Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН

1. Введение в мембранные процессы разделения. Классификация мембран и мембранных процессов.

МЕМБРАНА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Мембрана – перегородка, разделяющая различные по составу жидкие или газообразные фазы,

Более строгое

Мембрана – это фаза или группа фаз, которые разделяют две

Двухфазная система, разделяемая мембраной

Сырье

Мембрана

Пермеат

Фаза 1

Фаза 2

Движущая сила

ΔC, ΔP, ΔT, ΔE

Главные свойства всех мембран

Проницаемость
Селективность
Стабильность

ТОПОЛОГИЯ МЕМБРАН

Плоские
Цилиндрические: полые волокна или капилляры
Оболочки: биологические (клеточные) мембраны, везикулы, эмульсионные

Плоские мембраны

ТОПОЛОГИЯ МЕМБРАН

Плоские
Цилиндрические: полые волокна или капилляры
Оболочки: биологические (клеточные) мембраны, везикулы, эмульсионные

Полые волокна

ТОПОЛОГИЯ МЕМБРАН

Плоские
Цилиндрические: полые волокна или капилляры
Оболочки: биологические (клеточные) мембраны, везикулы, эмульсионные

ОБОЛОЧКИ

Эмульсионные мембраны

Фаза 1

Фаза 2

Фаза 1

Фаза 2

ТИПЫ МЕМБРАН

Биологические:
Клеточные – транспорт ионов, выведение продуктов метаболизма,
подача кислорода, передача

Ионные каналы в клеточных мембранах

Roderick Mac Kinnon Нобелевская премия по химии,

СИНТЕТИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

Полимерные
Неорганические:
Керамические
Углеродные
Цеолитные
Стеклянные
Металлические

Механизм транспорта в пористых и непористых мембранах

Полимерная мембрана - предшественник

Углеродная мембрана

Размеры окон цеолитов

Получение композиционных цеолитных мембран

Микрофотография цеолитной мембраны

Агрегатное состояние мембран

Твердые:
полимерные, неорганические.
Жидкие:
импрегнированные жидкие,
эмульсионные, истинно жидкие.

Схема двух типов жидких мембран

Фаза 2

Фаза 1

Фаза 1

Фаза 2

Жидкая мембрана

Пористая подложка

Жидкость

Механизм транспорта

Пассивный
Активный

Принцип активного транспорта

Активный транспорт с подвижными и фиксированными носителями

Механизмы транспорта с носителем

А

А

А

А

C

АC

А

C

АC

А

B

АC

BC

Облегченный транспорт

Транспорт против градиента

Пассивный транспорт

Сопряженный транспорт

Различные морфологии мембран

Асимметричные мембраны

Симметричные мембраны

Пористые мембраны

Непористые
мембраны

l=0,2μ

Плотный поверхностный слой
“Skin”

Пористая подложка

Мембрана
ПВТМС
(ИНХС РАН)

Различные типы
композиционных
мембран

Мембранные процессы

Обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, диализ

Баромембранные процессы

Размеры разделяемых молекул

Расход воды на душу населения : 1000 м3/год

Бытовые нужды: 9%
Промышленность: 23%
Сельское

МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Микрофильтрация

Ультрафильтрация

Композиционная ультрафильтрационная мембрана

АСИММЕРИЧНАЯ МЕМБРАНА

Осмос

Обратный осмос

Обратный осмос

Диализ

Получение трековых мембран

Микрофотография трековой мембраны

Газо-и пароразделение

Газоразделение

Первапорация, мембранная дистилляция

Первапорация

Мембранная дистилляция

Мембранная дистилляция

Пертракция

Пертракция

Электродиализ

Электродиализ

Получение хлора и щелочи

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Nafion

Nafion/PTFE

Протонпроводящие мембраны

Принцип мембранного разделения

CA=CB

CA> CB

CA< CB

Плоскорамный модуль

Потоки в плоскорамном модуле

Спиральный модуль

Половолоконный
модуль

Retentate

Permeate

Feed

Hollow fibers

Половолоконный модуль

Преимущества мембранных процессов

Низкие энергозатраты
Непрерывность процесса разделения
Легкость масштабирования
Мягкие условия разделения
Простота сочетания с