2.2 Электродиализ

Электромембранные процессы обусловлены градиентом электрического потенциала по толщине мембран. Наибольшее применение нашел электродиализ – разделение растворов под действием электродвижущей силы, которая создается по обе стороны полимерных и неорганических перегородок (размер пор (2-8).10-3 мкм), проницаемых для любых ионов (отделение электролитов от неэлектролитов), или ионообменных мембран, проницаемых лишь для катионов либо только для анионов (обессоливание водных растворов или фракционирование солей). Аппараты с ионообменными перегородками (электродиализаторы), напр. для обессоливания растворов NaCl , состоят из ряда камер (ячеек), по которым перемещаются растворы электролитов (Рис. 2).

Рисунок 2. Схематическая диаграмма электродиалического стэка. Чередующиеся катион- и анионпроницаемые мембраны организованны в стэк величиной до 100 пар ячеек. С – катионообменная мембрана; А – анионообменная мембрана

В крайних камерах расположены электроды. Поскольку катионообменные мембраны пропускают лишь катионы, а анионообменные – только анионы, камеры поочередно обогащаются и обедняются электролитом. В результате исходный раствор разделяется на два потока – обессоленный и концентрированный. Разделение ионов с одинаковым знаком заряда происходит вследствие различия между скоростями их переноса через перегородку.

Электродиализ широко используют для обессоливания морской и солоноватой вод, сахарных растворов, молочной сыворотки и др., а также для извлечения минерального сырья из соленых вод.

2.3 Баромембранные процессы

Баромембранные процессы (обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, нанофильтрация) обусловлены градиентом давления по толщине мембран, в основном полимерных, и используются для разделения растворов и коллоидных систем при 5 - 30 °С. Первые два процесса принципиально отличаются от обычного фильтрования. Если при нем продукт откладывается в виде кристаллического или аморфного осадка на поверхности фильтра, то при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. В этих процессах накопление данного вещества у поверхности мембраны недопустимо, т.к. приводит к снижению селективности и проницаемости мембраны.

Обычная фильтрация позволяет отделить от жидкости или газа частицы с размером более 10 мкм. Для процесса используют давление до 2 атм (~200 000 Па). Фильтрация позволяет отделять от растворов и газов водные грибы, эритроциты, цветочную пыльцу, пепел, угольную пыль, простейшие организмы.

2.3.1 Микрофильтрация

Для отделения от жидкости или газа частиц с размером 0,1 ≤ d ≤10 мкм Зигмонди в 1922 году предложил метод микрофильтрации. Микрофильтры имеют меньшие размеры пор, чем обычные, и поэтому требуется избыточное давление до 5 атм. Для микрофильтрации обычно применяют микропористые симметричные мембраны (Рис. 3).

Рисунок 3 - Микропористые мембраны характеризуются длиной поры , пористостьюи средним диаметром поры. (a) Срезы пористых мембран, содержащих цилиндрические поры. (b) Поверхности пористых мембран с одинаковой пористостью, но с различными размерами пор.

Главными областями применения микрофильтрации являются получение стерильной воды, осветление и стабилизация вин. Если в левую секцию аппарата, показанного на Рис. 4, подавать под давлением исходный раствор, то истинные растворы будут свободно переноситься в правую секцию, на выходе из которой их можно собирать для использования. Дисперсные частицы, для которых мембрана непроницаема, будут с раствором вытекать из левой секции аппарата. Мембранные методы не только экологически и экономически эффективны, но и позволяют сохранить первоначальный аромат продукта. В пивоварении замена пастеризации микрофильтрацией позволяет сохранить вкус и аромат свежего пива.

Наиболее эффективным способом приготовления мембран для микрофильтрации является бомбардировка поликарбонатных пленок ионами 129Xe, полученными на циклотроне, с последующим травлением треков на поверхности мембраны щелочью и отмывкой. Изготовленные таким образом мембраны называют ядерными, или трековыми. Они в значительно большей степени, чем другие мембраны, обладают равенством радиусов пор (изопористостью).