Мембранные технологии и их применения

     ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКЕ

ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Инженерно-экономический факультет

              Кафедра оборудования и технологии сварочного производства

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «ТОПТ»

Тема «Мембранные технологии и их применения»

Выполнил: студ. гр. Эк-092 К.О. Горкуша

Руководитель: Усачева Л.В.

                                              Воронеж 2010

Оглавление

Введение                                                                                            4

1.Основные типы мембран и их очистка                                        7                           

2.Мембранные процессы разделения                                              8                   

3.Баромембранные процессы                                                           10                                              

4.Сущность обратного осмоса                                                         17      

5.Мембранные технологии и их характеристики                          27                

6.Мембранные аппараты                                                                  32                              

7.Тенденции технического развития мембран                               36

Заключение                                                                                        37                       

Список используемой литературы                                                            39

                         Замечания руководителя

       Введение

С каждым годом растет потребность людей в воде, пригодной для использования, и в то же время, естественные воды непрерывно загрязняются деятельностью человека. "Сейчас более 1,2 млрд. людей не имеют обработанной питьевой воды и более 3 млрд. людей не имеют соответствующей обработки сточных вод и это при ежегодном 80 млн. росте населения" (World Bank Estimates 2003).

Индустриальная деятельность человека сопровождается непрерывным сбросом многообразных по своему химическому составу сточных вод, которые, попадая в источники питьевой воды, создают серьезную угрозу здоровью людей.

"Болезни, вызванные некачественной водой, - это растущая трагедия человечества. Из-за плохой воды в мире ежегодно умирает более 5 млн. человек - это в 10 раз больше, чем погибает в войнах" (World Health Organization Estimates 2002).

В такой ситуации международные организации и правительства многих стран вынуждены усиливать требования к качеству сточных вод и осуществлять строгий контроль качества питьевой воды, что приводит к удорожанию стоимости питьевой воды для населения и технической воды для промышленных предприятий.

Стремительно растущая потребность в воде и ограниченные ресурсы источников воды в виде рек, озер и подземных вод, с одной стороны, и удорожание подготовки питьевой и технической воды, с другой стороны, приводят к необходимости создания и использования новых технологий обработки воды, которые позволяют быстро, эффективно и экономически выгодно очищать воды, а также получать питьевую и индустриальную воду из огромных запасов морской воды. В последние 10 - 15 лет широкое применение находят мембранные технологии обработки воды, которые позволяют при подготовке питьевой воды надежно очищать исходную воду от примесей, вызывающих болезни, при обработке сточных муниципальных вод получать воду, пригодную для использования в промышленных целях, а при обработке индустриальных сточных вод получать воду, пригодную для повторного использования. Кроме того, с помощью мембран можно достаточно эффективно удалить соли из морской воды (т. е. произвести обессоливание воды), что открывает огромные перспективы в получении питьевой и индустриальной воды практически из неисчерпаемого источника.

Растущие потребности в воде обуславливают необходимость динамичного развития водного сектора мировой экономики. Прогнозируется общий объем инвестиций в водный сектор до 2010 года около 800 млрд. USD. Предполагается, что объем продаж оборудования в мировой индустрии очистки воды возрастет с 23 млрд. USD в 2003 году до 33 млрд. USD в 2010 году, при этом доля Европы составит 35%.

Следует отметить, что прирост потребности в применении мембран микрофильтрации/ультрафильтрации (МФ/УФ) в области очистки муниципальных и сточных вод оценивается в 11%. Если в 2001 году в оборудовании фильтрации воды и сточных вод, оцениваемом в 30 млрд. USD, доля мембранного оборудования составляла 1%, то по прогнозу на 2010 год доля мембранного оборудования будет около 22% от общей стоимости оборудования фильтрации, которое оценивается в 54 млрд. USD.

На развитие и применение мембранных технологий в водном секторе влияют следующие факторы (стимулы):

окружающая среда (рост населения, ограниченные источники воды, загрязнение воды);

охрана здоровья;

международные и Европейские нормы и требования по обработке сырой воды и сточных вод;

целевые программы ООН, Всемирного банка и Европейского банка реконструкции и развития;

коммерциализация (приватизация водохозяйств, государственное стимулирование реализации проектов, интеграция компаний по обработке воды);

конкуренция (завоевание рынка, стремление создать стандарты в создании средств обработки воды, снижение цен);

стандарты (унификация мембран, оборудования и комплектующих);

развитие восточного (Восточная Европа, СНГ, Китай) и африканского рынков;

реконструкция водохозяйств.
В то же время к сдерживающим факторам развития мембранных технологий, можно отнести следующие:

бюджетные ограничения;

сложившаяся инфраструктура и традиционная технология работы;

несоблюдение законов, норм и требований по обработке воды;

слабый приток частных инвестиций в Восточной Европе и СНГ;

бюрократизм и коррупция;

консерватизм топ-менеджеров и проектировщиков.

Основные типы мембран и их очистка.

Мембранные технологии являются реальной альтернативой традиционным технологиям подготовки питьевой и индустриальной воды, а также в обработке муниципальных и индустриальных сточных вод.

Различают мембраны монолитные (сплошные), пористые, асимметричные (двухслойные), составные (композиционные) и др., а также мембраны жидкие и мембраны ионообменные.

В процессе эксплуатации поверхность  мембран загрязняется, что приводит к резкому ухудшению показателей мембранных процессов разделения. Один из способов, снижающих загрязнение мембран, - предварительная очистка системы. Методы очистки мембран условно подразделяют на механические, гидромеханические, физические и химические. Мех. очистка - обработка поверхности перегородок эластичной губкой (нередко с применением моющих ср-в), не обладающей абразивными свойствами, полиуретановыми шарами и т.п. Гидродинамическая очистка - воздействие на загрязненную поверхность мембран пульсаций разделяемой смеси или промывной жидкости (обычно воды), турбулизация потока; промывка газожидкостной эмульсией (как правило, смесью воды и воздуха); обратная продувка мембран (особенно микрофильтров) сжатым воздухом; обратный ток смеси, резкое снижение давления в системе (загрязнения отслаиваются от перегородки и вымываются сильным потоком воды). Физ. очистка - воздействие на перегородки электрических, магнитных и ультразвуковых полей. Хим. очистка - промывка рабочей поверхности мембран  растворами кислот или щелочей.

Мембранные процессы разделения

Мембранные процессы разделения, основаны на проницаемости одного или нескольких компонентов жидкой либо газовой смеси, а также коллоидной системы через разделительную перегородку - мембрану. Фаза, прошедшая через нее, называется пермеатом (иногда - фильтратом), задержанная - концентратом.  Движущая сила мембранных процессов разделения - разность химических или электрохимических потенциалов по обе стороны перегородки. Мембранные процессы обусловлены градиентами давления (баромембранные процессы), электрического потенциала (электромембранные процессы), концентрации (диффузионно - мембранные процессы) или комбинацией нескольких факторов.

Разделение с помощью мембран - результат конкурирующих взаимодействий компонентов смеси с поверхностью  перегородки. Эффективность разделения оценивают следующими показателями: селективностью

j = 1 — c2/c1, (1)

где с1 и с2 - концентрации компонентов исходной смеси и пермеата; коэффициент Разделения

Kp= (сА,1/сА,2)/(сВ,1/сВ,2), (2)

где сА,1, сВ,1 и сA,2, сВ,2-концентрации компонентов А и В в начальной смеси и пермеате; проницаемостью (уд. производительностью) мембран

G = V/Ft, (3)

где К - количество смеси, прошедшей за время t через мембрану, и определяемое по уравнению

V2 + 2VC = Kt,  (4)

в котором С и К - эмпирич. константы, F- площадь поверхностисти перегородки.

Вследствие различной скорости прохождения компонентов смеси через мембрану происходит точка называемая концентрационная "поляризация", при которой в пограничном слое около поверхности перегородки накапливается вещество, имеющее наименьшую скорость проницания. В результате при разделении жидких смесей снижаются движущая сила процесса и соответствует селективность, производительность и срок службы мембран. Кроме того, возможно осаждение на мембране труднорастворимых солей, а также гелеобразование соединений, что приводит к необходимости очистки мембран. Для уменьшения влияния концентрационной поляризации и улучшения работы мембран разделяемую систему перемешивают, что способствует выравниванию концентраций компонентов у поверхности перегородки и в ядре потока. Перемешивание осуществляют путем увеличения скорости потока (до 3-5 м/с); турбулизацией раствора путем применения специальных вставок в виде сеток, перфорированных или гофрированных листов, спиралей, шариков; использованием ультразвука и т. д. При разделении газовых смесей благодаря высоким коэффициент диффузии компонентов через мембраны концентрационная поляризация мала и ее можно не учитывать.

Другой  фактор, оказывающий влияние на мембранные процессы разделения, - продольное (обратное) перемешивание системы. По мере распределения компонентов между исходным потоком и пермеатом возникает соответствующий концентрационный профиль, который приводит к продольному выравниванию концентраций из-за молекулярной диффузии. При использовании турбулизирующих вставок наибольшее воздействие на продольный перенос оказывает конвективная диффузия.

Мембранные процессы разделения могут быть осложнены также рядом других факторов, например недостаточной стойкостью мембран к агрессивным средам и действию микроорганизмов. Химическая стойкость мембран, например, к гидролизу обеспечивается тщательным подбором материала, характеристик рабочей среды и условий проведения процесса.

    Баромембранные процессы

Баромембранные процессы (обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация) обусловлены градиентом давления по толщине мембран 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.