Наномембраны

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТарГУ им. М.Х. Дулати

НАНОМЕМБРАНЫ

Батуров Р., Седякина Т.В.

Процессы разделения жидких систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Для осуществления этих процессов применяют такие методы как, перегонку и ректификацию, экстракцию и адсорбцию.

Однако наиболее универсальным методом разделения является разделение с использованием полупроницаемых мембран.

В химической и нефтехимической промышленности мембранные методы разделения применяют для разделения азеотропных смесей, очистки и концентрирования растворов, очистки или выделения высокомолекулярных соединений из растворов, содержащих низкомолекулярные компоненты и т.п.

В биотехнологии и медицинской промышленности мембраны применяют для выделения и очистки биологически активных веществ, вакцин, ферментов и антибиотиков, вирусов и т.п.

В пищевой промышленности - для концентрирования фруктовых и овощных соков, молока, сыворотки, получения высококачественного сахара, осветления вина, соков, пива, подготовки технологической воды и др. Но наиболее широкое применение баромембранные процессы находят при обработке воды и водных растворов, очистке сточных вод.

Более половины воды в мире опресняется мембранными методами (обратным осмосом).

Сравнение расхода энергии на дистилляцию воды и опреснение мембранными методами подтверждает экономическую эффективность последнего.

Так что же представляют собой мембраны?

Мембрана - полупроницаемая перегородка, пропускающая определенные компоненты жидких или газовых смесей.

Мембраны изготавливают из полимерных материалов, керамики, металла, стекла.

Различают мембраны с анизотропной и изотропной структурой.

Анизотропные мембраны получают из растворов полимеров путем удаления растворителей или предварительно введенных в них добавок. В результате чего образуются зерна микро- и нанометрического размера, области между которыми формируют систему пор, пронизывающих весь образец.

Мембраны с изотропной структурой получают облучением тонких полимерных пленок заряженными частицами с последующим травлением химическими реагентами.

В отличие от обычной фильтрации при мембранном процессе отделяемые мембраной компоненты остаются в обогащенном ими растворе (концентрате) над мембраной, а не собираются на фильтре. Т.е. мембрана исходный поток условно разделяет на два потока - концентрат, обогащенный растворенным веществом и фильтрат, свободный от этого вещества.

Мембранные процессы принято подразделять на обратный осмос, нанофильтрацию, ультрафильтрацию, микрофильтрацию. Условные границы применения баромембранных процессов по диаметру задерживаемых частиц таковы: обратный осмос - 0,0001 - 0,001 мкм; нанофильтрация 0,0005 - 0,005; ультрафильрация - 0,001 0,02 мкм; микрофильтрация - 0,02 - 10 мкм /1/.

Мембраны для баромембранных процессов выпускаются в виде плоских полимерных пленок, рулонов определенным образом скатанных из них, трубок с нанесенной на внутренней или внешней поверхности мембраной, полых волокон.

Мировой рынок мембран выглядит следующим образом:

§ Мировой рынок в 2007 году составил 8 665 млн. долларов США

§ В 2007 году наибольший объем производства в Северной Америке (38%), однако, к 2017 году лидером рынка станет Азия (38%)

§ Суммарный объем сегментов мирового рынка продукции проекта (ультра-, нанофильтрационные и обратноосмотические (ОО) мембраны) оценивается в 4,8 млрд. долларов

Российский рынок мембран выглядит значительно скромнее:

§ Объем российского рынка в 2007 году составил 200 млн. долларов США.

§ Темп роста рынка составляет 14%, что в 1,5 раза выше, чем темп роста мирового рынка

§ Продукция проекта представлена в растущих сегментах рынка (нано- и обратноосмотическая фильтрация, ультрафильтрация) «Роснано» инвестирует 350 млн. рублей в производство наномембран для очистки воды /3/.

Проект предполагает производство наноструктурированных мембран и разделительных модулей для очистки воды в различных отраслях промышленности и социальной сфере. Участники проекта - "Роснано", "НТЦ "Владипор" и внешний финансовый соинвестор. "Роснано" внесет в уставный капитал компании 350 млн. руб., а также предоставит проектной компании заем в сумме 460 млн. руб. Проект реализуется во Владимире, завершение строительства предприятия планируется в 2012 году. Оно будет выпускать мембранное полотно и мембранные рулонные модули, которые используются в процессе фильтрации и обратного осмоса (способ очистки воды). наномембрана разделение жидкий перегонка

Рассмотрим некоторые интересные разработки и внедрения наномембран.

Принципиально новый тип наномембран - ультратонкие слои пористого нанокристаллического кремния (porous nanocrystalline silicon, pnc-Si) - предложен американскими учеными /3/. Эти мембраны сочетают малую величину D~15нм с узкими порами. Технология их изготовления основана на комбинации быстрого отжига (при котором в процессе кристаллизации аморфной пленки кремния спонтанно образуются пустоты, прорастающие в поры) и травления. Скорость фильтрации макромолекул обычной нанопористой мембраной на 1-2 порядка ниже, чем мембраной из pnc-Si.

Высокое качество воды Хрустальная Павлодар достигается благодаря особому производственному процессу - это мембранная очистка на молекулярном уровне. Мембрана способна задержать 96-99% растворенных в воде загрязнений, удалить из воды химические, биологические и органические соединения.

Саудовская Аравия обладает одним из самых скудных запасов пресной воды в мире. И в тоже время, эта стана является мировым лидером по опреснению соленой морской воды. Около 18% пресной воды получаемой путем опреснения добывается именно здесь. Да, здесь очень мало пресной воды, но очень много солнца, поэтому ученые решили использовать этот источник энергии для питания «источника» пресной воды. мпания IBM совместно с научно-исследовательским институтом Саудовской Аравии разрабатывают опреснительный завод, в котором используется совершенно новая солнечная технология и последние разработки в области наномембран /2/.

Комбинирование двух новых технологий, технологии преобразования солнечной энергии в электрическую и технологии наномембранной очистки воды, обещает значительно снизить затраты энергии и себестоимость пресной воды.

Новый опреснительный завод будет расположен к северо-востоку от города Эль Хафджи, и должен будет производить 30 тысяч кубометров пресной воды ежедневно, обеспечивая потребности 100 тысяч человек /2/.

Российские специалисты разработали новое оборудование для переработки сахаросодержащего сырья на основе технологии физико-химического разделения /4/. Технология, созданная на стыке наук, предполагает использование нано-мембран. Новая технология, базируется на термо-электро-мембранных процессах и предполагает использование нано-мембран на разных участках технологического процесса, а также организацию нанопроцессов с использованием указанных выше наноэлементов и управления ими. Оборудование нового типа позволяет производить из сахаросодержащего сырья не только сахарозу (как это делается в сахарной промышленности), но также фруктозу и глюкозу - биологически ценные сахара в виде глюкозо-фруктозо-сахарозного сиропа рафинадной чистоты концентрацией 60%. Кроме этого, при переработке сахара-сырца производить минеральное удобрение и высокоочищенную воду, при переработке сахарной свеклы производить свекловичный жом, осветленный без применения химических реагентов и измельченный до уровня муки, представляющий собой пищевую добавку, высокоочищенную клеточную воду, минеральное удобрение, которое можно в процессе переработки свеклы вносить на поле, с которого перерабатывается урожай.

Литература

1. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. М.: Наука, 1986. 272 с.

2. Врублевский Э., Киреев В., Недзвецкий В., Сосновцев В. Нанотехнология - путь в будущее или бренд для финансирования. Нано- и микросистемная техника, 2007, № 12, с. 6-20.

3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2004. 328 с.

4. Сайт: http://stanis.obninsk.com.

Размещено на Allbest.ru