Научно-исследовательская часть. 
Характерные особенности водно-электролитных смесей

Баромембранные методы разделения водных смесей

Деминерализация воды ионным обменом и термическая деминерализация (дистилляция) позволяют опреснять воду, почти полностью обессоливать ее. Однако применение этих методов выявило наличие недостатков: необходимость регенерации, громоздкое и дорогое оборудование, дорогие иониты и др. В связи с этим быстрое распространение получили баромембрнные методы обработки воды.

Группа баромембранных методов включает в себя обратный осмос, микрофильтрацию, ультрафильтрацию и нанофильтрацию. Впервые мембранный процесс разделения осуществил в 1748 г. Французский аббат Жан Антуан Ноле[1]. У истоков науки о мембранах стояли также немецкие физиологи и ботаники. Затем эстафету подхватили физико-химики, среди которых следует отметить В. Нернста (электрохимические аспекты мембранных процессов), В. Оствальда (роль мембран в биоэлектрических процессах) и Я. Вант-Гоффа (теория осмотических процессов)[2] .

Среди мембранных методов наиболее востребованными являются баромембранные процессы, в которых перенос вещества через мембрану происходит под действием разности давлений. В их число прежде всего входят микрофильтрация и ультрафильтрация (И.Бехгольд, 1907 г.) и обратный осмос (И.Манегольд, 1929 г.)[3].

Микрофильтрацияприменяется для отделения растворителя от коллоидных или взвешенных микрочастиц, размер которых составляет 0,1−10 мкм. Рабочее давление 0,03−0,1 МПа. Метод эффективен для подготовки жидкостей перед проведением процессов обратного осмоса и ультрафильтрации.

Ультрафильтрацияпроцесс мембранного разделения растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений (размер частиц 0,001−0,02 мкм; давление 0,1 — 1,0 МПа), а также их фракционирования и концентрирования. Используется, когда молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя (например, выделение альбумина и других белков из плазмы крови).

Обратный осмосбаромембранное разделение истинных растворов (размер частиц 0,0001−0,001 мкм; давление 0,15 — 4,0 МПа). Широко используется для обессоливания растворов и получения особо чистой воды, в промышленности стал применяться после 1962 г., когда С. Лоэб и С. Сурираджан получили асимметричные ацетилцеллюлозные мембраны, состоящие из тонкого и плотного активного слоя с узкими порами и толстого слоя с широкими порами[4]. Поскольку фактической толщиной такой мембраны является толщина активного слоя, поток через такую анизотропную мембрану значительно больше, чем через однородную изотропную мембрану.

Нанофильтрацияпромежуточная между ультрафильтрацией и обратным осмосом (размер удерживаемых частиц порядка 1 нм; давление 0,08−0,8 МПа) сравнительно недавно арсенал баромембранных методов пополнила. Нанофильтрационные мембраны, появившиеся в конце XX в., успешно разделяют моновалентные ионы от дии поливалентных. Нанофильтрация применяется для очистки водных растворов от органических веществ и минеральных примесей на стадиях, предшествующих финишной очистке воды ионным обменом или электродиализом[5].

В обобщенном понятии «наносистемы» обычно видят точку опоры для революционных изменений в сфере высоких технологий практически во всех областях деятельности человека. Важнейшим признаком наносистем являются получаемые при их реализации качественные изменения свойств продуктов, материалов и устройств, которые сегодня невозможно объяснить существующими моделями и теориями.

Тонкие селективные слои мембран, в которых в основном и функционируют нанопоры, сами зачастую представляют нанослой толщиной до 100 нм; на основе мембран методами матричного или шаблонного синтеза (от англ. Template — шаблон) могут быть получены так называемые вторичные структуры; поры мембран, модифицированные «умными» (smart) полимерами, — основное звено наноустройств сенсорного типа.

В последние годы интенсивно стал развиваться метод первапорации, основанный на испарении жидкости через мембрану. Первапорация протекает как необратимый процесс при совместном действии нескольких сил, вызывающих массоперенос — разности давлений, концентраций и температур по обе стороны мембраны. Этот метод наиболее перспективен для разделения смеси углеводородов и спиртов, дегидратации этанола, выделения фракций углеводородов с разными октановыми числами в процессах нефтепереработки. В будущем первапорация может заменить ректификацию, однако в настоящее время лишь дополняет ее в тех случаях, когда образуются азеотропные смеси, кипящие при одной температуре, и разделение ректификацией становится невозможным.