Массообмен через полупроницаемую мембрану в фармацевтической технологии

Курский государственный медицинский  университет

 

Фармацевтический факультет

Заочное отделение

 

Кафедра фармацевтической технологии

 

 

 

Рудозуб Марина Александровна

Студентка 6 курса  группы №5

 

 

Массообмен  через полупроницаемую мембрану

в фармацевтической технологии

Курсовая  работа

 

 

 

Обратный  адрес

 

 

 

 

 

 

 

 

Курск 2012

 

Содержание

 

Введение                                                                                                стр.3

1. Теории мембранного  разделения                                                    стр.4

2. Классификация мембранных  процессов                                         стр.5

3. Полупроницаемые мембраны                                                          стр.6

3.1. Определение и основные  требования                                          стр.6

3.2. Классификация мембран  и их характеристика                         стр.6

4. Характеристика мембранных  методов разделения                    стр.12

4.1. Обратный осмос                                                                           стр.12

4.2. Ультра- и микрофильтрация                                                       стр.13

4.3. Диализ                                                                                             стр.15

4.4. Испарение через мембрану                                                           стр.16

4.5. Электродиализ                                                                               стр.17

4.6. Мембранная фильтрация                                                             стр.18

Заключение                                                                                            стр.19

Список использованной литературы                                                  стр.20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Процессы разделения жидких и газовых  смесей играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Для осуществления  процессов разделения жидких смесей применяют перегонку, ректификацию, экстракцию, адсорбцию. Однако наиболее универсальным методом разделения является разделение с использованием полупроницаемых мембран (мембранные методы разделения).

Мембранные методы в последние  годы интенсивно развиваются и применяются  в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической, биотехнологической промышленности, а также при обработке  воды и водных растворов, очистке  сточных вод.

Из вышесказанного следует, что  актуальность рассмотрения данной темы очень высока, так как мембранные процессы экономически более выгодны  и экологически более чистые.

Целью моей курсовой работы является: наиболее точно и полно рассказать о сущности процессов разделения через полупроницаемые мембраны, видах мембран, их характеристиках  и преимуществах данных методов  перед другими методами разделения.

Моей задачей является: изложить теоретические основы массообмена  через полупроницаемые мембраны, как наиболее перспективного метода разделения в настоящее время.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Теории мембранного разделения

 

Механизм переноса атомов, молекул  или ионов различных веществ  через полупроницаемые мембраны может быть объяснен одной из рассмотренных  ниже теорий.

Теория просеивания предполагает, что в полупроницаемой мембране существуют поры, размеры которых  достаточны для того, чтобы пропускать растворитель, но слишком малы для  того, чтобы пропускать молекулы или  ионы растворенных веществ.

Теория молекулярной диффузии основана на неодинаковой растворимости и  на различии коэффициентов диффузии разделяемых компонентов в полимерных мембранах.

Теория капиллярно-фильтрационной проницаемости основана на различии физико-химических свойств граничного слоя жидкости на поверхности мембраны и раствора в объеме. Так, граничный  слой жидкости обладает упорядоченной  структурой, отличается составом и, следовательно, вязкостью, растворяющей способностью.

На поверхности внутри пор капилляров мембраны, погруженной в раствор  электролита, возникает граничный слой связанной воды. Связанная в этом слое вода теряет растворяющую способность по отношению к растворенным в объеме солям. Следовательно, селективность мембраны тем выше, чем больше толщина граничного слоя и чем больше размеры гидратированных ионов соли (18).

На основании рассмотренной  теории можно заключить, что обессоливание  водных растворов электролитов обратным осмосом есть дегидратация ионов, т.е. отбор воды, наименее прочно связанной  с поверхностью мембраны и с ионами солей под действием приложенного из вне давления.

 

 

2. Классификация мембранных процессов

 

По виду основной движущей силы:

- баромембранные процессы –  движущая сила - градиент давлений (обратный осмос, ультра- и микрофильтрация);

- диффузно-мембранные процессы  – движущая сила - градиент концентраций (диализ, испарение через мембрану, мембранное разделение газов);

- электромембранные процессы – движущая сила - градиент электрического потенциала (электродиализ, электроосмос);

- термомембранные процессы –  движущая сила - градиент температур (мембранная фильтрация).

Прошедший через мембрану продукт  принято называть пермеатом, а оставшуюся перед мембраной разделяемую  смесь – ретантом (концентратом) (5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Полупроницаемые мембраны

 

3.1. Определение и основные требования

Мембрана – полупроницаемая  перегородка, пропускающая определенные компоненты жидких или газовых смесей.

Основные требования:

- высокая разделяющая способность  (селективность);

- высокая удельная производительность (проницаемость);

- химическая стойкость к действию  среды разделяемой системы;

- механическая прочность (достаточная  для сохранности в процессе  монтажа, транспортировки, хранения  и эксплуатации);

- свойства не должны меняться  в процессе эксплуатации.

Для изготовления мембраны применяют  различные полимеры (ацетаты целлюлозы, полиамиды, полисульфон), керамику, стекло, металлическую фольгу, что обуславливает  свойства мембран и их прочность  в процессе эксплуатации (6, 12).

 

3.2. Классификация мембран и их  характеристика

В настоящее время существуют различные  классификации мембран, но, на мой взгляд, наиболее полной является классификация мембран в зависимости от механической прочности.

1. Уплотняющиеся (полимерные):

- с анизотропной структурой;

- с изотропной структурой.

2. С жесткой структурой:

- металлические;

- керамические;

- из пористого стекла;

- нанесенные: пропитанные и напыленные;

- динамические.

3. Пористые.

4. Непористые (диффузионные).

5. Жидкие (15).

К уплотняющимся относятся мембраны, которые под воздействием давления или каких-либо других факторов уплотняются. Эти мембраны отличаются эластичностью, что упрощает их герметизацию в аппаратах. Наибольшее применение получили мембраны из лиофильных материалов, обладающие высокой удельной производительностью.

Мембраны с аназотропной структурой получают обычно из растворов полимеров  с различными добавками путем  удаления растворителей или предварительно введенных в них добавок в  условиях, препятствующих уплотнению полимера вследствие действия капиллярных  сил.

Для получения листовых (пленочных) полупроницаемых мембран применяют  сухой (спонтанный), мокрый (коагуляционный) и термальный методы. Помимо 3-х основных методов получения пленочных мембран можно использовать так же модифицированные промышленные капиллярные пленки, например, прививку веществ, содержащих гидрофильные группы (6).

Помимо пленок мембраны можно получать в виде полых волокон. При формировании волокон из расплава полимера применяют  различные добавки (9).

Мембраны с изотропной структурой. Эти мембраны получают облучением тонких полимерных пленок заряженными частицами  или электромагнитным излучением с  последующим травлением химическими  реагентами, поэтому их называют ядерными мембранами или нуклеопорами (5).

В настоящее время можно получать ядерные мембраны с порами диаметром  от нескольких нанометров до нескольких десятков микрометров. Преимущество этих мембран – отклонение диаметров  пор от номинального значения не превышает 10%,правильная, практически круглая форма поперечного сечения пор, использование материалов стойких к агрессивным средам, устойчивость к воздействию бактерий, стойкость к химической и термической обработке (6).

Металлические мембраны изготавливают  выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава. Они отличаются высокой пористостью и очень  узким распределением пор по размерам. Диаметр пор в таких мембранах 0,1-6 мкм, но в случае необходимости  его можно уменьшить, используя  при получении мембран тонкую металлическую фольгу.

Основное преимущество металлических  мембран – однородность структуры  и размеров пор. Они не подвержены воздействию бактерий, химически  стойки в различных средах (8).

Мембраны на основе керамических материалов обычно изготавливают двух и трехслойные, т.е. они относятся к композитным  мембранам. Подложка имеет поры размером 3,0-15 мкм. На нее наносят мембранообразующий слой толщиной в несколько микрометров (на основе оксидов алюминия, титана и др.).

Керамические мембраны находят  широкое применение для проведения процессов микро- и ультрафильтрации, их можно использовать для разделения и очистки агрессивных сред, в  том числе и при повышенных температурах (5).

Мембраны из пористого стекла обладают высокой химической стойкостью и  жесткостью структуры, не подвержены действию микроорганизмов. Эти свойства позволяют  использовать их при разделении растворов  в широком интервале рН (1-10). Эти  мембраны изготавливают в виде пластин, пленок, трубок, капилляров, полого волокна; их можно подвергать как тепловой, так и химической стерилизации. Данные мембраны не находят широкого применения в фармацевтической технологии (7).

   Нанесенные мембраны подразделяют в зависимости от способа получения:

- пропитанные мембраны – в  качестве пористой основы используют  различные материалы: пористую  нержавеющую сталь, металлокерамические  перегородки, а в качестве веществ,  уменьшающих размеры пор, - нерастворимые  соли, которые образуются в результате  химического взаимодействия между специально подобранными растворимыми солями (2);

- напыленные мембраны получают  напылением на микропористую  подложку различных веществ (из  растворов и расплавов полимеров,  металлов и др.), обладающих склонностью  к сцеплению с материалом подложки. При этом, изменяя толщину напыленного  на подложку слоя, можно направленно  регулировать размер пор. Данные  мембраны очень редко применяют  в процессе фармацевтической  технологии (5).

Динамические мембраны получают фильтрованием  раствора, содержащего специальные  добавки диспергированных веществ, через пористые подложки. Подложки, имея номинальный диаметр пор  от долей микрометра до 5 мкм, неспособны задерживать молекулы и ионы растворенных низкомолекулярных веществ. Но в  результате сорбции дисперсных частиц на поверхности подложки, обращенной к раствору, образуется полупроницаемый  слой (8).

Ряд особенностей динамических мембран  обусловливает перспективность  их применения в крупных установках, например, для очистки промышленных сточных вод.

Другое важнейшее достоинство  динамических мембран – высокая  удельная производительность, достигающая  сотен литров с квадратного метра  в час, что превышает удельную производительность широко распространенных ацетатцеллюлозных мембран для  обратного осмоса (6).

Динамические мембраны можно эффективно использовать для очистки слабоминерализованных  сточных и природных вод, концентрирования водных растворов. Больший практический интерес представляют динамические мембраны, образованные одним или несколькими компонентами, содержащимися непосредственно в обрабатываемых растворах.

Пористые мембраны нашли широкое  применение прежде всего в процессах  обратного осмоса, микро- и ультрафильтрации, реже для разделения газов. Они имеют  как анизотропную, так и изотропную структуру. Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный  тонкопористый слой толщиной 0,25-0,5 мкм (называются активными или селективными), представляющий собой селективный  барьер. Компоненты смеси разделяются  именно этим слоем, расположенным со стороны разделяемой смеси. Крупнопористый слой толщиной примерно 100-200 мкм, находящийся  под активным слоем, является подложкой, повышающей механическую прочность  мембраны.