Что такое мембранная технология, какова сфера ее применения? Охарактеризуйте особенности мембранного процесса.

Процесс разделения с межфазным переносом вещества при наличии перегородки (мембраны), отделяющей в пространстве фазы, участвующие в процессе массообмена, называется мембранным процессом. Методы мембранного разделения смесей основаны на различной проницаемости мембран для разных компонентов разделяемой смеси.

Мембрана – это твердая или жидкая перегородка, через которую могут проникать все или часть компонентов смеси. В первом случае мембрана называется проницаемой, во втором – полупроницаемой. Мембраны изготавливают из органических (в том числе полимерных) и неорганических (металлических, керамических, стеклянных и пр.) материалов. Мембраны могут быть твердыми и жидкими. Для производства мембран необходима современная высокоточная технология, которая принципиально отлична для органических и неорганических мембран.

Массоперенос через мембрану – типичный необратимый процесс, анализируемый в соответствии с принципами неравновесной термодинамики.

Процессы мембранного разделения широко применяются в промышленности при разделении жидких и газообразных смесей, концентрировании растворов, опреснении воды, выделении кислорода из воды (искусственные жабры), очистке атмосферы гермоотсеков с биологическими объектами и людьми, в медицине (искусственные легкие, почка, печень, разделение крови на компоненты и др.), в металлургии и биохимии (обогащение кислородом дутье), в пищевой промышленности (при создании атмосферы, препятствующей порче пищевых продуктов) и в других отраслях.

Основная доля процессов разделения в объектах живой природы происходит с помощью биологических мембран. Это наводит на мысль, что мембранные процессы разделения не только высокоэффективны( практически – селективны), но и обладают малой удельной энергоемкостью. Последний показатель особенно важен при выборе метода разделения разбавленных систем.

Главным недостатком процессов мембранного разделения является необходимость использовать большие поверхности мембраны, ибо в последней преобладают весьма медленные процессы молекулярного переноса массы. /1, стр.1519/

Один из важнейших мембранных процессов – обратный осмос. Принцип его действия понятен на примере получения пресной воды из морской. Если на стороне соленой воды создать давление выше осмотического, то молекулы воды начнут вырываться из гидратных оболочек ионов и проникать через мембрану, образуя поток обессоленной воды. При обратном осмосе вода течет из сильно концентрированного раствора в менее концентрированный. Чтобы получать пресную воду при пропускании через мембрану морской воды, необходимо обеспечить разность давлений в 20 атмосфер. По этому принципу работают опресняющие установки на кораблях и яхтах. Теперь опустим мембранный аппарат в море на глубину 3000 метров. На поверхность выведем трубу, заполненную пресной водой. Плотность пресной воды – 1000 кг/м3 , а плотность морской воды – 1100 кг/м3. Значит, с одной стороны на мембрану действует давление столба морской воды в 330 атмосфер, а с другой – давление столба пресной воды в трубе в 300 атм. Перепада давление в 30 атм достаточно, чтобы проходил процесс опреснения воды и эта пресная вода вырывалась из трубы струей в100 метров высотой. Укротим струю, поставим турбину и будем получать дешевую пресную воду и бесплатную энергию.

Зреет революция в химической технологии и биотехнологии. Концепция мембранного реактора призвана решить проблемы неполной утилизации сырья, ингибирования процесса продуктами реакции, перехода на непрерывный способ производства. Идея заключается в выводе через мембрану из реакционной зоны только, но не исходных компонентов. Удивительные перспективы открывает мембранное разделение газовых смесей. Только из воздуха можно получить азот или обедненный кислородом воздух и использовать его для создания условий высокогорья в тренировочных комплексах, в хранилищах овощей и фруктов, на АЗС, в топливных баках самолетов. Но также легко получить и обогащенный кислородом воздух, который необходим в реанимационных палатах, в водоемах для выращивания рыбы, в металлургии и т.д.

8. При повышении температуры на 50^о скорость реакции возросла в 1200 раз. Вычислите температурный коэффициент скорости.

Решение. По правилу Вант-Гоффа

,

где:

v₁ – скорость реакции при температуре t₁

v₂ – скорость реакции при температуре t₂;

γ – температурный коэффициент скорости реакции.

Преобразуем эту формулу для решений задачи и получим:

,

В которой отношение  показывает во сколько раз увеличится скорость реакции, а разность t₂ – t₁ = ∆t показывает на сколько градусов повысится температура.

По условию  = 1200, t₂ – t₁ =50⁰.

Подставим данные значения в уравнение Вант-Гоффа:

1200 = ,

1200 = γ^5,

^{γ =} ,

γ = 4,129 ~4,13

Ответ. Температурный коэффициент, v = 4,13. / 4, стр.63/

9. Для заливки в аккумуляторную батарею владельцу легковой автомашины понадобился 37%-ный раствор серной кислоты. Он взял 2 л 50%-ного раствора с плотностью 1,40 г/см³ и добавил к нему 1 л 10%-ного раствора с плотностью 1,07 г/см³. Получил ли автолюбитель раствор с требуемой массовой долей серной кислоты? Если нет, то какой объем 10%-ного раствора серной кислоты ему следовало взять?

Решение. Найдем массу m, г,  каждого раствора через его плотность по формуле:

m(р-ра) = ρ × V,

где ρ – плотность раствора, г/см³

V – объем раствора, см³

m(50%р-ра) = 2×10³ ×1,40 = 2800 г

m(10%р-ра) = 1×10³ ×1,07 = 1070 г

m(х р-ра) = 2,8 + 1,07 = 3870 г

Пользуясь правилом «креста», найдем какой концентрации получится раствор при смешении данных растворов.

50       2800

                                                            х

                                     

                                                   10           1070

Исходя из данного правила, составим уравнение:

50 × 2800 + 10 × 1070 = 3870х

140000 + 10700 = 3870х

х = 38,94%-ный раствор получится при смешении данных растворов.

Чтобы определить какой объем 10%-ного раствора серной кислоты нужно взять чтобы получился 37%-ный раствор, воспользуемся правилом «креста»

50   27 : 1,40 = 19,29

                                                    37

                                            10    13 : 1,07 = 12,15

Значит, в 31,44 г р-ра → 12,15 г H₂SO₄ 10%

           3870 г р-ра → х г H₂SO₄ 10%

х = ( 3870 × 12,15) / 31,44 = 1495,56 г H₂SO₄ 10%

Ответ. При смешении 50%-ного и 10-ного растворов серной кислоты в данных количествах, нужная концентрация раствора не получается. Чтобы получить 37%-ный раствор нужно взять 1495,56 г 10%-ной серной кислоты или 1,4л. / 2,стр.48/

 

 

Метод гальванопластики позволяет изготовлять металлические копии различных предметов. При этом слепок предмета, покрытый проводящим покрытием, подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока и погружают в раствор сульфата меди, а второй, погруженный в этот раствор медный электрод, подключают к положительному источнику постоянного тока. Вычислите массу меди которая выделится на катоде и растворится на аноде, если через электролизер пропускался ток в 1 A на протяжении 4 часов.

Решение. Согласно 1 закону Фарадея, количество выделившегося при электролизе вещества прямо пропорционально количеству протекшего через раствор электричества

М = К × Q,

где М – количество выделившегося вещества,

К – коэффициент пропорциональности, называемый электрохимическим эквивалентом вещества;

Q – количество протекшего электричества, Кл

Для выделения 1 г/экв любого вещества нужно пропустить через раствор 96500 кулонов.

Количество протекшего электричества, Q, определяем согласно уравнению

Q = I × t,

где I - сила тока, А

t – время, с

По условию I = 1A, t = 4ч = 14400с

Q = 1 × 14400 = 14400 Кл

Найдем эквивалент меди по формуле: 

Э = М_экв / f_экв

Э = 64 / 2 = 31,77 г/экв

Масса меди, выделившаяся на катоде равна:

М = (31,77 × 14400) / 96500 = 4,74 г

Ответ. Масса меди, выделившаяся на катоде равна 4,74 г. / 2, стр.34/

 

 

 

              СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. Захаренко В.В., Зиновкина Т.В., Таран А.Л., Костанян А.Е.; под ред. В.Г. Айштейна. М.: Логос; Высшая школа, 2003, Кн.2. 872с.:ил.

2. Глинка Н. Л., Задачи и упражнения по общей химии, изд. 18-е, 1970г.

3. Глинка Н. Л. Общая химия. Изд. 16-е, перераб. Л. «Химия», 1974.

4. Дровозорова Т.И., Сербиновская Н.М., Горобцова О.Н. «Пособие-репетитор по химии». Учебное пособие. – Москва:ИКЦ «МарТ»; Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2003. – 368с.

5. Кнорре Д.Г., Крылова Л.Ф., Музыкантов В.С. «Физическая химия», Москва, Высшая школа, 1990

6. Ротинян А. Л., Тихонов К.И., Шошина И.А. Теоретическая электрохимия/Под ред. А. Л. Ротиняна. – Л.: Химия, 1981. – 424с., ил.

7. http://www.xumuku.ru/himiya/default.html