Мембранна дистиляція
Мембранна дистиляція (англ. membrane distillation) — процес дистиляції, коли рідка і парова фази розділені гідрофобною пористою мембраною, пори якої не змочуються рідкою фазою.
При цьому процесі по обидва боки мембрани підтримується різна температура (або концентрація). Якщо обидві рідкі фази є водою з однаковою температурою, то система перебуває в динамічній рівновазі і транспорту крізь пори немає. Якщо ж температуру однієї з фаз підвищити, то на мембрані виникне градієнт температури, який призведе до різного тиску пари по обидва боки мембрани. В результаті пароподібні молекули переноситимуться крізь пори на той бік. де менший тиск пари. Транспорт, що виникає, має три стадії: 1) випаровування на боці з вищою температурою; 2) перенесення пароподібних молекул крізь пори пористої гідрофобної мембрани; 3) конденсація на боці мембрани з нижчою температурою. Мембранна дистиляція — єдиний мембранний процес, в якому мембрана не бере безпосередньої участі в акті розділення, її функція зводиться до ролі бар'єра між двома фазами. Селективність процесу цілком визначається рівновагою рідина — пара, яка при цьому встановилася. Отже, компонент із найвищим парціальним тиском має найбільшу швидкість транспорту. Так, у разі сольових розчинів, наприклад хлориду натрію у воді, виникає лише тиск пари води, оскільки тиском пари солі можна знехтувати, і тільки вода проникатиме крізь мембрану, причому з дуже високою селективністю.
- мембрана має бути пористою
- мембрана не повинна змочуватися робочим середовищем (зазвичай водним розчином)
- всередині пор мембрани не повинно бути капілярної конденсації
- крізь пори мембрани має переноситися тільки пара
- мембрана не повинна змінювати рівновагу пара-рідина в процесі розділення компонентів розчину
- щонайменше один бік мембрани має контактувати з робочою речовиною
- для кожного компонента розчину рушійною силою масопереносу є градієнт парціального тиску в паровій фазі
- 100% виділення неорганічних йонів, макромолекул і інших нелетких речовин
- Відносно низькі робочі температури
- Відсутність надлишкових робочих тисків
- Нечутлива до концентрацій вихідного розчину, що підходить для дистиляції морської води
- Менші вимоги до механічних властивостей мембран
- Низька продуктивність процесу
- Неможливість розділення сумішей із леткими компонентами
- Неможливість розділення сумішей з вмістом поверхнево-активних речовин
Комерційні мембрани були істотно поліпшені відколи процес мембранної дистиляції набув розвитку і зараз застосовуються в великій кількості досліджень установок. Характеристиками, необхідними для хорошої МД мембрани, є: висока хімічна стійкість, хороша термічна стабільність, високий змочувальний тиск, низька теплопровідність, висока пористість, висока гідрофобність та вузький розподіл розміру пор. Перша МД мембрана у 1967 році мала товщину 3.2 мм, розмір пор 9 мкм і 42% пористості. Сучасні комерційні мембрани мають маленьку товщину, розмір пор від 0.2 мкм і пористість 70-80%. Для мембранної дистиляції необхідно застосовувати в першу чергу гідрофобні мембрани. Мембрани виготовляють із PP (Поліпропілену), PTFE (Політетрафтороетилену) і PVDF(Полівініліденфторид). Також застосовуються неорганічні (керамічні) мембрани (цирконієві, титанові, алюмінієві), але вони дуже дорогі. Перспективною галуззю є також застосування композитних мембран (алюміній-силікатних, глиняних з перфлуородецитриетоксисиланом, алюмінію з флуоросилановими функціональними групами), які б змогли поєднати характеристики двох матеріалів. У 1991 році відкрили Вуглецеві нанотрубки, які також можуть функціонувати як мембрана. PP, PTFE і PVDF є найбільш у вжитку завдяки їхньому низькому поверхневому натягу.
Україна майже втратила чисті поверхневі води. У водойми потрапляли неочищені стічні води, забруднення води за основними показниками сягають вище екологічно допустимих меж. Мембранна дистиляція є сучасним методом, який можна застосувати у очищенні стічних вод та знесоленні промислових, шахтних та морських вод, що у майбутньому дозволить вирішити проблему нестачі води, оскільки МД має переваги над іншими процесами очистки. Для очищення морської води наявними методами витрачається дуже велика кількість енергії, а з використанням МД у поєднанні із дешевою енергією (використане тепло, сонячна енергія чи енергія вітру) дозволить набагато здешевити цей процес. З 2003 року Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE у Фрайбурзі почав розробляти методи мембранної дистиляції із використанням сонячної енергії. МД можна застосовувати також у харчовій промисловості для концентрування спиртової зернової барди, молочної сироватки, соків. МД була вивчена для застосування очистки використаної води в фармацевтичній промисловості та текстильній промисловості. Були вивчені методи видалення важких металів із розчинів за допомогою МД і сульфатної кислоти. Процес досі не поширений у промислових масштабах і потребує вивчення. Використовуючи різні матеріали мембрани, можливо збільшувати потік, змешувати забруднення і змочування мембрани. Використовуючи різні мембранні модулі, можливо знижувати поляризацію концентрації та тепла. Використовуючи різного типу системи МД, можливо досягнути зниження затрат енергії, підвищення продуктивності та контролю забруднення, а також регулювати змочування.
Зацікавленість до досліджень МД зросла у 2003 у зв'язку з тим, що виникли ідеї зменшити використання енергії для комерційнного застосування МД [32]. Незавжаючи на це є багато можливостей для дослідження наявних модулів та створення високого потоку. В даний час PTFE мембрани домінують у комерційних мембранних модулях через їх доступність, високу проникність і відносно дешеву ціну. Проте, є ряд підходів для покращення МД мембрани, які активно досліджуються. Необхідно застосувати виробництво невеликих мембран з меншим розміром пор і з тоншим активним мембранним шаром з гідрофільних матеріалів. Керамічні мембрани мають характеристики, яких не вистачає полімерним мембранам, а саме механічна міцність, хімічна стійкість, а також їх висока термостійкість. Тим не менш, у даний час керамічні мембрани переважно гідрофільні і мають більш низькі потоки в порівнянні з полімерними мембранами, тому необхідні подальші дослідження, щоб визначити оптимальні покриття, які не ставлять під загрозу відхилення потоку, в той же час пропонуючи поліпшення відносно стійких полімерів таких як PTFE і PVDF, що широко використовуються в МД.
Людство уже стикається з проблемою нестачі води. За допомогою МД можна очистити морську воду, але її треба зробити економічно вигідним процесом. На даний момент знесолення морської води дуже дорогий і тривалий процес
В Україні мембранною дистиляцією займаються в Національному університеті "Києво-Могилянська академія", Національному університеті харчових технологій та Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського».
- М. Т. Брик, Енциклопедія мембран у двох томах, Видавничий дім «Києво-Могилянська академія», Київ 2005
- Camacho, L., Dumée, L., Zhang, J., Li, J., Duke, M., Gomez, J., Gray, S. (2013). Advances in membrane distillation for water desalination and purification applications // Water (Switzerland), 5(1), 94-196. DOI: 10.3390/w5010094
- ВИПАРОВУВАННЯ КРІЗЬ МЕМБРАНУ [Архівовано 10 березня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія
 |