История возникновения и развития мембранной технологии

Первая научная публикация по мембранным методам разделения принадлежит аббату и ученому Жану Антуану Нолле, который изучал причины вскипания жидкостей и поставил серию экспериментов со свиными пузырями, примененными им в качестве мембран [1]. Он плотно закрывал колбу, заполненную этанолом, мембраной из свиного пузыря и помещал её в сосуд с водой. В результате Нолле с удивлением наблюдал, что через 5 часов в колбе объём жидкости увеличился, а мембрана растянулась и стала выпуклой. При замене этанола в колбе на воду, которую он помещал в сосуд со спиртом, ситуация была обратной. Пузырь прогнулся вниз и объём воды в колбе уменьшился. Нолле объяснил это явление избирательным переносом воды через мембрану из свиного пузыря.

Впервые непосредственно применил мембрану для разделения смесей Дютроше, который опубликовал в 1827 году результаты своих исследований, где он использовал как органические, так и неорганические мембраны для разделения жидкостей.

В 1861 Томас Грэм (Англия) доложил о своих первых экспериментах по диализу с помощью синтетических мембран. Грэм выполнил первое мембранное разделение газов и получил обогащенный кислородом воздух, содержащий кислород на 46,6%.

В 1877-м немецкий физиолог В.Пфефер впервые измерил осмотическое давление, а через десять лет X.Вант-Гофф установил зависимость данной величины от концентрации растворенного вещества, строения и массы его молекулы. Важным итогом исследовательских работ стало открытие того, что под воздействием внешнего давления, равного осмотическому, диффузия молекул воды сквозь мембрану прекращается. Дальнейшее повышение прикладываемого давления вызывает изменение направления движения молекул воды через мембрану из более концентрированного раствора в разбавленный. Этот процесс называется обратным осмосом.

Дальнейшие теоретические знания в области мембран, связаны с такими учеными, как: Эйнштейн (осмотическое давление, 1905); Хендерсон (мембранный потенциал, 1907); Доннан (мембранное равновесие, 1911); Кедем, Качальский (неравновесная термодинамика, 1930).

Неофициальным днем рождения промышленной мембранной технологии является дата публикация патента № 3133132 от 12 мая 1964 года авторов Леба и Сурираджана в США, где заявлялся способ получения высокопроизводительной полупроницаемой мембраны. В середине 60-х годов была запущена первая промышленная установка опреснения воды обратным осмосом.

История мембранной технологии в России

История мембранной технологии в России неразрывно связанна с именем Юрия Иосифовича Дытнерского (1925 - 2001) - доктором технических наук, профессором, заслуженным деятелем науки и техники РСФСР.

Проводя в конце 50-х годов прошлого века исследования в области массообмена в процессе ректификации, Ю.И. Дытнерский открыл новый метод разделения, получивший название "испарение через мембрану". С этого времени и можно вести отсчет развития мембранной технологии в нашей стране.

Вначале к процессам мембранного разделения в нашей стране относились несерьезно, с некоторой иронией. Однако Ю.И. Дытнерский и его коллеги обнаружили аналогичные работы за рубежом, в США, и поняли, что необходимо интенсифицировать свои исследования, чтобы не отстать от зарубежных коллег.

И если в первых работах по мембранному разделению использовались, в качестве мембран, случайные материалы, то теперь возникла необходимость создания специальных полупроницаемых мембран. Первые такие мембраны были изготовлены из полиэтилена и полипропилена Головиным В.Н. и применялись для разделения неполярных органических жидкостей.

Уже к середине 60-х годов круг исследователей мембранной технологии значительно расширился, кроме того, расширилась и тематика исследований. Стали появляться исследования по обратному осмосу, затем по ультра- и микрофильтрации, уже позднее по мембранному газоразделению и мембранной фильтрации. Открылся центр по исследованию и производству мембран во Владимире (ВНИИС), выпускающий ацетилцеллюлозные, а в последствие, и другие типы мембран.

Интенсивные исследования велись и в Менделеевском университете, где заведующим кафедрой процессов и аппаратов химической технологии был Ю.И. Дытнерский. Здесь проводились исследования по большинству направлений мембранной технологии: исследовался механизм полупроницаемости мембран, разрабатывались способы их получения, конструировались и создавались мембранные аппараты, разрабатывались способы расчёта мембранных процессов и аппаратов. Именно в РХТУ им. Д.И. Менделеева была основана кафедра мембранной технологии, которая до настоящего времени является единственной кафедрой в России, выпускающей специалистов по мембранной технологии.

По мере накопления исследовательских и теоретических знаний по мембранной технологии, стали изучаться возможности ее применения в промышленности. В нашей стране начали создаваться промышленные производства мембран и мембранного оборудования, существенно расширились отрасли, в которых применялись мембраны.

В современной России мембранные технологии также занимают ведущие позиции. Усовершенствование инновационных, энергосберегающих технологий, в том числе и мембранной, является приоритетным направлением развития России. Так, решением Правительственной комиссии по научно-технической политике от 21 июля 1996 г. мембранная технология получила статус критической технологии федерального уровня [2].

Ключевые области применения мембран и систем на их основе:

  • очистка воды (37%) – бытовая и промышленная водоподготовка;
  • переработка промышленных отходов и возврат ценных веществ в производственный цикл (17%);
  • биотехнологии и медицина (9%) – получение чистой воды, сбор клеточных структур, концентрирование биологически активных веществ и препаратов, процедуры в области переливания крови и генной инженерии;
  • пищевая промышленность (14%) – получение чистой воды (для производства пива, вина, ликероводочной продукции, бутилированной воды и т.п.), извлечение белков из молочной сыворотки и другие операции молочной промышленности и т.п.;
  • химическая промышленность (11%) – разделения, очистка, изменение концентрации жидких смесей, выделение всевозможных летучих веществ;
  • разделение газовых смесей (12%) – нефтегазодобывающая и нефтегазоперерабатывающая промышленности, обогащение кислородом воздуха и т.п.

Основной объем мембран потребляется в перечисленных выше шести областях, преимущественно для фильтрации жидких сред (88%). В настоящее время, кроме перечисленных выше областей, мембраны начинают применяться и в ряде других: каталитические мембраны, сенсоры для контрольно-измерительной аппаратуры и другие производства. Возможно, многие применения мембран еще не открыты. Как сказал Ричард Боуэн: «Если ты устал от мембран, значит, ты просто устал от жизни» [3].

Список использованной литературы

  1. Nollet J..A. Lecons de physique-experimental. – Paris: Hippolyte-Louis Guerin, 1748
  2. Приоритетные направления развития науки и техники. Критические технологии Федерального уровня (утв. Правительственной комиссией по научно-технической политике 21.07.96 №2727П-П8, №2728П-П8).
  3. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. Пер. с англ. – М.: Мир, 1999. – 513 с.