Мембранные процессы разделения

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ 

 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2018 

УДК 66.081.6(075) 
ББК 35.115я7 

М49 

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета 

 

Рецензенты:  

канд. хим. наук И. Н. Надеждин 

канд. хим. наук Г. М. Рахматуллина 

 
 
 
 

М49

Авторы: Д. И. Фазылова, Н. Н. Шишкина, Р. С. Яруллин, 
Е. А. Кияненко
Мембранные процессы разделения : учебное пособие / Д. И. Фазылова [и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. –
Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 112 с.

ISBN 978-5-7882-2528-9

Рассмотрены мембранные процессы разделения жидких и газооб
разных сред, материалы для изготовления мембран, промышленное применение мембранных процессов разделения. 

Предназначено для бакалавров направления подготовки 21.03.01 

«Нефтегазовое дело» (профиль «Эксплуатация, обслуживание технологических объектов нефтегазового производства»), а также для магистров направления подготовки 18.04.01 «Химическая технология» (программа подготовки 
«Газохимические 
технологии 
производства 
сырья 
для  

полимеров»). 

Подготовлено на кафедре технологии синтетического каучука. 

 

УДК 66.081.6(075) 
ББК 35.115я7 

 
 
ISBN 978-5-7882-2528-9 
© Фазылова Д. И., Шишкина Н. Н.,  

Яруллин Р. С., Кияненко Е. А., 2018 

© Казанский национальный исследовательский  

технологический университет, 2018 

СОДЕРЖАНИЕ 

 

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 5 
 
1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССАХ  
РАЗДЕЛЕНИЯ ............................................................................................ 7 
 

1.1. Виды процессов массопереноса и диффузии ................................ 7 
1.2. Различие мембранного процесса разделения от процесса  
фильтрации ............................................................................................ 12 

 
2. МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ .................................. 16 
 

2.1. Классификация мембранных процессов разделения .................. 16 
2.2. Баромембранные процессы разделения ....................................... 18 

2.2.1. Микрофильтрация ................................................................... 24 
2.2.2. Ультрафильтрация ................................................................... 26 
2.2.3. Обратный осмос ....................................................................... 30 
2.2.4. Нанофильтрация ...................................................................... 32 

2.3. Факторы, влияющие на мембранные процессы разделения ...... 35 
2.4. Технологические характеристики мембран для разделения  
жидких сред ........................................................................................... 36 
2.5. Механизмы мембранного разделения жидких сред .................... 39 
2.6. Методы определения характеристик ультра-  
и микрофильтрационных мембран ...................................................... 40 
2.7. Диализ и электродиализ ................................................................ 41 
2.8. Разделение газовых смесей ........................................................... 43 
2.9. Разделение жидких смесей методом первапорации.................... 50 
 

3. МЕМБРАНЫ (КЛАССИФИКАЦИЯ, МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ) .... 53 
 

3.1. Классификация мембран ............................................................... 53 
3.2. Материалы для изготовления мембран ........................................ 56 
3.3. Методы получения полимерных мембран ................................... 65 

3.3.1. Получение мембран из растворов полимеров методом  
инверсии фаз ...................................................................................... 65 
3.3.2. Получение мембран из расплавов полимеров ....................... 73 
3.3.3. Получение мембран методом спекания ................................. 73 
3.3.4. Получение мембран травлением монолитных пленок  
(трековые мембраны или ядерные фильтры) .................................. 74 

4. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕМБРАННЫХ  
ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ................................................................. 77 
 

4.1. Классификация мембранных аппаратов ...................................... 77 
4.2. Применение и перспективы мембранных технологий ............... 87 
4.3. Получение сверхчистой воды ....................................................... 90 
4.4. Опреснение соленых вод ............................................................... 92 
4.5. Переработка промышленных отходов ......................................... 92 
4.6. Применение мембран в биотехнологии ....................................... 96 
4.7. Применение мембран в пищевой промышленности ................... 97 
4.8. Применение мембран в медицине ................................................ 99 
4.9. Применение мембран в процессе первапорации ....................... 100 
4.10. Применение мембран для промышленного разделения  
газовых смесей .................................................................................... 101 
 

Вопросы для самоконтроля ................................................................... 106 
 
Тестовые задания для контроля знаний студентов ................................ 107 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................... 111 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ  

  
Мембранные технологии разделения – современный инструмент 

реализации ряда приоритетных направлений развития науки, технологий и техники. Их практическое значение связано прежде всего с решением глобальных проблем, стоящих перед человечеством: обеспечением безопасности проживания, производством экологически чистых продуктов питания, высококачественной питьевой воды, а также 
формированием должного баланса между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды. 

Первое упоминание процесса разделения на мембранах отно
сится к использованию Грэхемом диализа в 1854 г. для разделения 
раствора на составляющие компоненты. В 1866 г. ученым была опубликована статья об использовании «коллоидной перегородки» для 
разделения газов. В 1920-е гг. фирма «Сарториус» (Германия) разработала ультра- и микрофильтрационные мембраны на основе нитрата 
целлюлозы. В 1940 г. впервые был осуществлен мембранный гемодиализ.  

По оценкам Европейского общества мембранной науки и техно
логии, в национальных программах развитых стран по процессам разделения мембранные способы занимают лидирующее положение. Их 
отличают простота аппаратурного оформления, низкая массо- и энергоемкость и стоимость, надежность и высокая эффективность.  

С помощью мембранных процессов удается охватить практичес
ки весь диапазон возникающих задач, связанных с разделением жидких или газообразных сред: от самых тонких (концентрирования изотопов урана методом газовой эффузии) до относительно «грубых»   
(микрофильтрационной очистки жидкостей от взвешенных частиц 
субмикронных размеров).  

В настоящее время мембранные процессы разделения исполь
зуют в химической, нефтехимической, газовой, фармацевтической, 
микробиологической, атомной, электронной, пищевой промышленности, медицине, при водоподготовке с различными целевыми назначениями, в аналитическом приборостроении, устройствах для преобразования и хранения информации и в других областях. 

В химической и нефтехимической промышленности газоразде
ление, ультрафильтрацию, первапорацию и другие мембранные процессы применяют для выделения водорода и гелия из природных и 

продувочных газов, кислорода и азота – из воздуха, разделения высоко- и низкомолекулярных веществ и т.д.  

Применение мембранного способа разделения представляет со
бой одно из перспективных направлений при разделении многокомпонентных смесей.  

К достоинствам данной группы процессов можно отнести то, 

что большинство из них проводится при сравнительно невысоких 
температурах и без испарения исходной смеси. Это позволяет избежать высоких энергозатрат на нагревание и разделять термически нестабильные вещества. Использование мембранных процессов позволяет сократить расходы на разделение веществ более чем на 50 %. 
Полная замена технологического процесса не всегда целесообразна, в 
большинстве случаев достаточно комбинации различных процессов 
разделения. Это открывает широкие возможности для модернизации 
существующих технологий синтеза и переработки химических веществ с использованием мембранных процессов.  

В настоящее время мембранное разделение газов и жидкостей 

вступает в этап направленного дизайна новых высокопроницаемых 
высокоселективных мембран, отличающихся химической и биостойкостью, стабильностью при повышенных температурах. Разрабатываются активные мембранные системы с подвижными и фиксированными переносчиками, отличающиеся высоким уровнем избирательности. 
Ожидается, что каталитические мембранные реакторы обеспечат экономичные и легко управляемые процессы переработки жидкого и газообразного сырья.  

В данном учебном пособии рассмотрены мембранные процессы 

разделения жидких и газообразных сред, а также применение полимеров для изготовления мембран.  

  

 
 

6

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О МЕМБРАННЫХ  

ПРОЦЕССАХ РАЗДЕЛЕНИЯ 

 

Существует множество мембранных процессов разделения, ба
зирующихся на различных принципах или механизмах и применимых 
для разделения объектов разных размеров – от частиц гетерофазы до 
молекул. Однако все мембранные процессы имеют нечто общее ‒ 
мембрану, которую можно рассматривать как селективно проницаемый барьер между двумя фазами. Разделение достигается благодаря 
тому, что один компонент из сырьевой фазы переносится через мембрану с большей скоростью, чем другой компонент или компоненты. 
То есть разделительная мембрана – это технологическая перегородка, 
обладающая свойством преимущественно пропускать определенные 
компоненты жидких или газовых смесей.  

Как правило, перенос через мембрану происходит без химичес
ких реакций, хотя при этом могут происходить химические превращения с участием содержащихся в мембране катализаторов или ферментов (мембранные каталитические реакторы, биологические мембраны).  

Прежде чем рассматривать процессы мембранного разделения, 

необходимо рассмотреть такие основополагающие понятия, как «массоперенос» и «диффузия». 

 

1.1. Виды процессов массопереноса и диффузии 

 
Процессами массообмена называют такие процессы, в которых 

основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. 
Движущей силой этих процессов является разность химических потенциалов (см. главу 2).  

Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена 

характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от 
точки с большей концентрацией к точке с меньшей концентрацией. 
Поэтому обычно в инженерных расчетах движущую силу приближенно выражают через разность концентраций, что значительно упрощает 
расчеты массообменных процессов. 

Массообменные процессы широко используются в промышлен
ности для решения задач разделения жидких и газовых гомогенных 
смесей, их концентрирования, а также для защиты окружающей природной среды (прежде всего для очистки сточных вод и отходящих га

зов). Например, практически в каждом химическом производстве 
взаимодействие обрабатываемых веществ осуществляется в реакторе, 
в котором обычно происходит только частичное превращение этих 
веществ в продукты реакции. Поэтому выходящую из реактора смесь 
продуктов реакции и непрореагировавшего сырья необходимо подвергнуть разделению, для чего эту смесь направляют в массообменную аппаратуру, из которой непрореагировавшее сырье возвращается 
в реактор, а продукты реакции направляются на дальнейшую переработку или использование. 

Наибольшее распространение получили рассмотренные ниже 

массообменные процессы. 

1. Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров 

жидким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко 
используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов. 

Процесс, обратный абсорбции, т.е. выделение растворенного га
за из жидкости, называют десорбцией. 

2. Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или 

растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным 
поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход веществ из газовой, паровой или жидкой фазы 
в твердую. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси.  

Процесс, обратный адсорбции, т.е. выделение сорбированного 

вещества из твердого поглотителя, называют десорбцией. 

3. Перегонка и ректификация – разделение жидких гомогенных 

смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости или  
пара, полученного испарением разделяемой смеси. Этот процесс представляет собой переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из 
паровой ‒ в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, получения 
сверхчистых жидкостей  и других целей. 

4. Экстракция (жидкостная) – это извлечение растворенного ве
щества в одной жидкости другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой.  

Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещест
ва из одной жидкой фазы в другую. Процесс применяют для извле

чения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций. 

5. Растворение и экстрагирование из твердых тел – это процес
сы перехода твердой фазы в жидкую (растворитель). Извлечение на 
основе избирательной растворимости какого-либо вещества (или веществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из 
твердого материала, или выщелачиванием. Применяют ее для извлечения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов. 

6. Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из раство
ров электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Процесс применяют для 
извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся 
при низких концентрациях. 

7. Десорбция – удаление влаги из твердых влажных материалов, 

в основном – путем ее испарения. Этот процесс представляет собой 
переход жидкости из твердого влажного материала в газовую или паровую фазы. Десорбцию широко применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта. 

8. Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов 

из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход 
вещества из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для 
получения веществ повышенной чистоты. 

9. Мембранные процессы – это избирательное извлечение ком
понентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки мембраны. Эти процессы представляют собой переход вещества (или веществ) через разделяющую их мембрану. Применяются для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод 
и газовых выбросов. 

Во всех перечисленных выше процессах общим является пере
ход вещества (или веществ) из одной фазы в другую. Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей.  

В отличие от теплопередачи, которая происходит обычно через 

стенку, массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процессов). При этом граница соприкосновения (т.е. поверхность контакта 
фаз) может быть подвижной (система газ–жидкость, пар–жидкость, 

жидкость–жидкость) или неподвижной (газ–твердое тело, пар–твердое 
тело, жидкость–твердое тело). 

Перенос вещества внутри фазы – из фазы к границе раздела фаз 

(или наоборот) – от границы раздела в фазу – называют массоотдачей 
(по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы –
теплоотдачей). 

Процессы массопередачи обычно обратимы. Причем направле
ние перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах и условиями равновесия. 

Процесс перехода вещества из одной фазы в другую в изолиро
ванной замкнутой системе, состоящей из двух или большего числа 
фаз, возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока между 
фазами при данных условиях температуры и давления не установится 
подвижное фазовое равновесие. При этом в единицу времени из первой фазы во вторую переходит столько же молекул, сколько в первую 
из второй.  

Если теперь количество распределяемого вещества увеличить 

(например, в фазе Фу) на n молекул, то распределяемое вещество будет 
переходить из фазы Фу в фазу Фх. Причем скорость перехода будет 
определяться не общим числом молекул (m+n) вещества М, находящегося в фазе Фх, а числом молекул, избыточным по отношению к равновесному (m). Так как концентрация пропорциональна числу молекул, то скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в 
другую пропорциональна разности между фактической (или рабочей) 
концентрацией распределяемого вещества в данной фазе (m+n) и равновесной (m). Это означает, что, чем больше такая разница, тем больше (при всех прочих равных условиях) перейдет вещества М из одной 
фазы в другую. Если эта разница отрицательна, то вещество М переходит из фазы Фx в фазу Фу  (т.е. процесс пойдет в обратном  
направлении). 

Таким образом, знание равновесных концентраций распреде
ляемого вещества позволяет определить направление процесса, т.е. из 
какой фазы в какую будет переходить вещество М, и в определенной 
степени оценить скорость процесса. 

Как отмечалось выше, массообменные процессы протекают 

лишь при нарушении фазового равновесия. Только при этом условии 
распределяемое вещество переходит из одной фазы в другую. При 
этом различают два вида переноса вещества – молекулярный и конвективный.