Промышленная экология и медицина труда

Буртная И.А., Литвиненко Д.В.

Национальный технический Университет Украины «КПИ»

Полимерные мембраны для первапорационных процессов очистки сточных вод.

Аннотация

На сегодняшний день проблема образования отходов в ходе производственного процесса является очень актуальной. Поэтому много внимания посвящено созданию экологически безопасных и экономично малозатратных технологий переработки материалов и утилизации отходов, получение на их базе полезных и безопасных для общества продуктов.

Именно использование нанотехнологий в разных отраслях промышленности дает возможность решить эти задачи.

Вступление

Процессы мембранного разделения включают в себя электродиализ, обратный осмос, разделение газов, микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и первапорацию. Среди мембранных процессов первапорационные, которые используются для разделения жидкостей и отличаются от остальных методов мембранной очистки наличием фазового перехода, занимают особое место. Это определяется их эффективностью, энергосбережением, возможностью проводить тонкое разделение смесей с получением продуктов высокого качества, а также их экологической безопасностью.

Результаты

Одной из основных областей применения первапорации является очистка сточных вод от органических примесей и дальнейшее разделение смесей полученных органических соединений, компоненты которых имеют близкие температуры кипения и изотропные точки. Выбор полимерных мембран для выделения определенного компонента есть очень важным элементом в разработке технологической схемы.

Полимерные мембраны занимают абсолютно уникальное место, т.к. они являются наноструктурами, будучи системами, трехмерно связанных нанопор в матричном полимерном каркасе. Функциональные свойства мембран определяются размерами частиц, которые они пропускают или задерживают. Сама структура полимерных мембран является функционально значимой с точки зрения разделения, т.е. технологические процессы с использованием полимерных мембран должны быть отнесены к нанотехнологиям [1, 2, 3].

Можно сказать, что мембранные полимерные материалы представляют собой полупроницаемые селективные барьеры, которые позволяют различным газам, парам, жидкостям проходить через себя с разными скоростями или не проходить вовсе. Полимерные мембраны на основе искусственных каучуков можно представить как молекулярное "сито" с ребром ячейки около одного нанометра. Такое "сито" может пропускать сложные углеводородные молекулы с поперечным сечением молекул меньше чем один нанометр [5, 6].

В связи с близостью температур кипения и наличием азеотропных точек смеси органических компонентов очень важно подобрать требуемый полимерный материал для эффективного разделения. Критерием отбора является параметр растворимости Хансена (ПРХ). Использование параметров растворения Хансена позволяет объяснить процессы когда система состоит из полярных растворителей с водородными связями за счет применения не одного, а трех параметров для описания закономерностей растворения - ; ; - дисперсионного, полярного и водородного параметров ПРХ.

При трехмерном построении осей можно графически визуализировать процессы растворения. Если единица расстояния на оси в два раза превышает единицы расстояния на осях и , то они дают координаты центра основной сферической области взаимодействия в паре с величиной радиуса сферы характеризируют вещество полимеры. Растворители для полимера расположены в сфере (радиус взаимодействия ), а не растворяющие в не сферы. Как пример, на рис.1 представлена величина растворимости целлофана, нейлона и тефлона, а также разные растворители. Применяя двухмерное построение с помощью и . На графике метанол находится внутри нейлона и на примере сферы растворимости целлофана, тогда как этанол не в сфере для всех полимеров. Бинарный раствор метанола и ацетона растворяется в целлофане.

Рисунок 1. Параметры растворимости для некоторых полимеров и растворов

Однако следует отметить что более точным и полным методом определения численных значений коэффициентов является математический метод [2].

Выводы

Традиционные технологии разделения и очистки смесей жидких органических соединений (дистилляция, ректификация, адсорбция и т. д.) требуют сложного аппаратурного оформления. Биохимические методы имеют ряд ограничений при их использовании, а методы жидкостной экстракции часто приводят лишь к замене одного компонента смеси другим. Все производства, использующие перечисленные технологии, загрязняют окружающую среду и опасны для персонала, а необходимость использования высоких температур и давлений делает эти процессы энерго- и металлоемкими. Потребность в дорогостоящих катализаторах и реагентах увеличивает себестоимость получаемого продукта.

Технология мембранного разделения жидких смесей органических соединений позволяет разделять эти смеси на молекулярном уровне и обеспечить получение готового продукта высокого качества.

Литература:

1. Буртная И.А., Гагулашвили А.И., Гачечиладзе О.О., Ружинская Л.И., Хананашвили А.И., Шафраненко Н.В. Мембранное разделение газовых конденсатов//М.: «Химия и технология масел». №6 (2005), стр. 10 – 12.

2. Marion K. Buckley-Smith. The Use of Solubility Parameters to select membrane materials for Pervaporation of organic mixtures. The University of WAIKATO, Hamilton, New Zeland. January, 2006.

3. Буртна І.А., Ружинська Л.І., Шафаренко М.В. Спосіб одержання дифузійних мембран. Патент на винахід, Україна, №42666, бюл.№9, 15.09.2003р.

4. Буртна І.А., Гачечіладзе О.О., Ружинська Л.І. Технологія переробки кислих гудронів з використанням мембранного розділення складних сумішей вуглеводнів / / Вісник ЖДТУ. – 2008. - №1(44). – с.175 - 178

5. И.А. Буртная, Л.И. Ружинская, О.О. Гачечиладзе. Полимерные мембраны в экологически чистых энергозберегающих технологиях//Київ: Матеріали VI міжнародної науково-практичної конференції «Композиційні матеріали». – 2009. – стр.116 – 119.

6. О.О. Гачечиладзе, Л.И. Ружинская,. И.А. Буртная. Физические методы подбора полимерных материалов для первапорационных мембран //Київ: Матеріали VI міжнародної науково-практичної конференції «Композиційні матеріали». – 2009. – стр.119 – 123.