CC BY
0УДК 628.1
ПРИМЕНЕНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ МЕМБРАН В ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССАХ
ИКМЕТУЛЛАЕВ ЖАНДОС
Студент КазНМУ им.С.Д.Асфендиярова, Алматы, Казахстан
АЛМАБАЕВА НУРГАЙША МАХАМЕТШАРИЕВНА
Ассистент профессора КазНМУ им.С.Д.Асфендиярова, Алматы, Казахстан
Аннотация. В статье приведены примеры применения искусственных мембран в экологических процессах. Искусственные мембраны играют ключевую роль в экологических процессах, в первую очередь для очистки воды, газов и разделения отходов. Их основное применение связано с фильтрацией и барьерными функциями, которые позволяют эффективно разделять загрязняющие вещества, включая органические соединения, минералы и биологические частицы.
Ключевые слова: искусственные мембраны, температура, очистка воды, окружающая среда
Мембрана делим на биологические и синтетические мембраны. Биомембраны включают клеточные, ядерные и тканевые, а синтетические мембраны производятся человеком для использования в лабораториях и промышленности. Для изучения многих свойств мембран (проницаемость лекарственных веществ, электропроводность, механизм формирования потенциалов и т.д.) удобно использовать искусственные мембраны. При нанесении некоторого количества липидов на поверхность воды можно получить мономолекулярный слой. Их можно использовать для изучения механических свойств мембран, подвижность мембранных молекул и процессы на границе разделе фаз (свойства амфифильность). Монослои готовять не только из искусственных липидов, но и из липидов природных мембран, что позволяет проводить ряд биологических и медицинских исследований. В экологических процессах используются несколько видов мембран, каждая из которых имеет специфические свойства для решения различных задач.
Полимеры могут иметь аморфную и полукристаллическую структуры, а также разную температуру стеклования, которые влияет на эксплутационные характеристики мембраны. А полимерные мембраны лидируют на рынке мембранных разделительных технологий, поскольку они очень конкурентоспособны по своим характеристикам и экономичности. Они широко применяются в очистке воды и газоразделении. Материалы, такие как полиэфирсульфон (PES) и полиамид, обладают высокой химической устойчивостью и долговечностью.
Композитные мембраны — состоят из нескольких слоев различных материалов, что улучшает их фильтрующие свойства. Эти мембраны применяются для газоразделения, включая улавливание углекислого газа, а также для очистки воды от органических и неорганических загрязнителей. Мембрана обратного осмоса из полиамидного композита обладает высокой стабильностью, долгим сроком службы, сильной защитой от загрязнения, а также низкими эксплуатационными расходами и низким энергопотреблением. Обратный осмос удаляет ионы, но для получения деионизированной воды требуется высокое давление P=0,850-7 МПа. Это функция является наиболее распространенной технологией опреснения воды из-за простаты использования и относительно низких затрат на электроэнергию по сравнению с дистилляцией, которая использует технологию, основанную на термических процессах. Активный слой полиамидной композитной мембраны обратного осмоса легирован неограническими наночастицами, которые увиличивает выработку воды мембраной, сохраняя при этом скорость отторжения ионов солей. Эта система обратного осмоса может работать
при более низком рабочем давлени. Можно гарантированно получать питьевую воду из морской воды при условии высокой степени ее восстановления. Эти мембраны обладают высокой селективностью и используются для опреснения и очистки промышленных сточных вод.
Нанофильтрация - это процесс мембранной фильтрации, при котором используются поры размером 1-10 нм, немного больше, чем при обратном осмосе. Нанофильтрационные мембраны представляют собой тонкие полимерные пленки. Размеры пор контролируются рН, температурой и временем в процессе изготовления, а плотность р = 1 — 106 пор на см2. Эти мембраны обладают высокой селективностью и используются для опреснения и очистки (или разделения химических веществ, таких как фармацевтические препараты) промышленных сточных вод. Биомиметические мембраны — имитируют природные структуры, такие как белки и ферменты, и применяются для высокоизбирательной фильтрации токсинов и микроорганизмов. Эти мембраны обладают высокой эффективностью в процессах очистки воды и биомедицинских приложениях.
Искусственные мембраны играют ключевую роль в экологических процессах благодаря своей способности эффективно разделять различные вещества. Наиболее распространённые области применения мембранных технологий включают очистку воды, очистку воздуха, газоразделение и переработку отходов. В водоочистке мембраны используются для удаления примесей и солей, что позволяет обеспечить доступ к питьевой воде и решить проблемы загрязнения. Кроме того, мембранные процессы активно применяются в сфере переработки газа, особенно для улавливания углерода и очистки воздуха от вредных выбросов.
Современные мембранные материалы также разрабатываются с учётом устойчивого развития: они могут быть биоразлагаемыми, перерабатываемыми, и позволяют уменьшить количество используемых химикатов, таких как растворители. Постоянное улучшение характеристик мембран, таких как стойкость к загрязнению и химическая стабильность, расширяет их использование в самых разных промышленных процессах, включая опреснение, очистку сточных вод и даже восстановление полезных ресурсов из отходов.
Эти мембраны находят применение в таких областях, как очистка воды, переработка промышленных выбросов, улавливание углекислого газа и восстановление ресурсов из отходов.
1. Очистка воды. Мембранные технологии активно используются для фильтрации сточных вод, что позволяет удалять как крупные, так и мелкие частицы, а также различные загрязнители, такие как органические вещества и тяжелые металлы. Эти технологии находят применение в таких процессах, как обратный осмос, ультрафильтрация и микрофильтрация. Ультрафильтрация удаляет частицы размером более 0,005 - 2 мкм и работает в диапазоне 70700 кПа. Ультрафильтрационные мембраны используется для удаления растворенных соединений с высокой молекулярной массой, вирусы и некоторые эндотоксины. Микрофильтрация удаляет частицы размером более 0,08 - 2 мкм и работает в диапазоне 7 -100 кПа. Это система используется для удаления остаточных взвешенных частиц, для удаления бактерий с целью подготовки воды к дезинфекции и в качестве предварительной обработки перед обратным осмосом. Мембраны обратного осмоса удаляют воды на ионном уровне. Для этого в систем обратного осмоса применяется тонкопленочной композит, состящий в основном из 3-х слоев: полиамидного, полисульфонового и полиэфирного.
2. Обезвреживание отходов. Мембраны также используются для удаления вредных веществ из жидких отходов и промышленных растворов. Например, мембранные методы применяются для обезвреживания отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей, которые содержат токсичные вещества, загрязняющие окружающую среду.
3. Борьба с фаулингом. Один из вызовов применения мембран — это фаулинг (загрязнение мембран), который снижает их эффективность. Для предотвращения этого процесса применяют методы регулярной очистки мембран, использование ингибиторов (антискалантов) и оптимизацию рабочих условий.
Текущие исследования направлены на улучшение свойств мембран, таких как
устойчивость к загрязнению и повышение селективности, что позволяет расширять их
применение в экологических процессах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тиманюк В.А., Животова Е.Н. Биофизика, 2003
2. Бейкер, Л.А.; Мартин «Нанотехнологии в биологии и медицине: методы, устройства и применение». Наномедицина: нанотехнологии, биология и медицина, 2007
3. Рой, Ягнасени; Варсингер, Дэвид М.; Лиенхард, Джон Х. «Влияние температуры на перенос ионов в нанофильтрационных мембранах: диффузия, конвекция и электромиграция», 2017
4. Адибаев Б.М., Алмабаева Н.М., Бопанова А.О. Биофизика, 2017
5. Ремизов А.Н. Медициналык жэне биологиялык физика (аударган Алмабаева Н.М., Байдуллаева Г.Е., Раманк^лов), 2019
6. Журнал «Мембраны и мембранные технологии», №2, 2019
7. Журнал «Фаулинг и деградация мембран в мембранных процессах», №2, 2022
