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. Фазы-
лова [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 приме-
нение мембранных процессов разделения. 

Предназначено для бакалавров направления подготовки 21.03.01 

«Нефтегазовое дело» (профиль «Эксплуатация, обслуживание технологи-
ческих объектов нефтегазового производства»), а также для магистров на-
правления подготовки 18.04.01 «Химическая технология» (программа под-
готовки 
«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, техноло-
гий и техники. Их практическое значение связано прежде всего с ре-
шением глобальных проблем, стоящих перед человечеством: обеспе-
чением безопасности проживания, производством экологически чис-
тых продуктов питания, высококачественной питьевой воды, а также 
формированием должного баланса между решением социально-эконо-
мических 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 опуб-
ликована статья об использовании «коллоидной перегородки» для 
разделения газов. В 1920-е гг. фирма «Сарториус» (Германия) разра-
ботала ультра- и микрофильтрационные мембраны на основе нитрата 
целлюлозы. В 1940 г. впервые был осуществлен мембранный гемо-
диализ.  

По оценкам Европейского общества мембранной науки и техно-

логии, в национальных программах развитых стран по процессам раз-
деления мембранные способы занимают лидирующее положение. Их 
отличают простота аппаратурного оформления, низкая массо- и энер-
гоемкость и стоимость, надежность и высокая эффективность.  

С помощью мембранных процессов удается охватить практичес-

ки весь диапазон возникающих задач, связанных с разделением жид-
ких или газообразных сред: от самых тонких (концентрирования изо-
топов 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 промышленно-
сти, медицине, при водоподготовке с различными целевыми назначе-
ниями, в аналитическом приборостроении, устройствах для преобра-
зования и хранения информации и в других областях. 

В химической и нефтехимической промышленности газоразде-

ление, ультрафильтрацию, первапорацию и другие мембранные про-
цессы применяют для выделения водорода и гелия из природных и 

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

Применение мембранного способа разделения представляет со-

бой одно из перспективных направлений при разделении многоком-
понентных 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 избе-
жать высоких энергозатрат на нагревание и разделять термически не-
стабильные вещества. Использование мембранных процессов позво-
ляет 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 ве-
ществ с использованием мембранных процессов.  

В настоящее время мембранное разделение газов и жидкостей 

вступает в этап направленного дизайна новых высокопроницаемых 
высокоселективных мембран, отличающихся химической и биостой-
костью, стабильностью при повышенных температурах. Разрабатыва-
ются активные мембранные системы с подвижными и фиксированны-
ми переносчиками, отличающиеся высоким уровнем избирательности. 
Ожидается, что каталитические мембранные реакторы обеспечат эко-
номичные и легко управляемые процессы переработки жидкого и га-
зообразного сырья.  

В данном учебном пособии рассмотрены мембранные процессы 

разделения жидких и газообразных сред, а также применение полиме-
ров 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 проницае-
мый барьер между двумя фазами. Разделение достигается благодаря 
тому, что один компонент из сырьевой фазы переносится через мем-
брану 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 превраще-
ния с участием содержащихся в мембране катализаторов или фермен-
тов (мембранные каталитические реакторы, биологические мембраны).  

Прежде чем рассматривать процессы мембранного разделения, 

необходимо рассмотреть такие основополагающие понятия, как «мас-
соперенос» 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 по-
тенциалов (см. главу 2).  

Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена 

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

Массообменные процессы широко используются в промышленности 
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 ве-
щества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко 
используется для разделения технологических газов и очистки газо-
вых 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 пред-
ставляет собой переход веществ из газовой, паровой или жидкой фазы 
в твердую. Адсорбцию применяют для извлечения того или иного ве-
щества (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 пред-
ставляет собой переход компонентов из жидкой фазы в паровую и из 
паровой ‒ в жидкую. Процесс ректификации используется для разде-
ления 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 смеши-
вающейся 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 не-
высоких 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 ве-
ществ) из твердого пористого материала называют экстракцией из 
твердого материала, или выщелачиванием. Применяют ее для извле-
чения ценных или токсичных компонентов из твердых материалов. 

6. Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из раство-

ров электролитов. Этот процесс представляет собой переход извле-
каемого 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 па-
ровую фазы. Десорбцию широко применяют в технике для предвари-
тельного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвожива-
ния 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 полупроницае-
мой перегородки мембраны. Эти процессы представляют собой пере-
ход вещества (или веществ) через разделяющую их мембрану. Приме-
няются 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 перехо-
да вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в на-
правлении достижения равновесия называют массопередачей.  

В отличие от теплопередачи, которая происходит обычно через 

стенку, массопередача осуществляется, как правило, при непосредст-
венном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процес-
сов). 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 фа-
зах 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 распределяемого 
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. 

В неподвижной среде распределяемое вещество переходит из 

внутренних слоев данной (первой) фазы к поверхности раздела фаз и, 
пройдя ее, распределяется по всему объему другой фазы, находящейся 
в контакте с первой. Такой переход массы вещества из одной фазы в 
другую называют молекулярной диффузией. Она является следствием 
теплового движения молекул (ионов, атомов), которому оказывают 
сопротивление силы внутреннего трения. 

Конвективный перенос (конвективная диффузия) характеризуется 
перемещением (переносом) вещества движущимися частицами 
потока в условиях турбулентного движения фаз. Конвективный перенос 
вещества под действием турбулентных пульсаций иногда называют 
турбулентной диффузией. 

Основным кинетическим уравнением массообменных процессов 

является уравнение массопередачи, которое основано на общих кине-
тических закономерностях химико-технологических процессов. 

Скорость процесса 

  

     [в кг/(с   м2)2] равна движущей силе Δ, 

деленной на сопротивление R:  

 

  
    

   
(1)

 

где dM – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую 
в единицу времени; dF – поверхность контакта фаз. 

Обозначив 1/R = К, получим 
 

           
(2)

последнем выражении (2), называемом основным уравнением массо-
передачи, величина К характеризует скорость процесса переноса ве-
щества из одной фазы в другую. По аналогии с процессом теплопере-
дачи, коэффициент К называют коэффициентом массопередачи. 

Найдем размерность коэффициента массопередачи: 
 

  

  

     

  

        

 

(3)

т.e. коэффициент массопередачи К показывает, какое количество  
распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу вре-
мени через единицу поверхности контакта фаз при движущей cиле, 
равной единице.  

Обычно уравнение массопередачи применяют для определения 

поверхности F контакта фаз, а исходя из этой поверхности – размеров 
массообменных аппаратов. В интегральной форме уравнение массопе-
редачи, записанное относительно величины F, примет следующий вид: 

 

  

 

      
(4)

 
Обычно величина К является функцией многих переменных, и 

единого уравнения для определения значения К нет. 

При анализе массообменных процессов будем исходить из ус-

ловия состояния границы контакта фаз, что существенно различает 
механизмы процессов переноса массы. По этому принципу массооб-
менные процессы подразделяют следующим образом:  

– массопередача в системах со свободной границей раздела фаз 

(газ–жидкость, пар–жидкость, жидкость–жидкость);  

– массопередача в системах с неподвижной поверхностью кон-

такта фаз (системы газ–твердое тело, пар–твердое тело, жидкость–
твердое тело); 

– массопередача через полупроницаемые перегородки (мемб-

раны). 

 

1.2. Различие мембранного процесса разделения  

от процесса фильтрации 

 

Следует провести четкое различие между мембранным процес-

сом разделения и процессом фильтрации, с которым мембранный 
процесс имеет кажущееся сходство.  

При фильтрации проводится разделение веществ, находящихся 

в разных фазах, разных агрегатных состояниях. Это отделение жидко-
сти или газа от твердых веществ, очистка газа от жидкости. Например, 
очистка воздуха от дыма (газ–твердое вещество), очистка воздуха от 
аэрозоля (газ–жидкость), очистка воды от взвеси твердых частиц 
(жидкость–твердое вещество).  

В фильтре (рис. 1а) разделение смесей происходит вследствие 

задерживания частиц гетерофазы в лабиринте пустот фильтра, в ре-
зультате чего по крайней мере один из компонентов смеси задержива-
ется и фиксируется внутри или вблизи поверхности фильтра. Поэтому 
фильтр со временем забивается (отрабатывается), в результате чего