелеобразования Cg;

Режим гелевой поляризации, когда Cw==Cg, и на мембране образу­ется слой геля.

Образование геля на поверхности мембраны приводит к резкому падению проницаемости и росту задерживающей способности микрофильтрационных мембран. Однако существует предположение, что снижение проницаемости при концентрационной поляризации мем­браны достигается не полной блокировкой ее пор слоем геля, а их мо­дификацией гелем таким образом, что эффективные размеры всех пор уменьшаются на некоторую постоянную величину R. Образу­ется так называемая динамическая гелевая мембрана. При этом в уменьшенных порах мембраны реализуется классический капиллярно-фильтрационный механизм разделения.

Считается также, что для возникновения концентрационной поля­ризации размеры фильтруемых частиц должны обеспечивать «крити­ческое» отношение размеров частицы и поры, характеризующее пере­ход из предгелевого в гелевый режим концентрационной поляризации вследствие увеличения коэффициента задержания.

Для уменьшения вредного влияния концентрационной поляризации на процесс микрофильтрации используют различные способы: повы­шают температуру (вследствие чего снижается вязкость и увеличива­ется концентрация гелеобразования), применяют электрическое поле, употребляют высокие скорости тангенциального потока и пульсационные режимы фильтрации.

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗДЕЛЕНИЯ

Выбор рабочего давления зависит от вида процесса, природы и концентрации разделяемого раствора, типа используемой мембраны, конструкции аппарата, гидравлического сопротивления и т. д. Для микрофильтрации рабочее давление составляет 0,03-0,1 МПа, и для каждого раствора определяется экспериментальным путем.

Увеличение рабочего давления приводит к увеличению скорости фильтрации до некоторых пределов, обусловленных тем, что увеличе­ние давления приводит и к увеличению и уплотнению слоя геля на по­верхности мембраны.

В результате воздействия высокого давления на мембраны могут наблюдаться значительные остаточные деформации: при снятии дав­ления структура мембраны не возвращается в исходное состояние. Усадка структуры мембраны снижает проницательность и повышает селективность.

Анализ данных о влиянии температуры на селективность и прони­цаемость мембран при микрофильтрации показывает, что повышение температуры приводит к увеличению и проницаемости, и селективно­сти. Это объясняется тем, что уменьшается вязкость пермеата, а также значительно снижается влияние концентрационной поляризации мем­бран.

При увеличении 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.

ЛЕКЦИЯ 4. ВАКЦИНЫ.

Вакцинация способствует формированию у реципиента иммунитета к патогенным микроорганизмам и тем самым защищает его от инфекции. В ответ на пероральное или парентеральное введение вакцины в организме хозяина вырабатываются антитела к патогенному микроорганизму, которые при последующей инфекции приводят к его инактивации (нейтрализации или гибели), блокируют его пролиферацию и не позволяют развиться заболеванию.

Эффект вакцинации открыл более 200 лет назад - в 1796 г. - врач Эдвард Дженнер. Он доказал экспериментально, что человек, перенесший коровью оспу, не очень тяжелую болезнь крупного рогатого скота, становится невосприимчивым к оспе натуральной. Натуральная оспа - высококонтагиозное заболевание с высокой смертностью: даже если больной не погибает, у него нередко возникают различные уродства, психические расстройства и слепота. Дженнер публично провел прививку коровьей оспы 8-летнему мальчику Джеймсу Фиппсу, использовав для этого экссудат из пустулы больной коровьей оспой, а затем через определенное время дважды инфицировал ребенка гноем из пустулы больного натуральной оспой. Все проявления заболевания ограничились покраснением в месте прививки, исчезнувшим через несколько дней.

Ранее такие инфекционные болезни, как туберкулез, оспа, холера, брюшной тиф, бубонная чума и полиомиелит, были настоящим бичом для человечества. С появлением вакцин, антибиотиков и внедрением мер профилактики эти эпиидемические болезни удалось взять под контроль. Однако защитные меры со временем становились неэффективными, и возникали новые вспышки заболеваний. В 1991 г. эпидемия холеры поразила Перу; в течение трех следующих лет было выявлено примерно 1 млн. заболевших, несколько тысяч из них умерли. К сожалению, против многих болезней человека и животных вакцин не существует. Сегодня во всем мире более 2 млрд. людей страдают заболеваниями, которые можно было бы предотвратить спомощью вакцинации. Вакцины могут оказаться полезными и для профилактики постоянно появляющихся «новых» болезней (например, СПИДа).

Как правило, современные вакцины создают на основе убитых (инактивированных) патогенных микроорганизмов либо живых, но невирулентных (аттенуированных) штаммов. Для этого штамм дикого типа выращивают в культуре, очищают, а затем инактивируют или модифицируют таким образом, чтобы он вызывал иммунный ответ, достаточно эффективный в отношении вирулентного штамма. Несмотря на значительные успехи в создании вакцин против таких заболеваний, как краснуха, дифтерия, коклюш, столбняк, оспа и полиомиелит, производство современных вакцин сталкивается с целым рядом ограничений:

Не все патогенные микроорганизмы удается культивировать, поэтому для многих заболеваний вакцины не созданы.

Для получения вирусов животных и человека необходима дорогостоящая культура животных клеток.

Титр вирусов животных и человека в культуре и скорость их размножения часто бывают очень низкими, что удорожает производство вакцин.

Необходимо строго соблюдать меры предосторожности, чтобы не допустить инфицирования персонала.

При нарушении производственного процесса в некоторые партии вакцины могут попасть живые или недостаточно ослабленные вирулентные микроорганизмы, что может привести к неумышленному распространению инфекции.

Аттенуированные штаммы могут ревертировать к исходному штамму, поэтому необходимо постоянно контролировать вирулентность.

Некоторые заболевания (например, СПИД) нельзя предупреждать с помощью традиционных вакцин.

Большинство современных вакцин имеют ограниченный срок годности и сохраняют активность только при пониженной температуре, что затрудняет их использование в развивающихся странах.

В последнее десятилетие, с развитием технологии рекомбинантных ДНК, появилась возможность создать новое поколение вакцин, не обладающих недостатками традиционных вакцин. Для их разработки применяют методы генной инженерии.

Патогенный микроорганизм модифицируют, делетируя гены, ответственные за вирулентность. Способность вызывать иммунный ответ при этом сохраняется. Такой микроорганизм можно безбоязненно использовать в качестве живой вакцины, поскольку выращивание в чистой культуре исключает возможность спонтанного восстановления целого гена.

Создают живые непатогенные системы переноса отдельных антигенных детерминант неродственного патогенного организма. Такая система переноса способствует развитию выраженного иммунного ответа на патогенный микроорганизм.

Если патогенные микроорганизмы не растут в культуре, можно изолировать, клонировать и экспрессировать в альтернативном хозяине (например, в Е. coli или линии клеток млекопитающих) гены тех белков, которые содержат основные антигенные детерминанты, и использовать эти белки как «субъединичные» вакцины (см. следующий раздел).

Некоторые патогенные микроорганизмы действуют опосредованно, вызывая развитие аутоиммунной реакции на инфицированные клетки организма-хозяина. Для таких заболеваний можно создать систему специфического уничтожения клеток-мишеней, сконструировав ген, кодирующий химерный белок, одна часть которого будет связываться с инфицированной клеткой, а другая - уничтожать ее. Эта система не является истинной вакциной, хотя она и действует только на инфицированные клетки, устраняя саму причину развития аутоиммунной реакции.

К вакцинам для животных предъявляются менее жесткие требования, поэтому первыми вакцинами, полученными с помощью технологии рекомбинантных ДНК, были вакцины против ящура, бешенства, дизентерии и диареи поросят. Создаются и другие вакцины для животных, а в скором времени появятся и рекомбинантные вакцины, предназначенные для человека.

ГОСТ Р ИСО 15859-7-2010

Группа Л21

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИЕ

Характеристики, отбор проб и методы анализа текучих сред

Часть 7

РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО НА ОСНОВЕ ГИДРАЗИНА

Space systems. Fluid characteristics, sampling and methods of analysis. Part 7. Hydrazine propellant

ОКС 71.080.30*
ОКП 24 7640
________________
* В ИУС 10-2011 приводится с ОКС 49.140. -
Примечание изготовителя базы данных.

Дата введения 2012-01-01

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании" , а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН ФГУП "ВНИЦСМВ" на основе собственного аутентичного перевода на русский язык стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 339 "Безопасность сырья, материалов и веществ"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21 декабря 2010 г. N 930-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 15859-7:2004* "Системы космические. Характеристики, отбор проб и методы анализа текучих сред. Часть 7. Ракетное топливо на основе гидразина" (ISO 15859-7:2004 "Space systems - Fluid characteristics, sampling and test methods - Part 7: Hydrazine propellant").
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей . - Примечание изготовителя базы данных.

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации и межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ


Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Введение

Введение

При операциях с ракетным топливом на основе гидразина на космодроме или месте запуска космических судов могут быть задействованы несколько операторов и интерфейсов поставщик-потребитель на пути от завода-изготовителя до доставки к ракете-носителю или космическому кораблю. Цель настоящего стандарта заключается в установлении единых требований к компонентам, методам отбора проб и методам анализа ракетного топлива на основе гидразина, используемого при обслуживании космических судов и оборудования наземного базирования. Установленные ограничения по составу ракетного топлива на основе гидразина предназначены для определения чистоты и пределов примесей ракетного топлива на основе гидразина для заправки в космические аппараты и корабли. Методы отбора проб и методы анализа ракетного топлива на основе гидразина адаптированы для применения любым оператором. Методы отбора проб и методы анализа ракетного топлива на основе гидразина приемлемы для осуществления контроля за предельными значениями ракетного топлива на основе гидразина.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на безводный гидразин, используемый в качестве ракетного топлива в космических системах, а также в оборудовании летательных аппаратов и средствах, системах и оборудовании наземного базирования, следующих сортов:

- стандартное топливо: обычное производство и контроль качества (пригодно для большинства назначений);

- однокомпонентное топливо: обычное топливо со строгим контролем содержания примесей (предназначено только для ракетных двигателей, работающих на однокомпонентных каталитических топливах в случаях, когда желательно продление срока годности катализатора);

- топливо высокой чистоты: специальное производство со строгим контролем количества примесей.

Настоящий стандарт распространяется на отбор проб, необходимый для того, чтобы удостовериться, что ракетное топливо на основе гидразина при поступлении в ракету-носитель или космический аппарат или корабль по составу соответствует пределам, установленным в настоящем стандарте или технической документации, согласованных для конкретного применения.

Настоящий стандарт устанавливает предельные значения содержания компонентов и физические свойства безводного гидразина (NH) и требования к методам отбора проб и методам анализа для контроля состава безводного гидразина.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий международный стандарт*:
_______________
* Для датированных ссылок используют только указанное издание стандарта. В случае недатированных ссылок - последнее издание стандарта, включая все изменения и поправки.
Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.


ИСО 9000 Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь (ISO 9000, Quality management systems - Fundamentals and vocabulary)

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ИСО 9000, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 твердые частицы (particulate) (сорт стандартное топливо): Нерастворимые частицы, остающиеся на фильтровальной бумаге, номинальным размером 10 и 40 мкм.

3.2 твердые частицы (particulate) (сорта однокомпонентное топливо и топливо высокой чистоты): Нерастворимые частицы, остающиеся на фильтровальной бумаге, номинальным размером 2 и 10 мкм.

3.3 контрольное испытание (verification test): Анализ, выполняемый на текучей среде в контейнере или на пробе из контейнера, которая является представительной от поставки, позволяющий проверить предельные значения химического состава ракетного топлива на основе гидразина.

4 Химический состав и физические свойства

4.1 Химический состав

Если другого не предусмотрено в применяемой технической документации, химический состав ракетного топлива на основе гидразина, поставляемого к летательному аппарату, должен соответствовать пределам, установленным в таблице 1, при испытании в соответствии с применяемыми методами анализа.


Таблица 1 - Пределы по химическому составу ракетного топлива на основе гидразина

Показатель	Предельное значение
	Стандартное топливо	Однокомпонентное топливо	Топливо высокой чистоты
Массовая доля гидразина, %, не менее
Массовая доля воды, %, не более
Массовая доля аммиака, %, не более
Твердые частицы, %, не более
Массовая доля хлоридов, %, не более
Массовая доля анилина, %, не более
Массовая доля железа, %, не более
Массовая доля нелетучего осадка, %, не более
Массовая доля диоксида углерода, %, не более
Массовая доля других летучих компонентов, содержащих углерод, %, не более
Общее содержание в пересчете на монометилгидразин (ММГ), несимметричный диметилгидразин (НДМГ) и спирт.

4.2 Физические свойства

Ракетное топливо при визуальном осмотре в проходящем свете должно представлять собой бесцветную, гомогенную жидкость.

5 Поставка

Гидразин сортов, установленных в разделе 1, следует поставлять в соответствии с настоящим стандартом.

6 Отбор проб

Предупреждение - Гидразин в жидком и газообразном состояниях является огнеопасным, токсичным, летучим топливом и обладает высокой реакционной способностью при контакте с окислителем. Следует соблюдать осторожность при обращении с гидразином и его хранении, использовать защитные средства, а также избегать контакта с материалами, не совместимыми с гидразином.

6.1 План отбора проб

Чтобы обеспечить соответствие химического состава ракетного топлива на основе гидразина предельным значениям, установленным настоящим стандартом, необходимо всем задействованным операторам выработать план отбора проб гидразина от производства до заправки в космический корабль и утвердить его у конечного пользователя. Отбор проб и методы анализа должны соответствовать всем регламентам и правилам по безопасности. Этот план должен устанавливать:

- точки отбора проб;

- методики отбора проб;

- частоту проведения отбора проб;

- объем проб;

- количество проб;

- методы анализа;

- ответственность за отбор проб каждого оператора.

6.2 Ответственность за отбор проб

Если другого не установлено в применяемой технической документации, то поставщик, ответственный за обеспечение летательного аппарата топливом на основе гидразина, должен отобрать пробы и провести проверку качества гидразина, подаваемого к летательному аппарату поставщиком. Поставщик может использовать свои или другие ресурсы, подходящие для выполнения контрольных анализов, установленных в настоящем стандарте, если нет других указаний от потребителя.

6.3 Точки отбора проб

Если другого не предусмотрено, то отбор проб рекомендуется осуществлять в месте хранения ракетного топлива на основе гидразина или перед заправкой в летательный аппарат.

6.4 Частота проведения отбора проб

Отбор проб должен выполняться ежегодно или в соответствии с графиком, согласованным между поставщиком и потребителем.

6.5 Объем проб

Количество топлива на основе гидразина в одном контейнере для проб должно быть достаточным для проведения анализа по предельным показателям. Если одна отдельная проба содержит недостаточно топлива на основе гидразина для выполнения всех анализов, необходимых для подтверждения качества, следует отобрать дополнительные пробы в аналогичных условиях.

6.6 Количество проб

Количество проб должно соответствовать следующему:

a) одна проба - из контейнера для хранения;

b) любое количество проб - по согласованию между поставщиком и потребителем.

6.7 Контейнер для хранения

Если другого не предусмотрено в применяемом плане отбора проб, контейнер для хранения нельзя снова заполнять после того, как проба отобрана.

6.8 Жидкие пробы

Жидкие пробы должны быть типичными пробами от поставки жидкого гидразина. Пробы должны быть отобраны одним из следующих методов:

a) путем заполнения контейнера для проб и контейнеров для хранения одновременно от одного и того же коллектора и в одних и тех же условиях с использованием одной и той же методики;

b) путем извлечения пробы из поставленного контейнера через удобное соединение с контейнером для проб. Между поставленным контейнером и контейнерами для проб не допускается применение регулятора давления (допускаются подходящие продувочные и дренажные клапаны). Для обеспечения безопасности контейнер для проб и система отбора проб должны иметь расчетное эксплуатационное давление, равное не менее чем давлению в поставляемом контейнере.

6.9 Браковка

Если любая проба ракетного топлива на основе гидразина, испытанная в соответствии с разделом 7, не соответствует требованиям, установленным в настоящем стандарте, ракетное топливо на основе гидразина, представленное этой пробой, должно быть забраковано. Порядок утилизации забракованного ракетного топлива на основе гидразина устанавливает потребитель.

7 Методы анализа

7.1 Общие положения

Поставщик должен обеспечивать уровень качества гидразина. Альтернативные методы анализа описаны в 7.3-7.12. Другие методы анализа, не приведенные в настоящем стандарте, приемлемы при согласовании между поставщиком и потребителем.

Эти испытания представляют собой отдельный анализ или серию анализов, выполняемых на ракетном топливе на основе гидразина, чтобы подтвердить способность складских мощностей обеспечивать требуемый уровень качества. Это можно проконтролировать с помощью анализа представительных проб ракетного топлива на основе гидразина, отбираемых со складов через определенные промежутки времени по согласованию между поставщиком и потребителем. Испытания могут выполняться поставщиком или лабораторией, выбранной по согласованию между поставщиком и потребителем.

Требования к анализам должны включать определение всех показателей гидразина, имеющих ограничения.

7.2 Параметры анализа

Параметры аналитических методов, представленных в разделах 7.3-7.12, следующие:

- чистота и содержание примесей должны быть выражены в процентах по массе (% масс.), если другого не предусмотрено;

- градуировочные стандартные образцы газа, содержащие применяемые жидкие компоненты, могут потребоваться для градуировки аналитических измерительных приборов, используемых для определения предельных показателей ракетного топлива на основе гидразина;

- по требованию потребителя точность используемого измерительного оборудования при подготовке этих стандартных образцов должна быть подтверждена официальным институтом стандартов;

- аналитическое оборудование должно применяться в соответствии с инструкциями изготовителя.

7.3 Чистота гидразина

Чистоту гидразина определяют методом газовой хроматографии. Данный метод можно использовать для определения не только чистоты гидразина, но также для определения содержания воды, аммиака, анилина и других летучих содержащих углерод компонентов (приложение А.) Анализатор должен обеспечивать разделение и обнаружение компонента с чувствительностью, составляющей 10% установленного максимального содержания этого компонента. Анализатор должен быть градуирован в соответствующих диапазонах с применением градуировочных стандартных образцов.

Содержание твердых частиц определяют методом гравиметрического измерения. Известный объем топлива фильтруют через предварительно взвешенный испытательный мембранный фильтр и определяют увеличенную массу мембранного фильтра после промывки и просушивания. Также определяют изменение массы контрольного мембранного фильтра, расположенного под испытательным мембранным фильтром. Количество твердых частиц определяют по увеличению массы испытательного мембранного фильтра по отношению к контрольному мембранному фильтру.

a) методом ионной хроматографии;

b) колориметрическим методом с тиоцианатом ртути;

c) потенциометрическим методом с использованием хлоридселективного электрода;

d) потенциометрическим методом с использованием титрования нитратом серебра.

Содержание хлоридов нельзя определить прямым методом в пробе жидкого гидразина, но можно определить в нелетучем остатке после растворения его в водном растворе кислоты.

a) методом газовой хроматографии по 7.3;

b) методом ультрафиолетовой спектроскопии для гидразина сорта однокомпонентное топливо.

a) методом атомной абсорбции;

b) колориметрическим методом;

c) методом эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой аргона.

Содержание железа нельзя определить прямым методом в пробе жидкого гидразина, но можно определить в нелетучем остатке после растворения его в водном растворе кислоты.

Пробу необходимо ввести в сильную кислоту, чтобы абсорбировать компоненты гидразина и аммиака и высвободить диоксид углерода. Затем содержание диоксида углерода определяют одним из следующих методов:

a) методом газовой хроматографии. Методика должна быть избирательной для разделения и анализа диоксида углерода;

b) методом инфракрасного анализа;

c) колориметрическим методом, избирательным к СO.

7.12 Содержание других летучих компонентов, содержащих углерод

Приложение А (справочное). Применение газовой хроматографии (ГХ)

Приложение А
(справочное)

Газовую хроматографию (ГХ) рекомендуется использовать в качестве контрольного или предпочтительного метода для анализа примесей гидразина, например содержания аммиака и воды, анилина (для сорта топливо высокой чистоты), другого летучего материала, содержащего углерод и диоксид углерода для контроля чистоты гидразина.

В таблице А.1 указано применение этих методов для анализа гидразина.


Таблица А.1 - Применение ГХ

Показатель	ГХ с детектором TCD на колонке Tenax GC или ПЭГ (или аналогичной)	ГХ с детектором FID на колонке с Tenax GC или Apiezon L/AT200 или на капиллярной колонке с широким отверстием (Carbowax 20М) (или аналогичной)	ГХ с детектором FID на колонке с Tenax GC или ПЭГ1540 или ПЭГ 400 (или аналогичной)	ГХ с детектором TCD и криогенной ловушкой и колонкой на активированном угле или Porapak (или аналогичной)
Чистота гидразина
Аммиак
Анилин (высокая степень чистоты)
Другие летучие углеродсодержащие компоненты
Диоксид углерода
Набивка колонки Tenax GC ®, Apiezon ® L/AT200, Carbowax® 20М и Porapak® являются примерами подходящего материала, имеющегося в продаже. Эта информация приведена для удобства пользователей настоящего стандарта. Примечание - В настоящей таблице использованы следующие обозначения: TCD - детектор теплопроводности; ПЭГ - полиэтиленгликоль; FID - пламенно-ионизационный детектор; "X" - метод можно использовать; "-" - метод не используют.

Приложение ДА (справочное). Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов ссылочным национальным стандартам Российской Федерации (и действующим в этом качестве межгосударственным стандартам)

Приложение ДА
(справочное)

Таблица ДА.1

Обозначение ссылочного международного стандарта	Степень соответствия	Обозначение и наименование соответствующего национального стандарта
Примечание - В настоящей таблице использовано следующее условное обозначение степени соответствия стандартов: IDT - идентичные стандарты.

Электронный текст документа
подготовлен ЗАО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2011

Токарь А.Ю.

Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ

Аннотация

В статье рассмотрена сущность мембранных процессов разделения через знакомство с основными публикациями в периодических научных изданиях, ознакомление с учебно-методической литературой по данной тематике.

Ключевые слова: мембранные процессы, разделение жидких и газовых смесей, мембраны.

Tokar A. J.

St. Petersburg State Technological Institute (technical university)

MEMBRANE SEPARATION PROCESS

Abstract

The article discusses the essence of membrane separation processes through familiarity with basic publications in scientific periodicals, familiarization with instructional literature on the subject.

Keywords: membrane processes, the separation of liquid and gas mixtures, the membrane.

Процессы разделения жидких и газообразных систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Так, для осуществления процессов разделения жидких смесей, например, применяют такие методы как перегонка, ректификация, экстракция, адсорбция и др. Однако наиболее универсальным методом разделения является разделение с использованием полупроницаемых мембран (мембранные методы) .

Значение мембранной технологии в последние годы резко возросло, прежде всего, как технологии, способной навести мост через пропасть, разделяющую промышленность и экологию.

Глобальный характер воздействия и влияния мембранной технологии на реализацию других российских и мировых научно-технологических приоритетов в последнее время получили свое дальнейшее подтверждение. Критическая технология федерального уровня «Мембраны» вошла в 17 приоритетных для российской науки направлений, в которых российские ученые опережают мировой уровень, причем без использования мембранных процессов невозможно обеспечить поддержание необходимого научно-технического уровня в 12 приоритетах. К этому необходимо добавить серьезные возможности мембранных процессов в решении важнейшей задачи современного этапа развития нашего общества – технологического обновления отечественной промышленности .

Жизненная необходимость широкомасштабного внедрения мембранных процессов определяется многими факторами и, прежде всего, их прямым влиянием на обеспечение национально-экономических проблем и перспективах их практического использования.

За последние десятилетия мембранные методы разделения интенсивно развиваются и реализуются в самых различных сферах деятельности человека. Особенно широко эти методы используются для опреснения соленых вод. Так, в 1980 г. более половины всей опресненной воды на земле получали мембранными методами, причем производительность некоторых мембранных установок достигла нескольких десятков тысяч м 3 опресненной воды в сутки .

В химической и нефтехимической промышленности мембранные методы применяют для разделения смесей высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, азеотропных смесей, для выделения гелия и водорода из природных газов, кислорода из воздуха и т.п. .

В пищевой промышленности – для получения высококачественного сахара, пастеризации пива, стабилизации виноградных вин, переработки и консервирования молока с целью получения основных молочных продуктов; консервирования фруктовых и овощных соков и т.п. .

В биотехнологии и медицинской промышленности – для выделения и очистки биологически активных веществ, вакцин, ферментов и т.п.; в пищевой промышленности – для концентрирования фруктовых и овощных соков, молока, получения высококачественного сахара и т. п. .

Наиболее широкое применение мембранные процессы находят при обработке воды и водных растворов, очистке сточных вод .

Весьма перспективно применение полупроницаемых мембран для проведения экологического мониторинга, осуществления контроля и прогноза за состоянием окружающей среды, при освоении космоса и вод мирового океана.

Ведутся работы по созданию синтетических мембран, способствующих воспроизведению некоторых из фотохимических реакций. Происходящих в зеленых растениях. При этом главная задача состоит не столько в получении углеводов, протеинов, жиров, нуклеиновых кислот, производимых при участии природных мембран, сколько в получении водорода и других «энергетических» веществ. Эти мембраны быть способны с помощью энергии солнечного света расщеплять воду и производить водород, который можно накапливать и использовать в качестве топлива .

Дальнейшая широкая реализация мембранных процессов связана с необходимостью разработки аналитических и графоаналитических методов расчета аппаратуры для их осуществления, разработки нормалей, номограмм, стандартов, справочных и систем для решения конкретных технологических задач, а также создания методов оптимизации мембранной аппаратуры с применением электронно-вычислительной техники .

Конечно, краткий перечень основных направлений использования мембранных методов далеко не исчерпывает всех возможных областей их применения.

Расчеты и накопленный большой фактический материал показывают, что применение полупроницаемых мембран может дать значительный экономический эффект в сложившихся традиционных производствах, открывает широкие возможности для создания принципиально новых, простых, малоэнергоемких и экологически чистых технологических схем (особенно при сочетании с такими широко распространенными методами разделения, как ректификация, адсорбция, экстракция и др.).

Однако еще не решены все проблемы исследования мембран и мембранных процессов. Актуальной задачей и сейчас остается разработка теории направленного получения мембран с заранее заданными свойствами и технологический расчет мембранных процессов и аппаратов.

Целью данной работы явилось всестороннее изучение сущности мембранных процессов разделения через знакомство с основными публикациями в периодических научных изданиях, ознакомление с учебно-методической литературой по данной тематике.

Мембранная технология – это одно из новых направлений развития химических технологических процессов, целью которых является разделение жидких и газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран.

Процессы мембранного разделения смесей осуществляются с помощью полупроницаемых мембран. Движущей силой мембранного процесса может быть: градиент химического (для незаряженных частиц потока) или электрохимического (для заряженных частиц потока) потенциала, а также градиент фактора, определяющего скорость данного процесса (давление, температура и т.д.). Процессы мембранного разделения характеризуются параметрами: проницаемостью и селективностью. Основные мембранные методы разделения : обратный осмос, ультрафильтрация, первопарация, диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов .

Механизм переноса атомов, молекул или ионов различных веществ через полупроницаемые мембраны может быть объяснен следующими теориями .

Теория просеивания предполагает, что в полупроницаемой мембране существуют поры, размеры которых достаточны для того, чтобы пропускать растворитель, но слишком малы для того, чтобы пропускать молекулы или ионы растворенных веществ.

Теория молекулярной диффузии основана на неодинаковой растворимости и на различии коэффициентов диффузии разделяемых компонентов в полимерных мембранах.

Теория капиллярно-фильтрационной проницаемости основана на различии физико-химических свойств граничного слоя жидкости на поверхности мембраны и раствора в объеме .

Основными факторами, существенно влияющими на скорость и селективность мембранных процессов разделения, являются: концентрационная поляризация, рабочее давление и температура, гидродинамические условия внутри мембранного аппарата, природа и концентрация разделяемой смеси .

Мембраны должны удовлетворять следующим основным требованиям, а именно, обладать: высокой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной производительностью (проницаемостью); химической стойкостью к действию среды разделяемой системы; механической прочностью, достаточной для их сохранности при монтаже, транспортировании и хранении. Кроме того, свойства мембраны в процессе эксплуатации не должны существенно изменяться. Для изготовления мембран применяют различные полимеры (ацетаты целлюлозы, полиамиды, полисульфон и др.), керамику, стекло, металлическую фольгу и др. В зависимости от механической прочности используемых материалов мембраны подразделяют на: жидкие, уплотняющиеся (полимерные), с жесткой структурой, пористые, непористые (диффузионные) .

При изучении и анализе любого мембранного процесса необходимо учитывать три основных фактора и их взаимосвязь: 1) структуру мембраны по толщине (пористая, непористая, изотропная); 2) физико-химические свойства разделяемой системы (для растворов очень важно учитывать их основные термодинамические свойства); 3) взаимодействие разделяемой смеси с материалом мембраны . Если хотя бы один из перечисленных факторов не будет учтен, можно допустить принципиальную ошибку при разработке модели механизма того или иного мембранного процесса .

В зависимости от вида основной движущей силы процесса различают следующие типы мембранных процессов : баромембранные процессы, диффузионно-мембранные процессы, электромембранные процессы, термомембранные процессы.

Баромембранные процессы обусловлены градиентом давления по толщине мембран, в основном полимерных, и используются для разделения растворов и коллоидных систем при 5-30 °С. К баромембранным относят следующие процессы: обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация .

Диффузионно-мембранные процессы обусловлены градиентом концентрации или давления по толщине пористых либо непористых мембран на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. Их используют для разделения газовых и жидких смесей.

Электромембранные процессы обусловлены градиентом электрического потенциала по толщине мембран. Среди электромембранных методов наибольшее практическое применение нашел электродиализ – разделение растворов под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его перегородки-мембраны.

Термомембранные процессы – градиентом температур по толщине пористой мембраны на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. В настоящее время наиболее полно разработан процесс мембранной дистилляции. Мембранную дистилляцию целесообразно использовать для решения следующих основных задач: концентрирование и обессоливание водных растворов электролитов; опреснение морской воды; получение воды для подпитки паровых котлов и т. п; получение особо чистой воды и апирогенной воды для медицинских целей. Процесс мембранной дистилляции проводят практически при атмосферном давлении, поэтому аппараты для этого процесса могут изготовляться из дешевых полимерных материалов. Мембраны в аппаратах для мембранной дистилляции длительное время работают без заметного их загрязнения .

Для успешного решения конкретных технологических задач, связанных с применением мембранных процессов необходимо проведение расчета мембранных установок и аппаратуры. Полный расчет включает в себя проведение технологического, гидравлического и механического отчетов с применением современного электронного программного обеспечения.

Современные аппараты для мембранных процессов подразделяют на четыре основных типа, различающихся способом укладки мембран: аппараты с плоскими мембранными элементами; с трубчатыми мембранными элементами; с мембранными элементами рулонного типа; с мембранами в виде полых волокон. Но необходимо учитывать, что для каждого конкретного процесса разделения следует подбирать аппарат такой конструкции, которая обеспечивала бы наиболее выгодные условия проведения процесса.

Литература

1. Калекин, В.С. Гидравлика и теплотехника: учеб. пособие [Текст] / В.С. Калекин, С.Н. Михайлец. Омск: ОмГТУ, 2007. 320 с.
2. Абдуллин, И.Ш. Композиционные мембраны [Текст] / И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, В.В. Парошин, О.В. Зайцева // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 15. С. 67-75.
3. Степанов, С.В. Исследования по биомембранной очистке и обессоливанию сточных вод Сызранского НПЗ [Текст] / С.В.Степанов, Ю.Е.Сташок, Н.В. Ноев // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2012. № 1. С. 55-58.
4. Хванг, С.-Т. Мембранные процессы разделения: пер. с англ. [Текст] / С.-Т. Хванг, К. Каммермейер / Под ред. Проф. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1981. 464 с.
5. Колзунова, Л.Г. Мембранные методы разделения веществ и новые мембраны для этих процессов [Текст] / Л.Г.Колзунова, В.П.Гребень, М.А.Карпенко, И.Г. Родзик // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2009. № 2. С. 13-17.
6. Лазарев, С.И. Влияние давления на формирование динамических мембран при ультрафильтрации водных растворов дрожжевых и спиртовых производств [Текст] / С.И.Лазарев, В.Л. Головашин // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2011. Т. 16. № 1. С. 227-229.
7. Остроухов, Д.В. Ультрафильтрация – революция в производстве мягких сыров [Текст] // Сыроделие и маслоделие. 2010. № 2. С. 42-43.
8. Андрианов, А.П. Мембранные методы очистки поверхностных вод [Текст] / А.П.Андрианов, Д.В.Спицов, А.Г.Первов, Е.Б. Юрчевский // Водоснабжение и санитарная техника. 2009. № 7. С. 29-37.
9. Спицов, Д.В. Использование мембранных установок для улучшения качества водопроводной воды в городских зданиях // Интернет-Вестник ВолгГАСУ. 2011. № 4 (19). С. 10.

Мембранные технологии (мембранология, мембраника) - это авангардное направление развития науки и современных технологий. Мембранные методы разделения газовых и жидких сред уже заняли прочное место среди промышленных технологических процессов, хотя полное становление и отдача мембранной науки и техники ожидаются позже.

Сущность процесса мембранного разделения состоит в следующем. Разделяемая в аппарате исходная (газовая или жидкая, бинарная или многокомпонентная) смесь веществ соприкасается с полупроницаемой мембранной с одной ее стороны, и вследствие особых свойств мембраны прошедший через нее фильтрат (пермеат - Permeate) обогащается одним из компонентов исходной смеси. Разделение может быть настолько полным, что в фильтрате практически не содержатся примеси тех компонентов исходной смеси, которые задерживаются мембраной и отводятся из аппарата с другой стороны мембраны в виде потока концентрата (ретентата - Retentate). Мембранное разделение характеризуется прежде всего следующими главными параметрами всех мембран: проницаемостью, селективностью и стабильностью во времени. Проницаемость - это удельная производительность мембраны, равная количеству фильтрата (кг/ч), через единицу поверхности мембраны (м2), или это скорость процесса мембранного разделения (кг/(м2-ч)). Селективность мембраны (фактор разделения) характеризует эффективность (полноту) процесса мембранного разделения по отношению к целевому (ключевому) компоненту. Среди существующих гипотез для описания массопереноса в мембранах используются диффузионная, капиллярная, сорбционная теории и др.

Мембраной называют пленку, плоское тело, протяженность которого по двум координатам значительно превышает протяженность по третьей координате. Мембрана исполняет роль некоторой перегородки, обеспечивающей под действием движущей силы протекание физического процесса селективного (избирательного) разделения смесей веществ. В настоящее время существует множество искусственно приготавливаемых мембран, которые могут быть представлены разнообразными структурами - от грубых типа сита до крайне тонких полимерных пленок и волокон. Они изготавливаются из различных как пористых, так и непористых органических (полимерные пленки, трубки, капилляры, полые волокна, плоские тонкие листы) и неорганических (цеолитные, углеродные, стеклянные, керамические, металлические) материалов. Это связано с тем, что универсальных мембран не существует.

Для изготовления полупроницаемых мембран применяют различные материалы: полимерные пленки (полиэтиленовые, полипропиленовые, поликар-бонатные, фторопластовые и др.); металлическую фольгу (из сплавов платины, палладия, серебра, молибдена и др.); пористые стекла (натрийборосили-катные) и др. Пористые полимерные мембраны получают обычно путем удаления растворителей или вымыванием предварительно введенных добавок из растворов полимеров при их формовании. Полученные таким способом мембраны имеют тонкий (0,25-0,50 мкм) поверхностный слой на микропористой подложке толщиной 100-200 мкм. Процесс мембранного разделения осуществляется в поверхностном активном слое, а подложка обеспечивает механическую прочность такой композитной мембраны.

Металлические пористые мембраны изготавливают выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава фольги. При этом получают высопо-ристые мембраны с порами одного диаметра в пределах 0,1-5,0 мкм. Другой способ получения пористых металлических мембран - спекание металлического мелкодисперсного порошка при высокой температуре. Пористые полимерные и металлические мембраны применяют для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации. Мембраны собираются в мембранные модули (системы); они могут быть полупроницаемыми для газов и жидкостей или непроницаемыми.

В настоящее время синтетические полимерные мембраны являются основой технологических процессов, использующих принципы мембранного разделения. Перенос вещества (массоперенос) через мембраны часто (но не всегда) происходит под действием движущей силы процесса - разности давлений по обе стороны мембраны - это так называемые баромембранные процессы разделения (Baromembrane Separation Processes): микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос. Если движущей силой является разность концентраций вещества (компонента) на границах до и после мембраны, то мембранный метод называется диализом. Мембранный метод, использующий в качестве движущей силы процесса разность электрических потенциалов по обе стороны мембраны, называется электродиализом. Диализ широко применяется в наши дни в медицине для введения в организм лекарственных веществ, помещаемых в капсулу из селективной мембраны. При этом диффузионный переход лекарства из капсулы в организм становится длительным и, главное, с постоянной концентрацией активного компонента. Широко распространен сегодня и гемодиализ - использование в медицине мембран в качестве искусственной почки, когда через мембрану токсины выводятся из организма. Диализ применяется также в промышленности для удаления кислот и оснований из сточных вод. Мембранные процессы диализа позволяют очищать сточные и производственные растворы (потоки, смеси) от ртути, свинца, цинка, меди, серебра, никеля, кадмия, хрома. Мировыми лидерами по производству мембран и мембранных элементов являются фирмы «Dow Chemical», «Filmtec», «Hydranautics», «Osmonics» (США).

Фильтрование (Filtration) - гидромеханический процесс отделения твердых частиц из газов и жидкостей. Обычное фильтрование позволяет отделить от газа или жидкости взвешенные частицы размером более 10 мкм (0,01 мм). Для осуществления этого процесса используют перепад давления до и после фильтра до 0,2 МПа, при этом давление процесса лимитируется прочностью фильтра - пористого материала (ткани, волокна, плетеные металлические сетки из тонкой проволоки и т.п.). Фильтрование применяется в технологиях практически всех отраслей промышленности.

При микрофильтрации (Microfiltration) мембранные фильтры жидких растворов имеют меньшие размеры пор, чем при обычном фильтровании, и поэтому требуется большая разность давления (до 0,5 МПа). В этом случае удается отделить из раствора частицы размером от 0,1 до 10 мкм при размере пор 0,05-10 мкм. В качестве фильтровального материала эффективно применяют мембраны на основе синтетических поликарбонатных пленок, обладающих равенством радиусов пор (изопористость). Микрофильтрация успешно применяется для получения стерильной воды (в этом случае дисперсные частицы задерживаются мембраной), для осветления и стабилизации вин, для замены пастеризации и др.

Ультрафильтрация (Ultrafiltration) позволяет отделить частицы размером от 0,001 до 0,02 мкм (1-20 нм) с размером пор 1-100 нм при избыточном давлении 0,3-1,0 МПа. Она может отделять коллоидные растворы и растворы высокомолекулярных соединений (для которых мембраны непроницаемы) от электролитов и т.п. Ультрафильтрация применяется также для концентрирования молока до сливок, фруктовых соков, кофе и иного экстракта и др. Ультрафильтрационные модули способны отделить от растворов не только бактерии, но и вирусы. Воду, пропущенную через мембранные ультрафильтры, можно пить даже тогда, когда исходная вода была биологически заражена. Композитная ультрафильтрационная мембрана может иметь разделяющий слой толщиной 0,05-3,00 мкм и один-два слоя поддерживающих подложек толщиной по 100-110 мкм.

При нанофильтрации (Nanofiltration) мембраны могут задерживать частицы размером порядка 1 нм при достаточно высоких давлениях - 0,8- 3,0 МПа. Нанофильтрация применяется для очистки водных растворов от органических веществ и минеральных примесей.

Избирательная (селективная) диффузия, например, воды через мембраны называется осмосом. Присутствующие в воде частицы улавливаются мембраной, а вода, очищаясь, проникает через мембранную поверхность. Из-за осмоса проникновение воды через специально подобранную мембрану происходит даже тогда, когда давление по обе стороны мембраны одинаково. Движущая сила, под действием которой вода проходит через мембрану, называется осмотическим давлением, которое зависит от природы растворенного вещества и его концентрации. Явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов; благодаря ему в каждую живую клетку подводятся питательные вещества и, наоборот, из нее выводятся шлаки.

Процесс обратного осмоса (Reverse Osmosis) заключается в фильтрации жидких растворов через селективно проницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое, при этом через мембраны проходит преимущественно вода, а растворенные вещества остаются в растворе. Движущей силой такого процесса является разность приложенного и осмотического давлений. Мембранные методы обратного осмоса позволяют отделить из жидкого раствора частицы размером от 0,0001 до 0,001 мкм (0,1-1,0 нм) при избыточном давлении 3-10 МПа. Этот процесс требует создания со стороны раствора или загрязненной (соленой) воды избыточного давления: обычно 0,2-1,7 МПа для питьевой и солоноватой воды и 4-7 МПа для морской и океанской воды с собственным осмотическим давлением порядка 2,4 МПа, которое требуется преодолеть. При обратном осмосе происходит разделение на уровне молекул и ионов.

Первые промышленные системы обратного осмоса появились в начале 1970-х годов XX в., и в настоящее время обратный осмос стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию коллоидных и растворенных компонентов на 96-99 % и практически на 100 % избавиться от микроорганизмов и вирусов. В качестве обратноосмотических композитных тонкослойных мембран применяют синтетические полиамидные, полисульфоновые, полии-мидные мембраны. Из мембран для компактности делают рулонные мембранные модули, мембраны формируют также из полых волокон, что существенно увеличивает производительность мембранных установок.

Мембранное разделение газов успешно применяется, например, при разделении компонентов воздуха. Фракции, обогащенные кислородом до 60 %, нашли применение в кислородном дутье в сталелитейной промышленности, в медицине, для оксигенации (временное отключение сердца и легких человека при сложных хирургических операциях), а фракции, обогащенные азотом, - в синтезе аммиака. Мембранные методы разделения газовых смесей используются при синтезе аммиака, разделении изотопов водорода, выделении гелия из природного и нефтяных газов. Внедряется мембранный метод выделения диоксида серы (сернистого газа) S02 из выбросов тепловых электростанций, очистки газов от диоксида углерода С02 и сероводорода H2S. Мембраны для разделения газов изготавливают из полимерных органических и неорганических материалов. Изотопы урана впервые были разделены с помощью мембраны из железа, водород избирательно пропускает палладиевая мембрана, гелий - плавленый кварц. Для разделения газов применяют мембраны из силиконов, тетрафторэтилена, полиэфиримидов, ацетилцеллюлозы, керамики, стекла.

Метод первапорации (Pervaporatiori) основан на испарении жидкости через мембрану. Первапорация протекает как необратимый процесс при совместном действии нескольких движущих сил, вызывающих массоперенос: разности давлений, концентраций и температур по обе стороны мембраны. Многоступенчатая первапорация в виде многих мембранных ступеней в одном вертикальном аппарате иногда называется мембранной дистилляцией (Membrane Distillation). Первапорация нашла применение для концентрирования молока, кофейного экстракта; для разделения углеводородов в процессах нефтепереработки (смесей изомеров ксилола, бензол-циклогексановых смесей); для выделения фракций с разными октановыми числами; для дегидратации этанола и др. В будущем первапорация может частично заменить ректификацию, однако в настоящее время она ее дополняет в тех случаях, когда образующиеся азеотропные смеси (например, смеси этанол-вода), кипящие при одной температуре, не могут быть разделены ректификацией спиральных рулонов, между которыми размешают дренажные слои-прокладки, «наматываемые» на перфорированную центральную дренажную трубу. Все элементы слоев мембраны герметизируются для создания определенного направления движения исходного жидкого раствора через поверхность мембраны, для сбора и отвода фильтрата и концентрата. Прочный корпус аппарата позволяет создавать повышенные давления процесса.

Аппараты с половолоконным модулем (Hollow Fibers) для процессов обратного осмоса и ультрафильтрации более совершенны в части более высокой плотности укладки полупроницаемых мембран до (20 000-30 000 м2/м3). Это достигается применением мембранных полых трубок-волокон длиной 1,5-2,0 м, диаметром 45-200 мкм (0,045-0,200 мм) и толщиной стенки трубки 10-50 мкм (0,01-0,05 мм). Полые трубки-волокна способны выдерживать рабочее давление, равное десяткам мегапаскалей. Имеются разные конструкционные решения сборки и герметичного крепления (обычно эпоксидной смолой) концов трубок-волокон в круглой плоской перегородке, которая зажимается между фланцами корпуса и крышки аппарата. Такая конструкция позволяет соединить в U-образный пучок концы полых трубок-волокон и закрепить их в одной трубной решетке. Исходная смесь может как проходить внутри трубок, так и омывать их наружную поверхность. В других конструкциях концы полых трубок крепятся в разных трубных решетках, размещаемых в цилиндрическом корпусе аппарата.

Для мембранного разделения промышленных газов, таких, например, как «быстрые» газы, т. е. быстро проникающие мембраны: пары воды Н20, гелий Не, водород Н2 аммиак NH3, диоксид углерода С02, кислород 02, и «медленные» газы, или медленно проникающие мембраны: оксид углерода СО, азот N2, метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, применяют синтетические полимерные половолоконные мембраны, состоящие из пористых мембранных трубок-волокон, с нанесенным на их внешнюю поверхность газоразделительным слоем толщиной не более 0,1 мкм (0,0001 мм). Применение пористых подложек позволяет увеличивать давление процесса до 6,5 МПа. Мембранный модуль выполняется в виде сменного газоразделительного картриджа с плотность укладки мембраны 500-700 м2/м3, монтируемого в цилиндрическом корпусе, в который поступает газовая смесь и из него выводятся два потока разделенных компонентов. Такие процессы мембранного разделения позволяют получать из воздуха кислород чистотой до 50 % давлением 0,003- 0,1 МПа и азот чистотой до 99,9 % давлением 0,5-4,0 МПа, из водородсодержащих газов, например, на НПЗ получать водород чистотой 90-99 % давлением до 5 МПа. Для получения кислорода, азота и водорода более высокой чистоты применяют адсорбционные и криогенные технологии.

В качестве примера приведем краткую информацию о применяемых с 80-х годов XX в. некоторых мембранных процессах «Separex» фирмы «UOP», США. Процессы «Separex» могут использоваться для очистки водорода, гелия, а также природного и попутного газов от диоксида углерода С02, серо-водорода H2S, паров воды и тяжелых углеводородов согласно требованиям трубопроводного транспорта. Мембранные системы «Separex» просты, работают без применения жидких поглотителей и с минимальным использованием машинного оборудования. Поэтому они успешно применяются как для наземных установок, так и на морских платформах. Эти системы могут иметь одну или две ступени очистки. Исходную газовую смесь с содержанием С02 в пределах 3-75 % при избыточном давлении 3-11 МПа пропускают над полимерной мембраной, при этом исходная смесь газов разделяется на два потока. Диоксид углерода, сероводород и пары воды легко продавливаются через мембрану и собираются в пространстве низкого давления мембранного аппарата (этот поток называется пермеатом). Метан, этан, другие углеводороды и азот скапливаются в остаточном газе более высокого давления, который таким образом обогащается этими компонентами. В двухступенчатой системе пермеат низкого давления компримируется для последующего мембранного разделения во второй ступени с целью извлечения из него углеводородов. Коэффициент извлечения углеводородов может достигать 95 % для одноступенчатой системы и 99 % для двухступенчатой (в зависимости от состава исходного газа и требований к очистке). Производительность установок - от 28 тыс. до 28 млн м3/сут. При облагораживании природного газа перед его трубопроводным транспортом затраты на его мембранную очистку ниже или сравнимы с затратами на установке аминовой очистки газа.

Процесс «Polysep» фирмы «UOP» предназначен для извлечения и очистки водорода из газовых потоков процессов нефтепереработки, нефтехимии и химии. Другой областью его применения является приведение в соответствие состава синтез-газа и выделение оксида углерода СО. Исходным газовым сырьем могут быть потоки газов НПЗ, включая отходящий газ каталитического риформинга, каталитического крекинга, продувочный газ гидроочистки и гидрокрекинга, а также потоки газов из нефтехимических и химических процессов: отходящий газ этиленовых и метанольных установок, продувочный газ аммиачных производств, синтез газ из процессов паровой конверсии, неполного окисления или других процессов газификации. Достигается очистка водорода с коэффициентом его извлечения от 70 до 95 % при степени чистоты 70-99 % (по количеству) в зависимости от состава сырья, давления и требований к продукту. Мембранные системы «Polysep» проектируются также для получения оксида углерода СО высокой чистоты для синтеза полиуретанов и поликарбонатов, для корректирования соотношения СО/Н2 в синтез-газе производства метанола и оксиспиртов. Новая область применения процесса «Polysep» - извлечение водорода из газа в циклах совместного производства газа и электроэнергии (1GCC).

Система «Polysep» основана на современных композитных полимерных мембранах в виде полых волокон. Эти волокна собирают в особые пучки, работающие в режиме противотока, что позволяет иметь максимальную движущую силу процесса разделения и свести к минимуму необходимую рабосменных деталей и узлов, материалов, химических реагентов и др.; огромные энергетические затраты; экологическая опасность в процессе эксплуатации установок; необходимость в строительстве дополнительных установок для предварительной дорогостоящей водоподготовки; огромные эксплуатационные затраты. Серьезной проблемой для крупных опреснительных комплексов является также необходимость создания мощных тепловых котельных ТЭЦ и даже применение атомных реакторов, поскольку стоимость тепла составляет около 40-50 % от стоимости всех расходов опреснительного комплекса. Большие средства расходуются на решение экологических задач и на техническое обслуживание таких комплексов.

Опыт эксплуатации мембранных опреснительных установок во всем мире свидетельствует, что тенденции по снижению их эксплуатационных расходов не наблюдается, так как остаются труднейшие проблемы по преодолению последствий загрязнения и накипеобразования как фильтровального, так и мембранного оборудования. Поэтому уровень предварительной очистки сырьевой морской воды становится одним из доминирующих аспектов мембранных методов опреснения воды, а стоимость предварительной подготовки воды иногда существенно выше стоимости самих мембранных установок. Например, перед подачей в мембранные модули морскую воду необходимо тщательно очистить от взвесей, коллоидных загрязнений, солей жесткости, металлов, активного хлора, бора, ее требуется умягчить ингибиторами; необходимо провести обеззараживание, отмывку и санитарную обработку мембран, срок службы которых уменьшается до 0,5-1,0 года. Полная регенерация мембран обычно невозможна", часто применяется механическая и химическая (кислотная, щелочная и др.) промывка мембран при снижении производительности установки на 10-15 % или при увеличении перепада давления на мембранном контуре на 0,20-0,25 МПа. В настоящее время капитальные и эксплуатационные расходы мембранных установок остаются высокими, особенно при большой производительности технологических установок.