Méthodes membranaires pour séparer les mélanges. Technologie membranaire Technologie de séparation membranaire

Les méthodes de séparation membranaire comprennent :

1. Dialyse et électrodialyse.

2. Osmose inverse.

3. Microfiltration.

4. Ultrafiltration.

Ces méthodes sont basées sur le phénomène d'osmose - la diffusion de substances dissoutes à travers une cloison semi-perméable, qui est une membrane avec un grand nombre (jusqu'à 10 10 -10 11 par 1 m 2) de petits trous - pores, le dont le diamètre ne dépasse pas 0,5 micron.

Une membrane est généralement comprise comme une cloison plate ou tubulaire hautement poreuse ou non poreuse constituée de matériaux polymères ou inorganiques et capable de séparer efficacement des particules de divers types (ions, molécules, macromolécules et particules colloïdales) dans un mélange ou une solution. L'utilisation de membranes permet de créer des technologies économiquement très efficaces et à faibles déchets.

Parmi les processus membranaires, les processus baromembranaires se développent de manière particulièrement intensive. Si l'osmose inverse a été étudiée de manière assez complète, cela s'applique dans une bien moindre mesure à la microfiltration, et plus encore à l'ultrafiltration, malgré ses promesses évidentes. Les limites des méthodes de séparation baromembranaire ne sont pas clairement définies, ce qui, apparemment, est fondamentalement impossible, car la micro- et l'ultrafiltration et l'osmose inverse se chevauchent largement tant en termes de description physico-chimique que de tâches à résoudre. Par conséquent, la classification ci-dessus des méthodes de séparation barométrique est largement conditionnelle. Cependant, chacune de ces méthodes a ses propres caractéristiques, sur la base desquelles plusieurs de leurs classifications ont été proposées.

La microfiltration est essentiellement un procédé hydrodynamique proche de la filtration conventionnelle. Une particularité de la microfiltration est l'utilisation de membranes d'un diamètre de pores de 0,1 à 10 microns pour séparer les petites particules de la phase solide, y compris les micro-organismes, dans ce cas on parle de filtration stérilisante. Par conséquent, contrairement au procédé de filtration en microfiltration, les phénomènes de diffusion (surtout avec de petites tailles de pores de 0,1 à 0,5 µm) jouent également un rôle.

L'ultrafiltration est basée sur l'utilisation de membranes avec un diamètre de pores de 0,001 à 0,1 µm. L'ultrafiltration est utilisée pour séparer les cellules et les molécules.

Les méthodes de séparation membranaire, telles qu'appliquées aux suspensions biologiques, présentent un certain nombre d'avantages.

1. La concentration et la purification sont réalisées sans modifier l'état d'agrégation et les transformations de phase.

2. Le produit transformé n'est pas exposé aux influences thermiques et chimiques.

3. L'impact mécanique et aérodynamique sur le matériel biologique est insignifiant.

4. L'étanchéité et les conditions d'asepsie sont facilement assurées.

5. La conception matérielle est de structure compacte et il n'y a pas de pièces mobiles.

6. Le processus n'a pas une intensité énergétique élevée, dans la plupart des cas, l'énergie est dépensée uniquement pour pomper des solutions.

Le mécanisme de transfert d'atomes, de molécules ou d'ions de diverses substances à travers des membranes semi-perméables peut être expliqué par l'une des théories suivantes.

La théorie du tamisage suggère qu'il y a des pores dans une membrane semi-perméable qui sont suffisamment grands pour permettre le passage du solvant, mais trop petits pour permettre le passage des molécules ou des ions du soluté.

La théorie de la diffusion moléculaire est basée sur la solubilité inégale et sur la différence de coefficient de diffusion des composants séparés dans les membranes polymères. La théorie de la perméabilité de la filtration capillaire est basée sur la différence des propriétés physico-chimiques de la couche limite d'un liquide à la surface de la membrane et de la solution dans le volume.

Parmi les théories proposées, le modèle de filtration capillaire s'est généralisé.

Le principal corps de travail des dispositifs à membrane est constitué de membranes semi-perméables. Les membranes doivent avoir un pouvoir ou sélectivité séparateur élevé, une productivité ou perméabilité spécifique élevée, une constance de leurs caractéristiques en fonctionnement, une résistance chimique en milieu séparateur, une résistance mécanique et un faible coût. La sélectivité et la perméabilité sont les caractéristiques technologiques les plus importantes des membranes et des appareils dans leur ensemble.

La sélectivité de la membrane dépend de la taille et de la forme des molécules de soluté. Il convient de garder à l'esprit que dans presque tous les cas, il existe des molécules qui ne sont retenues que partiellement par la membrane. Les membranes sont fabriquées à partir de divers matériaux : films polymères, verre, céramique, feuille de métal, etc. Les membranes constituées de films polymères sont largement utilisées.

Les membranes semi-perméables sont poreuses ou non poreuses. A travers des membranes non poreuses, le procédé est réalisé par diffusion moléculaire. Ces membranes sont appelées membranes de diffusion et sont utilisées pour séparer des composants ayant des propriétés similaires. Les membranes poreuses sont constituées principalement de matériaux polymères et peuvent être anisotropes et isotropes.

Les membranes poreuses sont généralement obtenues en éliminant les solvants ou en éliminant les additifs précédemment introduits des solutions de polymères lors de leur formation. Les membranes ainsi obtenues ont une fine couche superficielle de 0,25-0,5 µm sur un substrat microporeux de 100-250 µm d'épaisseur. Le processus de séparation de la membrane est effectué dans la couche tensioactive et le substrat fournit la résistance mécanique de la membrane.

Les membranes nucléaires, ou nucléopores, sont largement utilisées. Ces membranes sont formées par irradiation de films polymères minces avec des particules alpha chargées, suivie d'une gravure des pores avec des réactifs chimiques.

Les principaux avantages des membranes nucléaires comprennent :

La forme ronde correcte des pores;

Possibilité d'obtenir des membranes avec des tailles et un nombre de pores prédéterminés ;

Même taille de pores ;

Résistance chimique.

Les membranes nucléaires sont fabriquées à base de films de carbonate avec un diamètre de pores de 0,1 à 8 µm.

Outre les membranes polymères, on connaît les membranes à structure rigide :

métal, verre poreux, céramique.

Les membranes métalliques sont fabriquées par lixiviation ou sublimation d'un des composants de l'alliage de la feuille. Dans ce cas, des membranes hautement poreuses sont obtenues avec des pores de même taille - de l'ordre de 5 à 0,1 microns.

Une autre méthode de production de membranes métalliques est le frittage de poudre métallique à haute température par la méthode de la métallurgie des poudres.

Inconvénients des méthodes de séparation par membrane :

1. Certains matériaux de membrane s'usent rapidement.

2. Certaines difficultés surviennent dans le traitement des solutions contenant une phase solide.

Néanmoins, il convient de noter que l'utilisation des méthodes de séparation membranaire dans la technologie de la synthèse microbiologique est prometteuse.

PRINCIPALES REGULARITES DE LA SEPARATION SELECTIVE DES SOLUTIONS ET SUSPENSIONS BIOLOGIQUES SUR MEMBRANES POREUSES

Les principales méthodes membranaires de séparation des systèmes liquides comprennent l'osmose inverse, l'ultra- et la microfiltration. Ces méthodes se caractérisent par des caractéristiques communes telles que l'utilisation de matériaux semi-perméables, c'est-à-dire. des membranes qui laissent passer différents composants de solutions et de suspensions de différentes manières, l'utilisation d'une surpression comme force motrice dans le processus, des méthodes de lutte contre la polarisation de concentration.

La division de ces méthodes est largement conditionnelle et repose, en règle générale, sur la taille des objets filtrés et la taille des pores des membranes semi-perméables correspondantes.

Il convient de distinguer plus clairement les méthodes d'ultrafiltration et de microfiltration selon les états de phase des systèmes à séparer (solutions et suspensions, respectivement), et les méthodes d'ultrafiltration et d'osmose inverse selon le mécanisme de perméabilité (flux visqueux et diffusion activée).

On peut déterminer approximativement que les membranes d'osmose inverse peuvent retenir des particules supérieures à 1-10 -4 microns, c'est-à-dire ions inorganiques hydratés, et l'ultrafiltration est plus efficace pour les particules supérieures à 1-10 -3 microns, c'est-à-dire les membranes d'ultrafiltration peuvent retenir les molécules organiques et les ions. Ainsi, la microfiltration permet de retenir efficacement les particules de 5-10 -2 à 10 microns, celles qui ne précipitent pas des solutions dans le champ des forces gravitationnelles.

Cependant, il n'est pas possible de définir clairement les limites d'application des différentes méthodes membranaires, à la fois en raison de la généralité des phénomènes physiques sous-jacents à ces méthodes, et en raison de la large gamme de propriétés et de la nature des substances séparées par des processus baromembranaires.

FONDEMENTS PHYSIQUES DE LA MICROFILTRATION

La séparation des solutions et suspensions par microfiltration est basée sur la différence et les tailles hydrodynamiques effectives des molécules et particules séparées. Le processus de séparation est décrit en termes de diverses théories et mécanismes de semi-perméabilité, qui prennent en compte l'influence des facteurs physico-chimiques, hydrodynamiques et intermoléculaires sur le passage des particules à travers les membranes.

En règle générale, l'analyse et le calcul des processus d'ultrafiltration et de microfiltration sont effectués d'un point de vue unifié. Cette approche est justifiée si l'on tient compte du fait que ces processus s'accompagnent généralement de la formation d'une couche de précipité sur la membrane, qui fournit la principale résistance au transfert de masse. La formation de ce précipité et ses propriétés peuvent être décrites par des dépendances simples.

Les phénomènes de surface à l'interface membrane-solution, les propriétés de la solution et du soluté (pour la microfiltration, les propriétés des particules dispersées) ont un impact important sur le procédé d'ultra et microfiltration.

L'objet de l'application de la microfiltration est, en règle générale, des systèmes colloïdaux (dispersés) ayant un milieu dispersé ("solvant") et une phase dispersée (particules en suspension dans un solvant). La séparation de ces phases est souvent confiée à la microfiltration des liquides.

Le rôle le plus important dans tous les processus de séparation par membrane est joué par les interactions adhésives et électrostatiques des particules avec la surface de la membrane.

Les objets cellulaires biologiques sont des systèmes lyophiles typiques. Pour eux, contrairement aux systèmes lyophobes, une forte interaction intermoléculaire de la substance de la phase dispersée avec le milieu dispersé est caractéristique. Cette interaction conduit à la formation d'enveloppes de solvat hydraté (si le milieu de dispersion est de l'eau) des molécules du milieu de dispersion autour des particules de la phase dispersée. De plus, les cellules des micro-organismes ont une charge (potentiel électrocinétique - ECP) ​​dont la valeur est différente pour différents micro-organismes. Pour le même type de micro-organismes, l'ampleur de la charge varie en fonction des conditions environnementales et des processus se produisant dans la cellule elle-même. La présence d'une charge dans les cellules permet de considérer les suspensions biologiques comme des solutions électrolytiques.

CONCENTRATION POLARISATION

Lors de la séparation de solutions et de suspensions à l'aide de membranes semi-perméables, le solvant passe principalement à travers la membrane. Dans ce cas, la concentration de la substance dissoute dans la couche limite près de la surface de la membrane augmente. L'augmentation de concentration se produit jusqu'à ce que, sous l'action du gradient de concentration émergeant de la substance dissoute entre la surface de la membrane et le volume de la solution, l'équilibre dynamique s'établisse.

Le phénomène de formation d'une couche limite près de la surface de la membrane, dans laquelle la concentration du soluté est supérieure à celle du volume principal de la solution, est appelé polarisation de concentration. L'effet de la polarisation de concentration sur la filtration est toujours négatif pour les raisons suivantes :

La pression effective diminue en raison d'une augmentation de la pression osmotique de la solution, qui est déterminée par la concentration dans la couche limite. Cela conduit à une diminution de la vitesse de traitement et de la sélectivité, et raccourcit la durée de vie des membranes, qui dépend largement de la concentration du soluté.

La polarisation de concentration est associée à la formation d'une couche limite séparant la surface de la membrane de la solution en vrac. L'épaisseur de cette couche est généralement déterminée par les conditions hydrodynamiques de l'installation - l'intensité du brassage et le débit. Le profil de concentration de cette couche dépend du mode de déplacement de la solution.

Il existe deux modes de polarisation de concentration :

Pré-gel, lorsque la concentration à la surface de la membrane Cw est inférieure à la concentration de gélification Cg ;

Mode de polarisation de gel, lorsque Cw==Cg, et une couche de gel est formée sur la membrane.

La formation de gel à la surface de la membrane entraîne une chute brutale de la perméabilité et une augmentation de la capacité de rétention des membranes de microfiltration. Cependant, on suppose que la diminution de la perméabilité lors de la polarisation de concentration de la membrane n'est pas obtenue en bloquant complètement ses pores avec une couche de gel, mais en les modifiant avec un gel de telle sorte que les tailles effectives de tous les pores diminuent. par une certaine valeur constante R. La membrane de gel dite dynamique est formée. Dans ce cas, le mécanisme classique de séparation par filtration capillaire est réalisé dans les pores réduits de la membrane.

On pense également que pour l'apparition d'une polarisation de concentration, les tailles des particules filtrées doivent fournir un rapport "critique" des tailles de particules et de pores, qui caractérise la transition du régime de pré-gel au régime de gel de polarisation de concentration en raison d'une augmentation de le coefficient de rétention.

Pour réduire l'effet néfaste de la polarisation de la concentration sur le processus de microfiltration, différentes méthodes sont utilisées : augmentation de la température (ce qui entraîne une diminution de la viscosité et une augmentation de la concentration de gélification), un champ électrique est utilisé, des débits tangentiels élevés et une filtration pulsée modes sont utilisés.

INFLUENCE DES FACTEURS EXTERNES SUR LES CARACTERISTIQUES DE SEPARATION

Le choix de la pression de travail dépend du type de procédé, de la nature et de la concentration de la solution séparée, du type de membrane utilisée, de la conception de l'appareil, de la résistance hydraulique, etc. Pour la microfiltration, la pression de travail est de 0,03-0,1 MPa, et est déterminée expérimentalement pour chaque solution.

Une augmentation de la pression de fonctionnement entraîne une augmentation du débit de filtration jusqu'à certaines limites, du fait qu'une augmentation de la pression entraîne une augmentation et un compactage de la couche de gel à la surface de la membrane.

Du fait de l'exposition à de fortes pressions sur les membranes, des déformations résiduelles importantes peuvent être observées : lors de la suppression de la pression, la structure membranaire ne revient pas à son état d'origine. Le rétrécissement de la structure membranaire réduit la perméabilité et augmente la sélectivité.

Une analyse des données sur l'effet de la température sur la sélectivité et la perméabilité des membranes lors de la microfiltration montre qu'une augmentation de la température entraîne une augmentation à la fois de la perméabilité et de la sélectivité. Cela est dû au fait que la viscosité du perméat diminue et que l'influence de la polarisation de la concentration des membranes diminue également de manière significative.

Avec une augmentation de la concentration de substances dissoutes dans la solution à séparer, les performances des membranes se détériorent - productivité et sélectivité spécifiques. La concentration augmente la pression osmotique de la solution et réduit donc la force motrice effective du processus de séparation.

CONFÉRENCE 4. VACCINS.

La vaccination contribue à la formation d'une immunité contre les micro-organismes pathogènes chez le receveur et le protège ainsi de l'infection. En réponse à l'administration orale ou parentérale du vaccin, des anticorps dirigés contre le micro-organisme pathogène sont produits dans l'organisme hôte, qui, lors d'une infection ultérieure, conduisent à son inactivation (neutralisation ou mort), bloquent sa prolifération et empêchent le développement de la maladie.

L'effet de la vaccination a été découvert il y a plus de 200 ans - en 1796 - par le médecin Edward Jenner. Il a prouvé expérimentalement qu'une personne qui a eu la cowpox, une maladie bénigne du bétail, devient immunisée contre la variole. La variole est une maladie très contagieuse avec une mortalité élevée : même si le patient ne meurt pas, il développe souvent diverses malformations, des troubles mentaux et la cécité. Jenner a inoculé publiquement un garçon de 8 ans, James Phipps, avec le cowpox en utilisant l'exsudat de la pustule d'un patient vacciné, puis, après un certain temps, a infecté deux fois l'enfant avec du pus de la pustule d'un patient atteint de variole. Toutes les manifestations de la maladie se limitaient à une rougeur au site d'inoculation, qui disparaissait après quelques jours.

Auparavant, les maladies infectieuses comme la tuberculose, la variole, le choléra, la fièvre typhoïde, la peste bubonique et la poliomyélite étaient un véritable fléau pour l'humanité. Avec l'avènement des vaccins, des antibiotiques et la mise en place de mesures préventives, ces maladies épidémiques ont été maîtrisées. Cependant, les mesures de protection sont devenues inefficaces au fil du temps et de nouvelles épidémies sont apparues. En 1991, une épidémie de choléra frappe le Pérou ; au cours des trois années suivantes, environ 1 million de cas ont été identifiés, dont plusieurs milliers sont décédés. Malheureusement, il n'existe pas de vaccins contre de nombreuses maladies humaines et animales. Aujourd'hui, plus de 2 milliards de personnes dans le monde souffrent de maladies qui pourraient être évitées par la vaccination. Les vaccins peuvent également être utiles pour prévenir les "nouvelles" maladies qui apparaissent sans cesse (telles que le SIDA).

En règle générale, les vaccins modernes sont créés sur la base de micro-organismes pathogènes tués (inactivés) ou de souches vivantes, mais non virulentes (atténuées). Pour ce faire, la souche sauvage est cultivée, purifiée, puis inactivée ou modifiée de manière à susciter une réponse immunitaire suffisamment efficace contre la souche virulente. Malgré des avancées significatives dans le développement de vaccins contre des maladies telles que la rubéole, la diphtérie, la coqueluche, le tétanos, la variole et la poliomyélite, la production de vaccins modernes se heurte à un certain nombre de limites :

Tous les micro-organismes pathogènes ne peuvent pas être cultivés, par conséquent, pour de nombreuses maladies, des vaccins n'ont pas été créés.

Une culture coûteuse de cellules animales est nécessaire pour obtenir des virus animaux et humains.

Le titre des virus animaux et humains en culture et le taux de leur reproduction sont souvent très faibles, ce qui augmente le coût de production des vaccins.

Des précautions strictes doivent être prises pour prévenir l'infection du personnel.

Si le processus de fabrication est perturbé, des micro-organismes virulents vivants ou insuffisamment atténués peuvent être introduits dans certains lots de vaccins, ce qui peut entraîner une propagation involontaire de l'infection.

Les souches atténuées peuvent revenir à la souche d'origine, la virulence doit donc être constamment surveillée.

Certaines maladies (comme le SIDA) ne peuvent pas être prévenues avec des vaccins conventionnels.

La plupart des vaccins actuels ont une durée de conservation limitée et ne restent actifs qu'à basse température, ce qui les rend difficiles à utiliser dans les pays en développement.

Au cours de la dernière décennie, avec le développement de la technologie de l'ADN recombinant, il est devenu possible de créer une nouvelle génération de vaccins qui ne présentent pas les inconvénients des vaccins traditionnels. Des méthodes de génie génétique sont utilisées pour les développer.

Le microorganisme pathogène est modifié par suppression des gènes responsables de la virulence. La capacité à déclencher une réponse immunitaire est préservée. Un tel micro-organisme peut être utilisé en toute sécurité comme vaccin vivant, car la culture en culture pure exclut la possibilité d'une récupération spontanée du gène entier.

Ils créent des systèmes vivants non pathogènes pour le transfert de déterminants antigéniques individuels d'un organisme pathogène non apparenté. Un tel système de transfert contribue au développement d'une réponse immunitaire prononcée contre un microorganisme pathogène.

Si les agents pathogènes ne se développent pas en culture, ils peuvent être isolés, clonés et exprimés dans un hôte alternatif (par exemple, E. coli ou des lignées cellulaires de mammifères) des gènes pour les protéines qui contiennent des déterminants antigéniques majeurs et utilisent ces protéines comme vaccins "sous-unitaires" (voir la section suivante).

Certains micro-organismes pathogènes agissent indirectement, provoquant le développement d'une réaction auto-immune contre les cellules hôtes infectées. Pour de telles maladies, il est possible de créer un système de destruction spécifique de cellules cibles en construisant un gène codant pour une protéine chimère dont une partie va se lier à la cellule infectée et l'autre va la détruire. Ce système n'est pas un véritable vaccin, bien qu'il ne fonctionne que sur les cellules infectées, éliminant la cause même du développement d'une réaction auto-immune.

Il existe des exigences moins strictes pour les vaccins animaux, de sorte que les premiers vaccins produits à l'aide de la technologie de l'ADN recombinant étaient des vaccins contre la fièvre aphteuse, la rage, la dysenterie et la diarrhée des porcelets. D'autres vaccins animaux sont en cours de développement et des vaccins humains recombinants seront bientôt disponibles.

GOST R ISO 15859-7-2010

Groupe L21

NORME NATIONALE DE LA FÉDÉRATION DE RUSSIE

SYSTÈMES SPATIAUX

Caractéristiques, prélèvements et méthodes d'analyse des fluides

Partie 7

CARBURANT POUR ROQUETTE À BASE D'HYDRAZINE

systèmes spatiaux. Caractéristiques des fluides, échantillonnage et méthodes d'analyse. Partie 7. Propulseur hydrazine

OKS 71.080.30*
OKP 24 7640
________________
* Dans IUS 10-2011 est donné avec OKS 49.140. -
Note du fabricant de la base de données.

Date de lancement 2012-01-01

Avant-propos

Les objectifs et les principes de la normalisation dans la Fédération de Russie sont établis par la loi fédérale du 27 décembre 2002 N 184-FZ "sur la réglementation technique" et les règles d'application des normes nationales de la Fédération de Russie - GOST R 1.0-2004 "Normalisation dans la Fédération de Russie. Dispositions fondamentales"

À propos de la norme

1 PRÉPARÉ PAR FSUE "VNITSSMV" sur la base de sa propre traduction authentique en russe de la norme spécifiée au paragraphe 4

2 INTRODUIT par le comité technique de normalisation TC 339 "Sécurité des matières premières, matériaux et substances"

3 APPROUVÉ ET MIS EN VIGUEUR par Arrêté de l'Agence fédérale de réglementation technique et de métrologie du 21 décembre 2010 N 930-st

4 La présente Norme internationale est identique à la Norme internationale ISO 15859-7:2004* Systèmes spatiaux - Caractéristiques des fluides, méthodes d'échantillonnage et d'analyse - Partie 7 : Propulseurs à base d'hydrazine. Méthodes d'échantillonnage et d'essai - Partie 7 : Propulseur hydrazine »).
________________
* L'accès aux documents internationaux et étrangers mentionnés dans le texte peut être obtenu en contactant le Service d'assistance aux utilisateurs. - Note du fabricant de la base de données.

Lors de l'application de cette norme, il est recommandé d'utiliser à la place des normes internationales de référence les normes nationales correspondantes de la Fédération de Russie et les normes interétatiques, dont les détails sont donnés dans l'annexe supplémentaire OUI

5 INTRODUIT POUR LA PREMIÈRE FOIS


Les informations sur les modifications apportées à cette norme sont publiées dans l'index d'informations publié annuellement "Normes nationales" et le texte des modifications et modifications - dans les index d'informations publiés mensuellement "Normes nationales". En cas de révision (remplacement) ou d'annulation de cette norme, un avis correspondant sera publié dans l'index d'information publié mensuellement "Normes nationales". Les informations, notifications et textes pertinents sont également publiés dans le système d'information public - sur le site officiel de l'Agence fédérale de réglementation technique et de métrologie sur Internet

Introduction

Introduction

Les opérations de propulseur d'hydrazine dans un port spatial ou un site de lancement d'engin spatial peuvent impliquer plusieurs opérateurs et interfaces fournisseur-consommateur sur le chemin de l'usine de fabrication à la livraison au lanceur ou à l'engin spatial. Le but de cette norme est d'établir des exigences uniformes pour les composants, les méthodes d'échantillonnage et les méthodes d'analyse pour le carburant de fusée à base d'hydrazine utilisé dans l'entretien des engins spatiaux et des équipements au sol. Les limites établies sur la composition du carburant de fusée à base d'hydrazine visent à déterminer les limites de pureté et d'impureté du carburant de fusée à base d'hydrazine pour les engins spatiaux et le ravitaillement en carburant des engins spatiaux. Les méthodes de prélèvement et les méthodes d'analyse du propulseur hydrazine sont adaptées à tout opérateur. Les méthodes d'échantillonnage et les méthodes d'analyse du propulseur hydrazine sont acceptables pour surveiller les limites du propulseur hydrazine.

1 domaine d'utilisation

La présente norme s'applique à l'hydrazine anhydre utilisée comme propulseur dans les systèmes spatiaux, ainsi que dans les équipements aéronautiques et les installations, systèmes et équipements au sol, des qualités suivantes :

- combustible standard : production conventionnelle et contrôle qualité (adapté à la plupart des applications) ;

- monoergol : carburant conventionnel avec contrôle strict des impuretés (destiné uniquement aux moteurs-fusées fonctionnant avec des carburants catalytiques monoergols dans les cas où une durée de vie prolongée du catalyseur est souhaitée) ;

- carburant de haute pureté : production spéciale avec un contrôle strict de la quantité d'impuretés.

La présente Norme internationale couvre l'échantillonnage nécessaire pour garantir que le propulseur à base d'hydrazine, lorsqu'il est livré à un lanceur, un engin spatial ou un navire, est conforme aux limites de composition spécifiées dans la présente Norme internationale ou dans la documentation technique convenue pour une application particulière.

La présente Norme internationale spécifie les valeurs limites pour la teneur en composants et les propriétés physiques de l'hydrazine anhydre (NH) et les exigences relatives aux méthodes d'échantillonnage et aux méthodes d'analyse pour contrôler la composition de l'hydrazine anhydre.

2 Références normatives

La présente Norme internationale utilise une référence normative à la Norme internationale suivante* :
_______________
* Pour les références datées, seule l'édition citée applique. Pour les références non datées, la dernière édition de la norme, y compris tous les amendements et amendements.
Voir le lien pour le tableau de conformité des normes nationales avec les normes internationales. - Note du fabricant de la base de données.


Systèmes de gestion de la qualité ISO 9000. Fondamentaux et vocabulaire (ISO 9000, Systèmes de management de la qualité - Fondamentaux et vocabulaire)

3 Termes et définitions

La présente Norme internationale utilise les termes spécifiés dans l'ISO 9000 et les termes suivants, avec leurs définitions respectives :

3.1 affaire particulière(particules) (qualité de carburant standard) : Particules insolubles restant sur le papier filtre, taille nominale 10 et 40 µm.

3.2 affaire particulière(particules) (grades de carburant monocomposant et de haute pureté) : Particules insolubles restant sur le papier filtre, taille nominale 2 et 10 µm.

3.3 Test de résistance(essai de vérification) : analyse effectuée sur un fluide contenu dans un conteneur ou sur un échantillon provenant d'un conteneur représentatif de l'expédition, afin de vérifier les limites de composition chimique d'un propulseur à base d'hydrazine.

4 Composition chimique et propriétés physiques

4.1 Composition chimique

Sauf disposition contraire dans la documentation technique applicable, la composition chimique du propulseur à base d'hydrazine fourni à un aéronef doit être conforme aux limites spécifiées dans le tableau 1 lorsqu'il est testé conformément aux méthodes d'analyse applicables.


Tableau 1 — Limites chimiques du propulseur hydrazine

Indice	Valeur limite
	Carburant standard	Carburant monocomposant	Carburant de haute pureté
Fraction massique d'hydrazine, %, pas moins de
Fraction massique d'eau, %, pas plus
Fraction massique d'ammoniac, %, pas plus
Particules solides, %, pas plus
Fraction massique de chlorures, %, pas plus
Fraction massique d'aniline, %, pas plus
Fraction massique de fer, %, pas plus
Fraction massique de sédiments non volatils, %, max
Fraction massique de dioxyde de carbone, %, pas plus
Fraction massique des autres composants volatils contenant du carbone, %, pas plus de
Teneur totale en monométhylhydrazine (MMH), diméthylhydrazine asymétrique (UDMH) et alcool.

4.2 Propriétés physiques

Le propulseur, lorsqu'il est inspecté visuellement en lumière transmise, doit être un liquide incolore et homogène.

5 Livraison

L'hydrazine des qualités spécifiées à la section 1 doit être fournie conformément à la présente norme.

6 Échantillonnage

Avertissement- L'hydrazine à l'état liquide et gazeux est un combustible inflammable, toxique, volatil et très réactif au contact d'un agent oxydant. Des précautions doivent être prises lors de la manipulation et du stockage de l'hydrazine, utiliser un équipement de protection et éviter tout contact avec des matériaux qui ne sont pas compatibles avec l'hydrazine.

6.1 Plan d'échantillonnage

Pour garantir que la composition chimique des propulseurs à base d'hydrazine respecte les limites spécifiées dans la présente norme, il est nécessaire que tous les opérateurs concernés élaborent un plan d'échantillonnage de l'hydrazine depuis la production jusqu'au ravitaillement en carburant des engins spatiaux et l'approuvent avec l'utilisateur final. L'échantillonnage et les méthodes d'analyse doivent être conformes à toutes les réglementations et règles de sécurité. Ce plan doit définir :

- points de prélèvement ;

- les techniques d'échantillonnage ;

- fréquence d'échantillonnage ;

- volume d'échantillons ;

- nombre d'échantillons;

- les méthodes d'analyse ;

- la responsabilité de l'échantillonnage de chaque opérateur.

6.2 Responsabilité de l'échantillonnage

Sauf indication contraire dans la documentation technique applicable, le fournisseur chargé de fournir à l'aéronef le carburant à base d'hydrazine doit échantillonner et vérifier la qualité de l'hydrazine fournie à l'aéronef par le fournisseur. Le fournisseur peut utiliser ses propres ressources ou d'autres ressources appropriées pour effectuer les essais de contrôle spécifiés dans la présente Norme internationale, sauf indication contraire du consommateur.

6.3 Points d'échantillonnage

Sauf indication contraire, l'échantillonnage est recommandé sur le site de stockage de l'ergol à base d'hydrazine ou avant le ravitaillement en carburant de l'aéronef.

6.4 Fréquence d'échantillonnage

L'échantillonnage doit être effectué annuellement ou selon un calendrier convenu entre le fournisseur et le client.

6.5 Volume d'échantillon

La quantité de carburant à base d'hydrazine dans un conteneur d'échantillon doit être suffisante pour permettre l'analyse des limites. Si un seul échantillon ne contient pas suffisamment de carburant hydrazine pour effectuer toutes les analyses requises pour l'assurance de la qualité, des échantillons supplémentaires doivent être prélevés dans des conditions similaires.

6.6 Nombre d'échantillons

Le nombre d'échantillons doit correspondre à ce qui suit :

a) un échantillon du conteneur de stockage ;

b) n'importe quel nombre d'échantillons - comme convenu entre le fournisseur et le consommateur.

6.7 Conteneur de stockage

Sauf indication contraire dans le plan d'échantillonnage applicable, le contenant d'entreposage ne doit pas être rempli après le prélèvement de l'échantillon.

6.8 Échantillons liquides

Les échantillons liquides doivent être des échantillons typiques provenant d'une source d'hydrazine liquide. Les échantillons doivent être prélevés par l'une des méthodes suivantes :

a) en remplissant le récipient d'échantillon et les récipients de stockage simultanément à partir du même collecteur et dans les mêmes conditions en utilisant la même technique ;

b) en retirant l'échantillon du récipient fourni grâce à une connexion pratique au récipient d'échantillon. Aucun régulateur de pression n'est autorisé entre le récipient fourni et les récipients d'échantillon (des vannes de purge et de vidange appropriées sont autorisées). Pour garantir la sécurité, le récipient d'échantillon et le système d'échantillonnage doivent avoir une pression de fonctionnement de conception égale au moins à la pression dans le récipient fourni.

6.9 Rejet

Si un échantillon de propulseur hydrazine testé conformément à la section 7 ne satisfait pas aux exigences spécifiées dans la présente Norme internationale, le propulseur hydrazine représenté par cet échantillon doit être rejeté. La procédure d'élimination du carburant de fusée à base d'hydrazine rejeté est établie par le consommateur.

7 Méthodes d'analyse

7.1 Général

Le fournisseur doit s'assurer du niveau de qualité de l'hydrazine. D'autres méthodes d'analyse sont décrites en 7.3-7.12. D'autres méthodes d'analyse non répertoriées dans la présente Norme internationale sont acceptables après accord entre le fournisseur et l'utilisateur.

Ces tests sont une analyse unique ou une série d'analyses effectuées sur le propulseur hydrazine pour confirmer la capacité de stockage pour répondre au niveau de qualité requis. Cela peut être contrôlé par l'analyse d'échantillons représentatifs de propulseur hydrazine prélevés dans les entrepôts à des intervalles spécifiés, comme convenu entre le fournisseur et le client. Les essais peuvent être effectués par le fournisseur ou par un laboratoire choisi d'un commun accord entre le fournisseur et le client.

Les exigences d'analyse doivent inclure la détermination de toutes les valeurs d'hydrazine restreintes.

7.2 Paramètres d'analyse

Les paramètres des méthodes analytiques présentées dans les sections 7.3 à 7.12 sont les suivants :

- la pureté et la teneur en impuretés doivent être exprimées en pourcentage en poids (wt %), sauf indication contraire ;

- des étalons de gaz contenant les composants liquides utilisés peuvent être nécessaires pour étalonner les instruments d'analyse utilisés pour déterminer les limites des propulseurs à base d'hydrazine ;

- à la demande du consommateur, l'exactitude des appareils de mesure utilisés pour la préparation de ces matériaux de référence doit être confirmée par l'institut officiel de normalisation ;

- Le matériel d'analyse doit être utilisé conformément aux instructions du fabricant.

7.3 Pureté de l'hydrazine

La pureté de l'hydrazine est déterminée par chromatographie en phase gazeuse. Cette méthode peut être utilisée pour déterminer non seulement la pureté de l'hydrazine, mais aussi pour déterminer la teneur en eau, ammoniac, aniline et autres composants volatils contenant du carbone (Annexe A.) L'analyseur doit être capable de séparer et de détecter un composant avec une sensibilité de 10% de la teneur maximale spécifiée de ce composant . L'analyseur doit être étalonné dans les plages appropriées à l'aide d'étalons d'étalonnage.

La teneur en particules solides est déterminée par mesure gravimétrique. Un volume connu de carburant est filtré à travers un filtre à membrane d'essai pré-pesé et la masse accrue du filtre à membrane après lavage et séchage est déterminée. Déterminez également le changement de masse du filtre à membrane de contrôle situé sous le filtre à membrane de test. La quantité de matière particulaire est déterminée par l'augmentation de la masse du filtre à membrane de test par rapport au filtre à membrane de contrôle.

a) par chromatographie ionique ;

b) méthode colorimétrique au thiocyanate de mercure ;

c) méthode potentiométrique utilisant une électrode sélective au chlorure ;

d) méthode potentiométrique par titrage au nitrate d'argent.

La teneur en chlorure ne peut pas être déterminée par une méthode directe dans un échantillon d'hydrazine liquide, mais peut être déterminée dans un résidu non volatil après sa dissolution dans une solution aqueuse acide.

a) par chromatographie en phase gazeuse selon 7.3 ;

b) par spectroscopie ultraviolette pour le carburant monocomposant de qualité hydrazine.

a) par absorption atomique ;

b) méthode colorimétrique ;

c) spectrométrie d'émission à plasma d'argon à couplage inductif.

La teneur en fer ne peut pas être déterminée par une méthode directe dans un échantillon d'hydrazine liquide, mais peut être déterminée dans un résidu non volatil après sa dissolution dans une solution aqueuse acide.

L'échantillon doit être introduit dans un acide fort pour absorber les composants hydrazine et ammoniac et libérer du dioxyde de carbone. La teneur en dioxyde de carbone est ensuite déterminée par l'une des méthodes suivantes :

a) par chromatographie en phase gazeuse. La technique doit être sélective pour la séparation et l'analyse du dioxyde de carbone;

b) méthode d'analyse infrarouge ;

c) Méthode colorimétrique sélective au CO.

7.12 Teneur en autres composants volatils contenant du carbone

Annexe A (informative). Application de la chromatographie en phase gazeuse (GC)

Annexe A
(référence)

La chromatographie en phase gazeuse (GC) est recommandée comme méthode de contrôle ou préférée pour analyser les impuretés d'hydrazine telles que l'ammoniac et la teneur en eau, l'aniline (pour le carburant de haute pureté), d'autres matières volatiles contenant du carbone et du dioxyde de carbone pour surveiller la pureté de l'hydrazine.

Le tableau A.1 indique l'application de ces méthodes à l'analyse de l'hydrazine.


Tableau A.1 — Applications GC

Indice	GC avec détecteur TCD sur une colonne GC Tenax ou PEG (ou similaire)	GC avec détecteur FID sur colonne Tenax GC ou Apiezon L/AT200 ou colonne capillaire à large diamètre (Carbowax 20M) (ou équivalent)	GC avec FID sur colonne avec Tenax GC ou PEG1540 ou PEG 400 (ou équivalent)	GC avec TCD et cryopiège et colonne de charbon actif ou Porapak (ou équivalent)
Pureté de l'hydrazine
Ammoniac
Aniline (haute pureté)
Autres composants carbonés volatils
Gaz carbonique
Garniture de colonne Tenax GC®, Apiezon® L/AT200, Carbowax® 20M et Porapak® sont des exemples disponibles dans le commerce de matériaux appropriés. Ces informations sont fournies pour la commodité des utilisateurs de la présente Norme internationale. Remarque - Dans ce tableau, les désignations suivantes sont utilisées : TCD - détecteur de conductivité thermique ; PEG - polyéthylène glycol; FID - détecteur à ionisation de flamme ; "X" - la méthode peut être utilisée ; "-" - la méthode n'est pas utilisée.

Annexe OUI (référence). Informations sur la conformité des normes internationales de référence avec les normes nationales de référence de la Fédération de Russie (et les normes interétatiques en vigueur à ce titre)

Annexe OUI
(référence)

Tableau OUI.1

Désignation de la norme internationale de référence	Degré de conformité	Désignation et nom de la norme nationale correspondante
Remarque - Dans ce tableau, le symbole suivant pour le degré de conformité des normes est utilisé : IDT - normes identiques.

Texte électronique du document
préparé par CJSC "Kodeks" et vérifié par rapport :
publication officielle
M. : Standartinform, 2011

Tokar A.Yu.

Institut technologique d'État de Saint-Pétersbourg (Université technique)

PROCÉDÉS DE SÉPARATION MEMBRANE

annotation

L'article examine l'essence des processus de séparation membranaire à travers la connaissance des principales publications dans les périodiques scientifiques, la connaissance de la littérature pédagogique et méthodologique sur ce sujet.

Mots clés: procédés membranaires, séparation de mélanges liquides et gazeux, membranes.

Tokar A.J.

St. Institut technologique d'État de Saint-Pétersbourg (université technique)

PROCESSUS DE SÉPARATION DES MEMBRANES

Résumé

L'article traite de l'essence des processus de séparation membranaire à travers la familiarité avec les publications de base dans les périodiques scientifiques, la familiarisation avec la littérature pédagogique sur le sujet.

mots clés: les procédés membranaires, la séparation des mélanges liquides et gazeux, la membrane.

Les processus de séparation des systèmes liquides et gazeux jouent un rôle important dans de nombreuses branches de l'économie nationale. Ainsi, pour la mise en œuvre de procédés de séparation de mélanges liquides, on utilise par exemple des méthodes telles que la distillation, la rectification, l'extraction, l'adsorption, etc.. Cependant, la méthode de séparation la plus universelle est la séparation à l'aide de membranes semi-perméables (méthodes membranaires).

La technologie des membranes a pris de l'importance ces dernières années, principalement en tant que technologie capable de combler le fossé entre l'industrie et l'écologie.

La nature globale de l'impact et de l'influence de la technologie membranaire sur la mise en œuvre d'autres priorités scientifiques et technologiques russes et mondiales a récemment été confirmée. La technologie critique du niveau fédéral "Membranes" a été incluse dans 17 domaines prioritaires pour la science russe, dans lesquels les scientifiques russes sont en avance sur le niveau mondial, et sans l'utilisation de procédés membranaires, il est impossible de maintenir le niveau scientifique et technique requis dans 12 priorités. A cela, il faut ajouter les sérieuses possibilités des procédés membranaires pour résoudre la tâche la plus importante du stade actuel de développement de notre société - le renouvellement technologique de l'industrie nationale.

Le besoin vital d'une mise en œuvre à grande échelle des procédés membranaires est déterminé par de nombreux facteurs et, surtout, par leur impact direct sur les problèmes économiques nationaux et les perspectives de leur utilisation pratique.

Au cours des dernières décennies, les méthodes de séparation membranaire ont été intensivement développées et mises en œuvre dans divers domaines de l'activité humaine. Ces méthodes sont particulièrement largement utilisées pour le dessalement des eaux salines. Ainsi, en 1980, plus de la moitié de toute l'eau dessalée sur terre était obtenue par des méthodes membranaires, et la productivité de certaines usines membranaires atteignait plusieurs dizaines de milliers de m 3 d'eau dessalée par jour.

Dans les industries chimiques et pétrochimiques, les méthodes membranaires sont utilisées pour séparer les mélanges de composés de haut et de bas poids moléculaire, les mélanges azéotropiques, pour séparer l'hélium et l'hydrogène des gaz naturels, l'oxygène de l'air, etc. .

Dans l'industrie alimentaire - pour obtenir un sucre de haute qualité, pasteuriser la bière, stabiliser les vins de raisin, transformer et conserver le lait afin d'obtenir des produits laitiers de base ; mise en conserve de jus de fruits et de légumes, etc. .

Dans la biotechnologie et l'industrie médicale - pour l'isolement et la purification de substances biologiquement actives, de vaccins, d'enzymes, etc. dans l'industrie alimentaire - pour concentrer les jus de fruits et de légumes, le lait, obtenir du sucre de haute qualité, etc. .

Les procédés membranaires sont les plus largement utilisés dans le traitement de l'eau et des solutions aqueuses, le traitement des eaux usées.

Il est très prometteur d'utiliser des membranes semi-perméables pour la surveillance environnementale, le contrôle et la prévision de l'état de l'environnement, dans l'exploration de l'espace et des eaux des océans.

Des travaux sont en cours pour créer des membranes synthétiques qui facilitent la reproduction de certaines des réactions photochimiques. Apparaît dans les plantes vertes. Dans le même temps, la tâche principale n'est pas tant d'obtenir des glucides, des protéines, des graisses, des acides nucléiques produits avec la participation de membranes naturelles, mais d'obtenir de l'hydrogène et d'autres substances "énergétiques". Ces membranes peuvent utiliser la lumière du soleil pour décomposer l'eau et produire de l'hydrogène, qui peut être stocké et utilisé comme carburant.

La mise en œuvre généralisée des processus membranaires est associée à la nécessité de développer des méthodes analytiques et graphiques-analytiques pour calculer les équipements pour leur mise en œuvre, développer des normales, des nomogrammes, des normes, des références et des systèmes pour résoudre des problèmes technologiques spécifiques, ainsi que créer des méthodes d'optimisation de la membrane. équipements utilisant des calculateurs électroniques.

Bien entendu, une courte liste des principaux domaines d'application des méthodes membranaires n'épuise pas tous les domaines possibles de leur application.

Les calculs et une grande quantité de données factuelles accumulées montrent que l'utilisation de membranes semi-perméables peut avoir un effet économique significatif dans les industries traditionnelles établies, ouvre de larges opportunités pour créer des schémas technologiques fondamentalement nouveaux, simples, à faible consommation d'énergie et respectueux de l'environnement (en particulier lorsque combinée à des méthodes de séparation aussi répandues que la rectification, l'adsorption, l'extraction, etc.).

Cependant, tous les problèmes d'étude des membranes et des processus membranaires n'ont pas encore été résolus. Le développement de la théorie de la production dirigée de membranes aux propriétés prédéterminées et le calcul technologique des processus et appareils membranaires restent une tâche urgente.

objectif Ce travail a été une étude approfondie de l'essence des procédés de séparation membranaire à travers la connaissance des principales publications dans les revues scientifiques, la familiarisation avec la littérature pédagogique et méthodologique sur ce sujet.

La technologie des membranes est l'une des nouvelles directions dans le développement des procédés technologiques chimiques, dont le but est la séparation des mélanges liquides et gazeux à l'aide de membranes semi-perméables.

Les procédés de séparation membranaire des mélanges sont réalisés à l'aide de membranes semi-perméables. La force motrice du processus membranaire peut être : le gradient du potentiel chimique (pour les particules non chargées de l'écoulement) ou électrochimique (pour les particules chargées de l'écoulement), ainsi que le gradient du facteur qui détermine la vitesse de ce processus (pression, température, etc.). Les procédés de séparation membranaire sont caractérisés par des paramètres : perméabilité et sélectivité. Méthodes de base de séparation membranaire: osmose inverse, ultrafiltration, paralysie, dialyse, électrodialyse, séparation des gaz par diffusion.

Le mécanisme de transfert d'atomes, de molécules ou d'ions de diverses substances à travers des membranes semi-perméables peut être expliqué par les théories suivantes.

théorie du tamisage suggère qu'il y a des pores dans une membrane semi-perméable qui sont suffisamment grands pour permettre le passage du solvant, mais trop petits pour permettre le passage des molécules ou des ions de solutés.

Théorie de la diffusion moléculaire est basée sur la solubilité inégale et sur la différence des coefficients de diffusion des composants séparés dans les membranes polymères.

Théorie de la perméabilité de la filtration capillaire est basée sur la différence des propriétés physico-chimiques de la couche limite du liquide à la surface de la membrane et de la solution dans la masse.

Les principaux facteurs qui affectent de manière significative la vitesse et la sélectivité des procédés de séparation membranaire sont : la polarisation de la concentration, la pression et la température de fonctionnement, les conditions hydrodynamiques à l'intérieur de l'appareil membranaire, la nature et la concentration du mélange à séparer.

Les membranes doivent répondre aux exigences de base suivantes, à savoir : avoir un pouvoir séparateur élevé (sélectivité) ; productivité spécifique élevée (perméabilité); résistance chimique à l'environnement du système partagé ; une résistance mécanique suffisante pour leur sécurité lors de l'installation, du transport et du stockage. De plus, les propriétés de la membrane pendant le fonctionnement ne doivent pas changer de manière significative. Divers polymères sont utilisés pour la fabrication de membranes ( acétates de cellulose, polyamides, polysulfone et etc.), céramique, verre, feuille de métal etc. Selon la résistance mécanique des matériaux utilisés, les membranes sont réparties en : liquide, épaississant(polymère), avec structure rigide, poreuse, non poreux(la diffusion).

Lors de l'étude et de l'analyse de tout processus membranaire, il est nécessaire de prendre en compte trois facteurs principaux et leur relation : 1) structure de la membrane en épaisseur(poreux, non poreux, isotrope); 2) propriétés physiques et chimiques du système à séparer(pour les solutions, il est très important de prendre en compte leurs propriétés thermodynamiques de base) ; 3) interaction du mélange à séparer avec le matériau de la membrane. Si au moins un des facteurs ci-dessus n'est pas pris en compte, on peut commettre une erreur fondamentale lors de l'élaboration d'un modèle du mécanisme d'un processus membranaire particulier.

Selon le type de moteur principal du processus, on distingue : les typesprocédés membranaires Mots clés : processus baromembranaires, processus membranaires de diffusion, processus électromembranaires, processus thermomembranaires.

Processus baromembranaires sont causées par un gradient de pression à travers l'épaisseur des membranes, principalement polymères, et sont utilisées pour séparer les solutions et les systèmes colloïdaux à 5-30 °C. Les procédés baromembranaires comprennent les procédés suivants : osmose inverse, ultrafiltration, microfiltration.

Membrane diffusante les processus sont provoqués par un gradient de concentration ou de pression dans l'épaisseur de membranes poreuses ou non poreuses à base de polymères ou de matériaux à structure rigide. Ils sont utilisés pour séparer les mélanges gazeux et liquides.

Procédés électromembranaires en raison du gradient du potentiel électrique à travers l'épaisseur des membranes. Parmi les méthodes électromembranaires, l'électrodialyse a trouvé la plus grande application pratique - la séparation de solutions sous l'action d'une force électromotrice créée dans la solution des deux côtés de la membrane qui la sépare.

Procédés membranaires thermiques– gradient de température dans l'épaisseur d'une membrane poreuse à base de polymères ou de matériaux à structure rigide. Actuellement, le procédé le plus développé est la distillation membranaire. . Il est conseillé d'utiliser la distillation membranaire pour résoudre les principaux problèmes suivants : concentration et dessalement des solutions aqueuses d'électrolytes ; dessalement de l'eau de mer; obtenir de l'eau pour alimenter les chaudières à vapeur, etc. ; obtenir de l'eau très pure et de l'eau apyrogène à des fins médicales. Le processus de distillation membranaire est réalisé pratiquement à pression atmosphérique, de sorte que l'appareil pour ce processus peut être constitué de matériaux polymères bon marché. Les membranes des appareils de distillation à membrane fonctionnent pendant une longue période sans contamination notable.

Pour résoudre avec succès des problèmes technologiques spécifiques associés à l'utilisation de procédés membranaires, il est nécessaire de calculer des installations et des équipements membranaires. Le calcul complet comprend des rapports technologiques, hydrauliques et mécaniques à l'aide d'un logiciel électronique moderne.

Les appareils modernes pour les procédés membranaires sont divisés en quatre types principaux, qui diffèrent par la manière dont les membranes sont posées : appareils avec des éléments de membrane plats ; avec des éléments de membrane tubulaires ; avec des éléments membranaires de type rouleau ; avec des membranes à fibres creuses. Mais il faut tenir compte du fait que pour chaque processus de séparation spécifique, un appareil d'une telle conception doit être sélectionné qui fournirait les conditions les plus favorables pour le processus.

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La technologie membranaire (membranologie, membranique) est une direction d'avant-garde dans le développement de la science et des technologies modernes. Les méthodes membranaires pour la séparation des milieux gazeux et liquides ont déjà pris une place importante parmi les processus technologiques industriels, bien que le plein développement et le retour de la science et de la technologie des membranes soient attendus plus tard.

L'essence du processus de séparation par membrane est la suivante. Le mélange initial (gazeux ou liquide, binaire ou multicomposant) de substances séparées dans l'appareil entre en contact avec la membrane semi-perméable d'un côté, et en raison des propriétés particulières de la membrane, le filtrat (perméat) qui a traversé il est enrichi avec l'un des composants du mélange initial. La séparation peut être si complète que le filtrat ne contient pratiquement pas d'impuretés des composants du mélange initial qui sont retenus par la membrane et éliminés de l'appareil de l'autre côté de la membrane sous la forme d'un flux concentré (rétentat - rétentat) . La séparation membranaire se caractérise principalement par les principaux paramètres suivants de toutes les membranes : perméabilité, sélectivité et stabilité dans le temps. La perméabilité est la productivité spécifique de la membrane, égale à la quantité de filtrat (kg/h), par unité de surface de la membrane (m2), ou c'est la vitesse du processus de séparation membranaire (kg/(m2-h )). La sélectivité membranaire (facteur de séparation) caractérise l'efficacité (complétude) du processus de séparation membranaire par rapport au composant cible (clé). Parmi les hypothèses existantes pour décrire le transfert de masse dans les membranes, on utilise les théories de diffusion, capillaire, de sorption, etc.

Une membrane est un film, un corps plat, dont la longueur en deux coordonnées dépasse largement la longueur en troisième coordonnée. La membrane joue le rôle d'une sorte de cloison, qui assure le processus physique de séparation sélective (sélective) des mélanges de substances sous l'action d'une force motrice. Actuellement, il existe de nombreuses membranes préparées artificiellement, qui peuvent être représentées par une variété de structures - du type à tamis grossier aux films et fibres polymères extrêmement minces. Ils sont fabriqués à partir de divers matériaux organiques poreux et non poreux (films polymères, tubes, capillaires, fibres creuses, feuilles plates minces) et inorganiques (zéolithe, carbone, verre, céramique, métal). Cela est dû au fait que les membranes universelles n'existent pas.

Pour la fabrication des membranes semi-perméables, différents matériaux sont utilisés : films polymères (polyéthylène, polypropylène, polycarbonate, fluoroplastique, etc.) ; feuille métallique (à partir d'alliages de platine, palladium, argent, molybdène, etc.); verres poreux (borosilicate de sodium), etc. Les membranes polymères poreuses sont généralement obtenues en éliminant les solvants ou en lessivant les additifs précédemment introduits des solutions de polymères lors de leur formation. Les membranes ainsi obtenues présentent une fine couche superficielle (0,25-0,50 µm) sur un substrat microporeux d'une épaisseur de 100-200 µm. Le processus de séparation de la membrane est effectué dans la couche tensioactive, et le substrat fournit la résistance mécanique d'une telle membrane composite.

Les membranes poreuses métalliques sont fabriquées par lixiviation ou sublimation de l'un des composants de l'alliage de la feuille. Dans ce cas, des membranes hautement poreuses sont obtenues avec des pores de même diamètre dans la plage de 0,1 à 5,0 μm. Une autre façon d'obtenir des membranes métalliques poreuses est le frittage de fine poudre métallique à haute température. Les membranes poreuses polymères et métalliques sont utilisées pour les procédés d'osmose inverse et d'ultrafiltration. Les membranes sont assemblées en modules membranaires (systèmes) ; ils peuvent être semi-perméables aux gaz et aux liquides ou imperméables.

Actuellement, les membranes polymères synthétiques sont à la base des procédés technologiques utilisant les principes de la séparation membranaire. Le transfert d'une substance (transfert de masse) à travers les membranes se produit souvent (mais pas toujours) sous l'action de la force motrice du procédé - la différence de pression de part et d'autre de la membrane - ce sont les procédés dits de séparation baromembranaire : la microfiltration , ultrafiltration, nanofiltration et osmose inverse. Si la force motrice est la différence des concentrations d'une substance (composant) aux limites avant et après la membrane, la méthode de la membrane est appelée dialyse. La méthode membranaire, qui utilise la différence de potentiels électriques des deux côtés de la membrane comme force motrice du processus, est appelée électrodialyse. La dialyse est largement utilisée aujourd'hui en médecine pour l'introduction dans l'organisme de médicaments placés dans une capsule d'une membrane sélective. Dans ce cas, la transition de diffusion du médicament de la capsule dans le corps devient longue et, surtout, avec une concentration constante de l'ingrédient actif. L'hémodialyse est également répandue aujourd'hui - l'utilisation de membranes en médecine comme rein artificiel, lorsque les toxines sont éliminées du corps à travers la membrane. La dialyse est également utilisée dans l'industrie pour éliminer les acides et les bases des eaux usées. Les procédés de dialyse membranaire permettent d'épurer les déchets et les solutions industrielles (flux, mélanges) en mercure, plomb, zinc, cuivre, argent, nickel, cadmium et chrome. Les leaders mondiaux dans la production de membranes et d'éléments membranaires sont Dow Chemical, Filmtec, Hydranautics, Osmonics (USA).

La filtration est un processus hydromécanique de séparation des particules solides des gaz et des liquides. La filtration conventionnelle sépare les particules en suspension supérieures à 10 µm (0,01 mm) d'un gaz ou d'un liquide. Pour mettre en œuvre ce procédé, une différence de pression est utilisée avant et après le filtre jusqu'à 0,2 MPa, tandis que la pression du procédé est limitée par la résistance du filtre - un matériau poreux (tissus, fibres, mailles métalliques tissées en fil fin , etc.). La filtration est utilisée dans les technologies de presque toutes les industries.

En microfiltration (microfiltration), les filtres à membrane de solutions liquides ont des tailles de pores plus petites que dans la filtration conventionnelle, et donc une grande différence de pression est nécessaire (jusqu'à 0,5 MPa). Dans ce cas, il est possible de séparer de la solution des particules dont la taille varie de 0,1 à 10 microns avec une taille de pores de 0,05 à 10 microns. En tant que matériau filtrant, les membranes à base de films de polycarbonate synthétiques à rayons de pores égaux (isoporosité) sont efficacement utilisées. La microfiltration est utilisée avec succès pour obtenir une eau stérile (dans ce cas, les particules dispersées sont retenues par la membrane), pour clarifier et stabiliser les vins, pour remplacer la pasteurisation, etc.

L'ultrafiltration (ultrafiltration) vous permet de séparer des particules dont la taille varie de 0,001 à 0,02 microns (1-20 nm) avec une taille de pores de 1-100 nm à une surpression de 0,3-1,0 MPa. Il peut séparer les solutions colloïdales et les solutions de composés macromoléculaires (dont les membranes sont imperméables) des électrolytes, etc. L'ultrafiltration est également utilisée pour concentrer le lait en crème, jus de fruits, café et autres extraits, etc. Les modules d'ultrafiltration sont capables de séparer non seulement les bactéries, mais aussi les virus des solutions. L'eau passée à travers les ultrafiltres à membrane peut être bue même lorsque l'eau de source a été biologiquement contaminée. La membrane d'ultrafiltration composite peut avoir une couche de séparation d'une épaisseur de 0,05 à 3,00 microns et une ou deux couches de substrats de support d'une épaisseur de 100 à 110 microns.

Au cours de la nanofiltration (Nanofiltration), les membranes peuvent retenir des particules d'une taille d'environ 1 nm à des pressions suffisamment élevées - 0,8-3,0 MPa. La nanofiltration est utilisée pour purifier les solutions aqueuses des substances organiques et des impuretés minérales.

La diffusion sélective (sélective), par exemple, de l'eau à travers les membranes est appelée osmose. Les particules présentes dans l'eau sont capturées par la membrane, et l'eau, étant purifiée, pénètre à travers la surface de la membrane. En raison de l'osmose, la pénétration de l'eau à travers une membrane spécialement sélectionnée se produit même lorsque la pression des deux côtés de la membrane est égale. La force motrice sous laquelle l'eau traverse la membrane est appelée pression osmotique, qui dépend de la nature du soluté et de sa concentration. Le phénomène d'osmose sous-tend le métabolisme de tous les organismes vivants ; grâce à lui, des nutriments sont apportés à chaque cellule vivante et, inversement, des toxines en sont éliminées.

Le processus d'osmose inverse (osmose inverse) consiste en la filtration de solutions liquides à travers des membranes sélectivement perméables à une pression dépassant la pression osmotique, tandis que l'eau traverse les membranes et que les solutés restent en solution. La force motrice d'un tel processus est la différence entre les pressions appliquées et osmotiques. Les méthodes membranaires d'osmose inverse permettent de séparer les particules d'une solution liquide d'une taille de 0,0001 à 0,001 microns (0,1-1,0 nm) à une surpression de 3-10 MPa. Ce processus nécessite la création d'une surpression du côté de la solution ou de l'eau contaminée (salée) : généralement 0,2-1,7 MPa pour l'eau potable et saumâtre et 4-7 MPa pour l'eau de mer et d'océan avec sa propre pression osmotique d'environ 2,4 MPa , qu'il faut surmonter. Avec l'osmose inverse, la séparation se produit au niveau des molécules et des ions.

Les premiers systèmes d'osmose inverse industriels sont apparus au début des années 1970 du XXe siècle, et maintenant l'osmose inverse est devenue l'une des méthodes de purification de l'eau les plus économiques, polyvalentes et fiables, ce qui permet de réduire la concentration de composants colloïdaux et dissous de 96- 99% et pratiquement 100% se débarrassent des micro-organismes et des virus. Les membranes synthétiques en polyamide, polysulfone, polyimide sont utilisées comme membranes composites à couche mince pour l'osmose inverse. Les modules à membranes enroulées sont constitués de membranes pour la compacité, les membranes sont également formées de fibres creuses, ce qui augmente considérablement la productivité des installations membranaires.

La séparation membranaire des gaz est utilisée avec succès, par exemple, dans la séparation des composants de l'air. Les fractions enrichies en oxygène jusqu'à 60% ont trouvé une application dans le sablage à l'oxygène dans l'industrie sidérurgique, en médecine, pour l'oxygénation (arrêt temporaire du cœur et des poumons humains lors d'opérations chirurgicales complexes) et les fractions enrichies en azote - dans la synthèse de l'ammoniac . Les méthodes membranaires pour la séparation des mélanges gazeux sont utilisées dans la synthèse de l'ammoniac, la séparation des isotopes de l'hydrogène et la séparation de l'hélium des gaz naturels et de pétrole. Une méthode à membrane pour séparer le dioxyde de soufre (gaz sulfureux) S02 des émissions des centrales thermiques, la purification du gaz à partir du dioxyde de carbone CO2 et du sulfure d'hydrogène H2S est en cours d'introduction. Les membranes pour la séparation des gaz sont fabriquées à partir de matériaux polymères organiques et inorganiques. Les isotopes de l'uranium ont d'abord été séparés à l'aide d'une membrane de fer, l'hydrogène passe sélectivement à travers une membrane de palladium et l'hélium à travers du quartz fondu. Pour séparer les gaz, des membranes en silicone, tétrafluoroéthylène, polyétherimides, acétate de cellulose, céramique et verre sont utilisées.

La méthode de pervaporation (Pervaporatiori) est basée sur l'évaporation d'un liquide à travers une membrane. La pervaporation se déroule comme un processus irréversible sous l'action combinée de plusieurs forces motrices qui provoquent un transfert de masse : différences de pression, de concentration et de température de part et d'autre de la membrane. La pervaporation à plusieurs étages sous la forme de plusieurs étages membranaires dans un appareil vertical est parfois appelée distillation membranaire (distillation membranaire). La pervaporation a trouvé une application pour la concentration du lait, de l'extrait de café ; pour la séparation des hydrocarbures dans les procédés de raffinage du pétrole (mélanges d'isomères de xylène, mélanges benzène-cyclohexane) ; pour la séparation de fractions avec des indices d'octane différents ; pour la déshydratation de l'éthanol, etc. À l'avenir, la pervaporation peut remplacer partiellement la rectification, mais à l'heure actuelle elle la complète dans les cas où les mélanges azéotropiques résultants (par exemple, les mélanges éthanol-eau) bouillant à la même température ne peuvent pas être séparés par rectification de la spirale rouleaux , entre lesquels les couches de drainage sont placées, «enroulées» sur le tuyau de drainage central perforé. Tous les éléments des couches de membrane sont scellés pour créer une certaine direction de mouvement de la solution liquide initiale à travers la surface de la membrane, pour collecter et éliminer le filtrat et le concentrer. Le corps robuste de l'appareil vous permet de créer une pression de processus accrue.

Les appareils avec un module à fibres creuses (Hollow Fibers) pour les processus d'osmose inverse et d'ultrafiltration sont plus avancés en termes de densité de remplissage plus élevée de membranes semi-perméables jusqu'à (20 000-30 000 m2/m3). Ceci est réalisé en utilisant des tubes à fibres creuses à membrane d'une longueur de 1,5 à 2,0 m, d'un diamètre de 45 à 200 microns (0,045 à 0,200 mm) et d'une épaisseur de paroi de tube de 10 à 50 microns (0,01 à 0,05 mm). Les tubes à fibres creuses sont capables de résister à des pressions de fonctionnement de plusieurs dizaines de mégapascals. Il existe différentes solutions de conception pour l'assemblage et la fixation hermétique (généralement avec de la résine époxy) des extrémités des tubes de fibres dans une cloison plate ronde, qui est serrée entre les brides du corps et le couvercle de l'appareil. Cette conception vous permet de connecter les extrémités des tubes à fibres creuses dans un faisceau en forme de U et de les fixer dans une plaque tubulaire. Le mélange initial peut à la fois passer à l'intérieur des tubes et laver leur surface extérieure. Dans d'autres conceptions, les extrémités des tubes creux sont montées dans différentes plaques tubulaires placées dans le corps cylindrique de l'appareil.

Pour la séparation membranaire des gaz industriels, comme par exemple les gaz "rapides", c'est-à-dire à pénétration rapide des membranes : vapeur d'eau H20, hélium He, hydrogène H2, ammoniac NH3, dioxyde de carbone CO2, oxygène 02, et gaz "lents", ou membranes à pénétration lente: monoxyde de carbone CO, azote N2, méthane CH4, éthane C2H6, propane C3H8, on utilise des membranes à fibres creuses polymères synthétiques, constituées de tubes-fibres à membrane poreuse, avec une couche de séparation des gaz appliquée sur leur surface externe avec une épaisseur d'au plus 0,1 μm ( 0,0001 mm). L'utilisation de substrats poreux permet d'augmenter la pression du procédé jusqu'à 6,5 MPa. Le module à membrane est réalisé sous la forme d'une cartouche de séparation de gaz remplaçable avec une densité de remplissage de membrane de 500 à 700 m2/m3, montée dans un boîtier cylindrique dans lequel le mélange gazeux entre et deux flux de composants séparés en sont retirés. De tels procédés de séparation membranaire permettent d'obtenir à partir de l'air de l'oxygène d'une pureté allant jusqu'à 50 % à une pression de 0,003-0,1 MPa et de l'azote d'une pureté allant jusqu'à 99,9 % à une pression de 0,5-4,0 MPa, à partir d'hydrogène- contenant des gaz, par exemple, dans les raffineries pour obtenir de l'hydrogène avec une pureté de 90 -99% à une pression allant jusqu'à 5 MPa. Pour obtenir de l'oxygène, de l'azote et de l'hydrogène de plus grande pureté, des technologies d'adsorption et de cryogénie sont utilisées.

À titre d'exemple, nous donnons de brèves informations sur ceux utilisés depuis les années 80 du XXe siècle. certains procédés membranaires "Separex" société "UOP", USA. Les procédés Separex permettent de purifier l'hydrogène, l'hélium ainsi que les gaz naturels et associés du dioxyde de carbone CO2, de l'hydrogène sulfuré H2S, de la vapeur d'eau et des hydrocarbures lourds conformément aux exigences du transport par canalisation. Les systèmes de membranes Separex sont simples, fonctionnent sans l'utilisation d'éliminateurs de liquide et avec une utilisation minimale de machines. Par conséquent, ils sont utilisés avec succès à la fois pour les installations terrestres et les plates-formes offshore. Ces systèmes peuvent avoir une ou deux étapes de purification. Le mélange gazeux initial avec une teneur en CO2 dans la plage de 3 à 75 % à une surpression de 3 à 11 MPa est passé sur une membrane polymère, tandis que le mélange gazeux initial est divisé en deux flux. Le dioxyde de carbone, le sulfure d'hydrogène et la vapeur d'eau sont facilement forcés à travers la membrane et collectés dans l'espace à basse pression de l'appareil à membrane (ce flux est appelé perméat). Le méthane, l'éthane, d'autres hydrocarbures et l'azote s'accumulent dans le gaz résiduaire à haute pression, qui est ainsi enrichi en ces composants. Dans un système à deux étages, le perméat à basse pression est comprimé pour une séparation ultérieure par membrane dans la deuxième étape afin d'en extraire les hydrocarbures. La récupération des hydrocarbures peut atteindre 95 % pour un système à un étage et 99 % pour un système à deux étages (selon la composition du gaz d'alimentation et les exigences de traitement). Capacité de l'usine - de 28 000 à 28 millions de m3/jour. Lors de la valorisation du gaz naturel avant son transport par pipeline, les coûts de sa purification membranaire sont inférieurs ou comparables aux coûts d'une unité de purification de gaz amine.

Le procédé Polysep d'UOP est conçu pour extraire et purifier l'hydrogène des flux gazeux des procédés de raffinage du pétrole, pétrochimiques et chimiques. Un autre domaine de son application est l'ajustement de la composition du gaz de synthèse et le dégagement de monoxyde de carbone CO. Les gaz d'alimentation peuvent être des flux de gaz de raffinerie, y compris des gaz d'échappement issus du reformage catalytique, du craquage catalytique, des gaz de purge d'hydrotraitement et d'hydrocraquage, ainsi que des flux de gaz issus de procédés pétrochimiques et chimiques : gaz d'échappement des usines d'éthylène et de méthanol, gaz de purge des usines d'ammoniac, synthèse gaz provenant de procédés de reformage à la vapeur, d'oxydation partielle ou d'autres procédés de gazéification. La purification de l'hydrogène est réalisée avec son facteur d'extraction de 70 à 95% avec un degré de pureté de 70-99% (en quantité) selon la composition de la matière première, la pression et les exigences du produit. Les systèmes membranaires Polysep sont également conçus pour produire du monoxyde de carbone CO de haute pureté pour la synthèse des polyuréthanes et des polycarbonates, pour ajuster le rapport CO/H2 dans le gaz de synthèse pour la production de méthanol et d'oxyalcools. Un nouveau domaine d'application du procédé Polysep est l'extraction de l'hydrogène du gaz dans les cycles de cogénération gaz et électricité (1GCC).

Le système « Polysep » est basé sur des membranes polymères composites modernes sous forme de fibres creuses. Ces fibres sont collectées dans des faisceaux spéciaux fonctionnant à contre-courant, ce qui vous permet d'avoir la force motrice maximale du processus de séparation et de minimiser le besoin de pièces de rechange et d'assemblages, de matériaux, de produits chimiques, etc. ; des coûts énergétiques énormes ; danger pour l'environnement lors de l'exploitation des installations ; la nécessité de construire des installations supplémentaires pour le traitement préliminaire coûteux de l'eau; des coûts de fonctionnement énormes. Un problème sérieux pour les grandes usines de dessalement est également la nécessité de créer de puissantes chaufferies thermiques de centrales thermiques et même l'utilisation de réacteurs nucléaires, car le coût de la chaleur représente environ 40 à 50% du coût de tous les coûts du complexe de dessalement. . Des fonds importants sont consacrés à la résolution de problèmes environnementaux et à l'entretien de tels complexes.

L'expérience d'exploitation des usines de dessalement à membrane dans le monde montre qu'il n'y a pas de tendance à réduire leurs coûts d'exploitation, car il existe encore des problèmes difficiles pour surmonter les conséquences de la pollution et de la formation de tartre des équipements à filtre et à membrane. Par conséquent, le niveau de prétraitement de l'eau de mer brute devient l'un des aspects dominants des méthodes de dessalement à membrane, et le coût du prétraitement de l'eau est parfois nettement supérieur au coût des usines à membrane elles-mêmes. Par exemple, avant d'être fournie aux modules membranaires, l'eau de mer doit être soigneusement débarrassée des suspensions, des contaminants colloïdaux, des sels de dureté, des métaux, du chlore actif, du bore, elle doit être adoucie avec des inhibiteurs ; il est nécessaire de procéder à la désinfection, au lavage et à la désinfection des membranes, dont la durée de vie est réduite à 0,5-1,0 ans. La régénération complète des membranes est généralement impossible", le rinçage mécanique et chimique (acide, alcalin, etc.) des membranes est souvent utilisé avec une diminution de la productivité de l'usine de 10 à 15 % ou avec une augmentation de la perte de charge à travers la membrane circuit de 0,20 à 0,25 MPa Actuellement, les coûts d'investissement et d'exploitation des usines à membrane restent élevés, en particulier à haute productivité des usines de traitement.