Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы мембранные процессы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация и микрофильтрация широко используются в подготовке воды для приготовления лекарственных препаратов, а также для предварительной мойки и ополаскивания первичной упаковки лекарственных средств, хирургического инструмента и т.д. Основными сферами применения обратного осмоса в сочетании с микрофильтрацией и традиционными методами разделения является подготовка глубоко деминерализованной воды для фармацевтики и клинического применения. Это вода для гемодиализа, вода очищенная по ФС 42-2619-97, вода для инъекций по ФС 42-2620-97 и т.д.
Подготовка воды в соответствии с требованиями приведенных Фармакопейных статей (ФС 42-2619-97 «Вода очищенная» и ФС 42-2620-97 «Вода для инъекций») осуществляется, в последние годы, на основе обратного осмоса.
Другой широкой сферой применения мембранных процессов, а в частности нанофильтрации, является подготовка воды для пищевой промышленности и питьевого водоснабжения. При этом в соответствии с требованиями Всемирной Организации Здравоохранения, необходимо обеспечить не только очистку воды от вредных примесей, но и ее сбалансированный солевой состав с благоприятными органолептическими свойствами.
Не смотря на то, что этому вопросу в последние годы уделяется все большее внимание, задача расчета селективности нанофильтрационных мембран по отдельным ионам решена недостаточно. Методы расчета селективности нанофильтрационных мембран содержат много допущений и связаны с большими погрешностями. Для повышения точности расчета селективности нанофильтрационных мембран по отдельным ионам необходимы методы, учитывающие зависимость коэффициентов разделения от наличия и концентрации в воде других ионов.
Цель работы
Разработать вероятностную математическую модель многокомпонентной нанофильтрации и метод расчета селективности нанофильтрационных мембран по отдельным ионам.
Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи: і. Разработка математической модели многокомпонентной нано-фильтрации.
Экспериментальная проверка адекватности модели при разделении водных растворов солей, состоящих из одновалентных ионов, двухвалентных ионов и смесей этих ионов.
Обоснование адекватности разработанной модели на основе обобщения результатов экспериментов.
Научная новизна
Предложена вероятностная математическая модель многокомпонентной на
нофильтрации. На основе данной модели разработан метод расчета селективно
сти нанофильтрационных мембран. Метод экспериментально подтвержден на
примере разделения следующих вариантов смесей:
Na+ СІ" - вода; К+ S04" - вода; Cu++ S04" - вода;
К+ С1" - вода; Zn++ S04" - вода; Zn++ CI" Na+ - вода;
Cu++ СІ" - вода; Na+ N03" - вода; Na+ CI" K+- вода;
Zn++ СІ" - вода; Zn++ N03" - вода; Zn++ CI" Cu++ - вода;
Na+ S04" - вода; K+ CI"Zn++- вода; Cu++ СІ" Ba++ - вода.
На основании используемой в ферментативной кинетике теории активированного комплекса было высказано предположение, что при взаимодействии пористой мембраны с ионами разделяемой смеси имеют место конформационные изменения макромолекул ее полимерной матрицы. Впервые для расчета вероятности взаимодействия отдельного иона с макромолекулой полимерной матрицы нанофильтрационной мембраны было использовано уравнение Аррениуса-Гамо-ва.
Практическая значимость
Разработан метод расчета многокомпонентной нанофильтрации, основанный на оценке средней вероятности трансмембранного переноса ионов. Для решения конкретной задачи данный метод позволяет рассчитать состав пермеата и оказать направленное влияние на гидродинамический режим процесса разделения. При минимальном числе экспериментов (четыре) на модельных смесях одновалентных и двухвалентных ионов при фиксированных исходных концентрациях возможно прогнозирование селективности для десяти вариантов смесей ионов в диапазоне концентраций от 2 мг/л до 2 г/л.
Приведены примеры постановки и решения некоторых обратных задач:
расчет трансмиссионного коэффициента для отдельного иона;
расчет энергии активации для прохождения ионов данного типа через поры в полимерной матрице мембраны;
расчет коэффициентов взаимодействия ионов в разделяемой смеси.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертации доложены на Всероссийской Научной Конференции «Мембраны-2007».
Публикации
По материалам диссертационной работы имеются 3 публикации.
Структура и объем работы
