Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Обессоливание морской воды — это пример, иллюстрирующий проблему разделения, для решения которой могут быть использованы конкурирующие процессы, основанные на разных принципах разделения и потребляющие различное количество энергии.
Классификация некоторых процессов разделения по химическим и физическим свойствам разделяемых компонентов дана в табл. 1-1. Эта таблица далека от полноты и более детальное описание процессов разделения можно найти в некоторых прекрасных руководствах (см., например, [3]).
Как можно видеть из табл. 1-1, различия в размерах молекул, давлении паров, сродстве, заряде или химической природе молекул помогают осуществить мембранное разделение различных веществ. Ряд возможных принципов разделения или их сочетание отличают эти
Таблица 1-1. Процессы разделения, основанные на молекулярных свойствах разделяемых веществ
Молекулярные свойства
Процессы разделения
Размер
Давление пара Температура замерзания Сродство
Заряд
Плотность
Химическая природа
Фильтрация, микрофильтрация, ультрафильтрация, диализ, газоразделение, гель-проникающая хроматография Дистилляция, мембранная дистилляция Кристаллизация
Экстракция, адсорбция, абсорбция, обратный осмос, газоразделение, первапорация, аффинная хроматография Ионный обмен, электродиализ, электрофорез Центрифугирование
Комплексообразование, жидкие мембраны
методы от других процессов разделения и определяют различные ситуации, в которых могут быть использованы мембранные процессы. Нужно отметить, что конкурирующие процессы разделения не обязательно основаны на одинаковых механизмах разделения. Это уже продемонстрировано на представленном выше примере обессоливания воды. Однако этот пример не дает ответа на вопрос, какой из упоминаемых процессов разделения следует предпочесть.
Как же все-таки сделать выбор между различными процессами разделения для решения той или иной проблемы? На этот выбор могут влиять несколько общих факторов, которые, однако, применимы не ко всем конкретным ситуациям, поэтому могут рассматриваться и специфические критерии, которым должен удовлетворять обоснованный выбор процесса. В то же время существуют два общих критерия, которые применимы для всех процессов разделения: разделение должно быть осуществимо а) технически и б) экономически.
Первый критерий достаточно понятен, поскольку к процессу разделения предъявляются два основных требования: должны достигаться необходимые степени извлечения и качество (чистота) продукта. Иногда для выполнения этих требований необходима комбинация двух и более процессов разделения. Однако экономическая возможность процесса сильно зависит от стоимости выделяемых продуктов. На это часто влияет состав сырья. Уменьшение исходной концентрации целевого продукта в общем случае приводит к увеличению стоимости чистого продукта, что выражается так называемой зависимостью Шервуда [4, 5].
Стоимость процесса разделения может быть уменьшена в результате улучшения методики разделения. Это особенно важно для из-
Рис. 1-2. Изменение стоимости продукта в зависимости от степени разбавления (выраженной в частях на миллион) сырья [4, 5].
влечения дорогостоящих биотехнологических продуктов, поскольку их необходимо получать из сильно разбавленных водных растворов. Однако стоимость также определяется и другими факторами, кроме степени разбавления. Биопродукты очень неустойчивы и, следовательно, требуют специфических условий разделения. Кроме того, среда, из которой должны выделяться биопродукты, обычно содержит большое количество низко- и высокомолекулярных веществ с весьма близкими свойствами. Затраты энергии для получения высокоценных продуктов должны составлять только малую часть стоимости продукта, тогда как для продуктов низкой стоимости энергетические затраты могут вносить заметный вклад в общую стоимость.
Могут быть отмечены и другие факторы, влияющие на стоимость продуктов более низкой ценности. Вода является сравнительно дешевым продуктом, но ее цена изменяется в зависимости от географического места реализации процесса. Так, в западном мире питьевая вода является дешевым продуктом, хотя энергия там относительно дорогая. Однако на Ближнем Востоке вода значительно дороже, тогда как энергия, наоборот, дешевая. Это означает, что из-за географических различий выбор процессов разделения определяется различными критериями.
Стоимость энергии и инвестиций становится более важной при уменьшении стоимости продукта.
Другие факторы, которые могут быть упомянуты, это политика и окружающая среда. Промышленные сбросы ничего не стоят с экономической точки зрения, поэтому их обработка едва ли оправданна, но она проводится по соображениям охраны окружающей среды и
Модуль
Сырье Ретентат
1
Пермеат
Рис. 1-3. Схема мембранного процесса, в котором сырьевой поток разделяется на потоки ретентата и пермеата.
правительственного регулирования. Более того, часто политические соображения требуют того, чтобы был реализован определенный процесс, который и не имеет преимуществ с экономической точки зрения.
