63. Мембранни технологии, използвани за пречистване на течности. Диализа. Ултрафилтрация. Хиперфилтрация или обратна осмоза.

Под мембрана най-общо се разбира слой, разделящ два разтвора, различаващ се по състав от всеки един от разтворите, и формиращ рязка граница между тях. Ако проницаемостта на мембраната за различните компоненти на разтворите е еднаква, и мембраната не оказва влияние на скоростта на преноса на различните компоненти, а само предотвратява смесването на разтворите чрез конвекция, то такава мембрана обикновено се нарича пореста диафрагма. Мембрани, пропускащи само една част от компонентите, или влияещи на скоростта на преноса, се наричат полупропускливи. Мембрани, през които различните йони преминават с различна скорост, се наричат електрохимични. Обикновено когато се говори за мембрана се подразбира полупропусклива мембрана.

63.1. Диализа

Диализа е метод за разделяне на високомолекулни от нискомолекулни компоненти на разтвори. Разтвор, подлежащ на диализа се налива в съд, който е отделен с полупропусклива мембрана от друг съд, в който има чиста дисперсионна среда (фиг. 63.1). Като полупропусклива мембрана се използва пергамент, керамични филтри, сложни естери на целулозата като ацетилцелулоза, нитроцелулоза, етилцелулоза и други материали с малки пори, през които може да преминават молекули на нискомолекулярни вещества и не могат да преминават молекули на високомолекулни вещества. В резултат на дифузия всички разтворени нискомолекулни вещества преминават през мембраната във външния разтвор. Необходимият градиент на концентрацията се поддържа чрез смяна на външния разтвор. Такова пречистване продължава обикновено  няколко денонощия. Повишаване на температурата ускорява процеса поради увеличаване на скоростта на дифузия.

Фиг. 63.1. Диализа

63.2. Ултрафилтрацияи хиперфилтрация (обратна осмоза)

Ултрафилтрацията и хиперфилтрацията са процеси на прецеждане под високо налягане на хетерогенни разтвори през фино-порести мембрани (размери на порите 0,001 – 0,2 μm), които пропускат водните молекули и задържат хидратираните и по-едрите молекули на разтворените вещества. При ултрафилтрацията порите на мембраните са в диапазона 0,005 – 0,2 μm, а налягането – 0,2 – 1 MPa. При хиперфилтрацията порите на мембраните са около 0,001 μm (1 nm), а налягането достига 10 MPa при малки концентрации (20 – 30 mg/l) на примесите в разтвора.

Пример за ултрафилтрация са апаратите “изкуствен бъбрек”. Апаратът се включва в системата на кръвообращение на болния (Фиг. 63.2). Кръвта под налягане, създавано от пулсираща помпа (изкуствено сърце), протича в тесен процеп между две мембрани, обмивани отвън с физиологичен разтвор. Поради голямата площ на мембраната - около 15 0000 cm², от кръвта сравнително бързо - за около 3-4 часа, се отделят продуктите на обмяната на веществата - урея, креатитин, отделят се К⁺ йони и др.

Фиг. 63.2. Схема на хемодиализа.

При филтрация на разтвори под налягане през мембрани с пори от порядъка на 10^-9 m, например ацетатцелулозна, се задържат не само диспергираните частици, но и разтворени молекули и йони на електролити. Мембраните са обикновено двуслойни, съставени от горен  филтриращ слой и долен поддържащ едропорьозен слой.

Обратната осмоза е един от най-перспективните методи за опресняване на вода поради най-ниската му стойност. Опресняването се прави чрез филтрация на солена вода през мембрани с малки пори под налягане няколко десетки атмосфери (Фиг. 63.2). Колкото е по-голяма концентрацията на подлежащия на опресняване разтвор, толкова е по-голяма разликата в осмотичното налягане и толкова по-голямо е хидростатичното налягане, необходимо за опресняването.

Фиг. 63.2. Схема на обратна осмоза.

При много малък диаметър на порите на мембраната (от порядъка на nm), тяхната селективност може да бъде много висока (» 99%), но е необходимо голямо хидростатично налягане. С увеличаване на диаметъра на порите, селективността се намалява, но се увеличава проницаемостта на водата.

При големи размери на порите, (от порядъка на десетки nm), действува главно електрохимичен механизъм, обусловен от наличието на двоен електричен слой на вътрешната повърхност на мембраната.

Съществуват и установки, използващи полимерни мембрани. Техните недостатъци са низката водопроницаемост, неустойчивост в кисели или основни среди, недостатъчна механична здравина и необратима загуба на йонната селективност в процеса на експлоатация. Такива мембрани се използват обикновено след първично очистване.

Използват се и т.н. динамични мембрани. Това са мембрани, образувани от дисперсни частици. Те се формират при филтрация на силно разредени малки колоидни частици през пореста подложка. Ако размера на порите е достатъчно малък, мембрана възниква само на външната повърхност на подложката. Ако подложката е с по-големи пори, тънкопореста мембрана възниква поради многослойното прилепване на частици по стените на пората. За да се предотврати неограниченото увеличаване на дебелината на мембраната, се създава тангенциално течени на течността. При определено съотношение на скоростта на течение покрай подложката и през нея се установява необходимата стационарна дебелина на мембраната. При това състава на мембраната непрекъснато се обновява и тя съхранява своите полезни технологични свойства.

64. Омекчаване и деминерализация на води чрез йонити (йоннообменни материали).

Йонити са твърди, практически неразтворими във вода или органични разтворители природни вещества (зеолити, пермутити, глауконит, някои глини, сулфовъглен) или синтетични вещества - йонообменни смоли (с най-голямо значение), които избирателно могат да обменят своите йони с намиращите се в разтвора йони.

Синтетичните йонообменни смоли имат подчертани предимства пред неорганичните йонити по отношение на йонообменна способност, селективност, широк рН интервал за приложение,но те имат и недостатъци, като висока цена, неустойчивост спрямо силни окислители и високи температури. Важно предимство на неорганичните йонити е това, че са евтини и могат да се използват за работа при високи температури. Йонообменните смоли са синтетични продукти от високомолекулни съединения смрежеста пространствена структура. Към въглеродния скелет, образуван отнеправилна пространствена мрежа, са прикрепени групи йони, носещи съответен електричен товар. Тези йони, определящи йонообменните свойства, представляват различни функционални групи, които могат да имат киселинен или основен характер. В зависимост от това йонообменните смоли се делят на катионити и анионити.

Основна характеристика на йонообменните смоли е техният обменен капацитет, който най-често се изразява с работната обменна способност (РОС) на смолата в динамични условия. Друга важна характеристика на йонообменните смоли е оптималният рН-интервал, в който те могат да се прилагат. Обменната способност на монофункционалните йонити практически не зависи от рН, за разлика от полифункционалните йонообменни смоли. Йонообменните методи се използват за извличане и разделяне на редки елементи, очистване и омекотяване на води, в хранителната, фармацевтичната промишленост, за аналитични цели, в йонообменната хроматография.

Всички природни води притежават по-малка или по-голяма твърдост, причинена от наличието главно на Са²⁺ и Mg²⁺ йони. Твърдата вода не може да бъде използвана в парните котли поради образуване на накипи. Тя нарушава миещото действие на сапуна и другите миещи препарати и е често непригодна за много технологични процеси, за пиене или приготвяне на храна. Катионит (система, способна да обменя подвижни йони с катиони от разтвора), обикновено във вид на зърна, се поставят в колонка, през която се пропуска природна вода. При взаимодействието с катионита се отделят от водата Са²⁺ и Mg²⁺ йони.

Огромното разнообразие от йоннообменни смоли позволява практически напълно да се отделят всякакви електролити от водни разтвори. Йоннообменните методи за пречистване на води имат редица предимства пред традиционните методи. Йонният обмен позволява да се получи на изхода на установката обезсолена вода практически с произволна степен на пречистване, която се ограничава само от икономическа целесъобразност.

Подобни схеми с приложение на йонити се използват и при извличане на някои ценни вещества в йонна форма, тъй като йонитите могат да се регенерират чрез обработка с киселини и основи.

65. Електродиализа

Електродиализата е диализа на разтвори в електрично поле, използвана за пречистването им от електролити. Основава се на способността на порести йоннообменни мембрани да пропускат само йони с определен знак, или катиони, или аниони. Електродиализата се използва например за отделяне на електролити от вода, и извличане на йони от отпадни води, обезсоляване на вода и др.

Клетките за електродиализа се състоят от успоредно разположени редуващи се катионно и анионно - обменни мембрани. При обезсоляване на вода в клетките влиза вода, съдържаща NaCl. При подаване на напрежение на електродите, в едни от отделенията остава обезсолена вода, а в съседните - вода, обогатена с NaCl (фиг. 65.1).

Електролизата се използва в някои технологии за пречистване на води. Този метод е известен в литературата като “елестрокоагулация”. В резултат на електролизата на електродите се възстановяват или окисляват различни компоненти от електролита. Процесите, които протичат включват различни електрохимически явления и реакции, скоростите на които зависят от потенциала на границата на електрода и електролита, състава на електролита и електродите, условията за дифузия на продуктите на реакцията, плътността на тока, скоростта на движение на водата между електродите и др. В процеса на протичане на ток вземат участие всички намиращи се във водата йони, а също така и някои колоидни или твърди частици, които имат на повърхността си електрични заряди. Основно в природните води в протичането на електричен ток участвуват K⁺, Ca⁺, Na⁺ и Mg²⁺ катиони и HCO₃^–, SO₄^–, Cl^– аниони, а също така и Н⁺ и ОН^–, които винаги се съдържат във водата.

Методът на електрокоагулацията е високо ефективен при отделяне от водата на минерални и органични биологични примеси, колоиди и вещества, намиращи се в йонно състояние. Преимущество на метода е, че позволява да се построят компактни автоматично действащи устройства, без да се строят големи съоръжения. Особено са полезни за кораби, селскостопански предприятия и т.н.

Фиг. 65.1. Схема на установка за електродиализа (АМ – аниона мембрана, СМ – катиона мембрана).

66. Електрофилтри – устройство и принцип на действие.

В редица промишлени производства, сред които стоманодобивната и циментовата индустрии, както и в топлоелектрическите централи, пещите за изгаряне на отпадъци, които са свързани с отделяне на прах в атмосферата, като ефективно техническо решение за пречистване на отпадни газове са се наложили електрофилтрите.

Причините за широкото им разпространение не са малко. Сред тях са високата им ефективност, която достига до 99%, способността им да улавят частици с много малки размери в порядъка от 1 до 0,1 микрометра, възможността да пречистват отпадни газове с висока температура. Основно тяхно преимущество в сравнение с механичните филтри е и фактът, че благодарение на създаваното в този вид филтри електрично поле, се унищожават микробите и бактериите, които при механичното филтриране се задържат върху филтъра и могат да доведат до заразяване. Сред най-честите приложения на електрофилтрите са очистването на отпадните газове от топлоелектрически централи, в стоманодобивната и циментовата промишлености, при производството на хартия, пещите за изгаряне на отпадъци и други.

В електрофилтрите пречистването на газовия поток от праховите частици се дължи на действието на електростатични сили. Посредством два електрода - положителен и отрицателен, се създава електрическо поле, в което праховите частици, съдържащи се в преминаващия през полето прахово-газов поток, се зареждат електрически. Заредените частици се придвижват към утаителния електрод, където се събират върху повърхността му. Образувалият се върху утаителния електрод рехав слой прах се отстранява чрез използването на различни начини, често посредством стръскване (фиг. 66.1).

Причини за широкото използване на електрофилтрите в индустрията са високата ефективност на очистване на частици с малък размер, както и ниско работно налягане от 100 до 1000 Ра, голям дебит на преминаващия прахово-газов поток - 105, до 106 m³/h и сравнително ниските енергийни разходи от 0,1 до 0,8 kWh/1000 m³. Праховата концентрация на очистения газ е от 100 до 150 mg/m³ и е възможно постигането на ефективност от порядъка на 99%.

Основни технически характеристики на електрофилтрите са - скорост на димните газове през филтъра, специфична околна повърхност на електродите, разстояние между електродите, пад на налягането, температура на отпадните газове, скорост на дрейфа, енергийни разходи, прахова концентрация на очистения газ.

Основно електрофилтрите могат да работят като суха и мокра система. Мокрите електрофилтри се характеризират с по-висока ефективност в сравнение със сухите, но е необходимо допълнително изграждане на инсталация за обработка на отпадната вода.

В зависимост от вида на електродите, електрофилтрите са два основни вида - тръбни и пластинчати. Тръбните електрофилтри се отличават с висока ефективност, но регенерацията им е много трудна, особено ако са решени като суха система. В конструктивно отношение тръбните и пластинчатите електрофилтри не се различават особено. Конструкцията им е сравнително елементарна. Основни елементи от конструкцията им са два вида електроди - разреждащ и утаителен; електрозахранваща система; както и система за отстраняване на полепналия по утаителните електроди прах; корпус и бункери за събиране на праха.

Фиг.66.1. Схема на електрофилтър.

При тръбните електрофилтри, разреждащият, наричан още корониращ електрод, обикновено е метален проводник с малък диаметър. Към корониращия електрод се подава високо отрицателно напрежение. Силното електрическо поле, около него води до появата на коронен разряд, при което се образуват голям брой йони. В създадения поток от отрицателни йони между корониращия и утаителния електрод, преминаващите прахови частици придобиват електрически заряд. Под въздействието на електрическото поле отрицателно заредените прахови частици мигрират към заземените утаителни електроди и достигайки ги, се прилепват към тях, отдавайки своя заряд. Отложилият се прах периодично се отстранява - обикновено чрез стръскване, при което, под действието на гравитационните сили, праховите частици падат в бункери, разположени в долната част на електрофилтъра, откъдето впоследствие насъбралият се прах се отстранява. Корпусът се конструира с оглед предпазване на електродите и запазване на целостта им.

Пластинчатите електрофилтри, които са сравнително по-често срещани в практиката, се използват за очистване от прах на хоризонтални газови потоци. Изграждат се от жичен корониращ електрод и плосък утаителен електрод. Корониращите електроди могат да се изработят с различна форма на напречното сечение, например ромбоидна, кръгла и т.н. Средната скорост на отпадъчните газове през корониращите електроди обикновено е от 1 до 2,5 m/s.

Контролни въпроси

1. Какво представлява “диализата”?
2. Какво представлява “ултрафилтрацията”?
3. Какво представлява “хиперфилтрацията”?
4. Какво представлява “електродиализата”?
5. Какви свойства притежават йоннообменните смоли (йонити)?
6. Как могат да се използват йонитите за омекотяване и обезсоляване на води?
7. Какъв е принципа на действие на електрофилтрите?

Основни понятия

Мембрана - слой, разделящ два разтвора, различаващ се по състав от всеки един от разтворите, и формиращ рязка граница между тях.

Полупропусклива Мембрана – мембрана, пропускаща само една част от компонентите на разтвор, или влияещи на скоростта на преноса.

Електрохимична Мембрана – мембрана, през която различни йони преминават с различна скорост.

Диализа - метод за разделяне на високомолекулни от нискомолекулни компоненти на разтвори чрез дифузия през полупропусклива мембрана.

Ултрафилтрация и хиперфилтрация - процеси на прецеждане под високо налягане на хетерогенни разтвори през фино-порести мембрани, които пропускат водни молекули и задържат хидратираните и по-едрите молекули на разтворените вещества.

Йонити - природни или синтетични вещества, които избирателно могат да обменят своите йони с намиращите се в разтвора йони.

Електродиализа - диализа на разтвори в електрично поле.

Контролни въпроси

1. Какво представлява “диализата”?

2. Какво представлява “ултрафилтрацията”?

3. Какво представлява “хиперфилтрацията”?

4. Какво представлява “електродиализата”?

5. Какви свойства притежават йоннообменните смоли (йонити)?

6. Как могат да се използват йонитите за омекотяване и обезсоляване на води?

7. Какъв е принципа на действие на електрофилтрите?