Аспирант Лавренченко А.А.

ФГБОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет", Россия

Сравнительный обзор электромембранных методов разделения растворов

Электромембранные процессы разделения растворов, представленные такими видами, как электродиализ, электроосмос, электросорбция, электрофорез, электроосаждение, транспортное обеднение, относятся к процессам жидкофазного разделения. Все эти процессы протекают под действием электрического потенциала при постоянном электрическом токе - это главное, что их объединяет. Поэтому толщина мембраны здесь не играет той роли, что при баромембранных процессах. Наиболее важным из этих процессов является электродиализ, так как он наиболее широко используется в практической деятельности. Его обычно применяют для разделения и концентрирования растворов электролитов и в качестве движущей силы используется электрическая энергия, а направление переноса может быть любым и зависит от конкретных условий. При этом внешний электрический потенциал может легко изменяться до достижения желаемой степени разделения. Здесь используется обычно сборка из множества катионо-анионообменных мембран, заключенная между двумя электродами.

При достаточно высоком внешнем электрическом потенциале электрический ток переносит катионы из исходного раствора в поток концентрата через катионообменную мембрану. Анионы движутся в противоположном направлении и переносятся в поток концентрата через анионообменную мембрану. С другой стороны, катионы в потоке концентрата задерживаются анионообменной мембраной со стороны катода, а анионы - катионообменной мембраной с противоположной стороны. Таким образом, исходный раствор очищается от растворенного в нем электролита посредством двух потоков концентрата, омывающих мембранную ячейку с исходным раствором, причем перешедшие через мембраны ионы остаются в концентрате [1].

Электросорбция - этот процесс отличается от предыдущего своей непрерывностью действия. Набор мембран состоит из ряда сплющенных мембранных мешков, причем одна сторона мешка проявляет катионо-, а другая - анионообменные свойства .

Когда электрический ток проходит через весь мембранный набор, то катионы исходного раствора, расположенного вне мембранного мешка, переходят в него через ту его сторону, которая проявляет катионообменные свойства, анионы же переносятся через другую сторону мешка. Раствор, находящийся с внешней стороны мешков, обедняется солями, а раствор внутри мешков концентрируется. Сконцентрированный раствор может быть затем удален из мембранных мешков путем изменения направления приложенного постоянного электрического тока на противоположное. Здесь не требуется ни прокладок, ни коллекторов для растворов. Простота и высокая рабочая поверхность мембран обеспечивают этому виду значительные преимущества [2].

Транспортное обеднение - это процесс, при котором рабочие параметры, такие как электрический ток и скорости потоков, могут меняться в широких пределах. При этом степень деминерализации всегда меньше, чем в обычном электродиализе. В силу этого транспортное обеднение особенно полезно при деминерализации молочной сыворотки. Здесь нежелательное расщепление протеинов из-за изменения рH может сводиться к минимуму, а протеины, имеющие большой электрический заряд, могут выделяться при использовании соответствующим образом подобранных нейтральных мембран.

Электрофорез - мембранный процесс, осуществляемый под действием электричества и давления. Он является экономически эффективным, так как осуществляется при небольших затратах электрической энергии и при небольшом внешнем давлении. Кроме того, нет необходимости делать нейтральные мембраны таким же тонкими, как активный слой у обратноосмотических мембран.

Электрофоретическая ячейка состоит из ряда мембран и фильтров. Под действием электрического тока через мембраны свободно проходят небольшие ионы, а большие коллоиды задерживаются. С другой стороны, большинство коллоидов и вода свободно проходят через фильтры. Когда в мембранном наборе используют достаточно высокий внешний электрический потенциал, то отрицательно заряженные коллоиды концентрируются в секции с анодной стороны фильтра.

При накладывании внешнего давления на исходный поток растворитель - вода выдавливается через фильтр в противоположную секцию. С другой стороны, небольшие анионы, которые могут присутствовать в секции с исходным раствором, переносятся через мембрану в секцию, обращенную к анодной ее стороне, а катион переносится через фильтр в секцию, к которой обращена катодная сторона фильтра.

Если бы из исходного потока надо было бы непрерывно удалять содержащиеся в нем небольшие ионы, то вместо нейтральных мембран было бы эффективнее применение ионообменных. При использовании анионной мембраны небольшие катионы, переносимые через фильтр, могут быть предохранены от дальнейшего переноса через мембрану на катодную ее сторону [1 ].

Чередование катионообменных и нейтральных мембран в наборе обеспечивает успешное применение электрофореза при обессоливании воды. Поскольку катионообменные мембраны обладают высокой емкостью и плотностью, что практически полностью задерживают анионы, но их проницаемость по воде очень мала. При этом нейтральная мембрана высокопроницаема для воды, но не обладает достаточно большим солезадержанием. В таком наборе внешний электрический потенциал заставляет соль оставаться в секции исходного раствора, а внешнее давление выдавливает воду через нейтральную мембрану в секцию, которая контактирует с ее анодной стороной.

В рассмотренных выше процессах скорости потоков были относительно высоки, а эффект свободной конвекции, обусловливаемый гравитацией, был незначителен. Отдельные высокомолекулярные ионы могут успешно разделяться электроосаждением или электродекантацией. Эффект электроосаждения в простоте конструкции, легкости эксплуатации и невысоких затратах электроэнергии.

Мембраны, используемые в этом процессе, также полупроницаемые. Электроосмос представляет собой осмотический процесс под действием электрического потенциала, в котором могут быть использованы

нейтральные, заряженные или комбинированные мембраны. В этом осмотическом процессе важное значение имеют размер пор относительное содержание гидрофильтных веществ по отношению к гидрофобным, а также термическая стабильность электрически заряженной мембраны. При этом процесс не составляет конкуренцию другим процесса, так как трудно приготовить подходящую мембрану, которая проявляет высокую проницаемость по воде при высокой емкости или при большом дзетапотенциале. Если общая ионная концентрация в исходном растворе мала, то электрическое сопротивление растворов довольно велико, что влечет за собой большие затраты электроэнергии [3].

Литература

1. Хванг С.Т. Мембранные процессы разделения. Пер. с англ./ С.Т. Хванг, К Каммермейер, под ред. Дытнерского / М.: Химия, 1981.

2. Духин С.С.. Обратный осмос и диэлектрические свойства мембран. / Духин С.С. , Чураев Н.В., Ярощук А.Э. /Химия и технология воды.- 1984.

3. Свитцов А.А.Введение в мембранную технологию.- М.: ДеЛипринт, 2007.