Анализ и обоснование тенденций развития электромембранных методов в очистке промышленных растворов
Автор: Шестаков К. В., Лазарев С. И., Долгова О. В., Полянский К. К.
Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet
Рубрика: Процессы и аппараты пищевых производств
Статья в выпуске: 2 (100) т.86, 2024 года.
Бесплатный доступ
В работе рассмотрены тенденции развития технологического оформления электромембранных методов разделения, динамично развивающейся технологии, характеризующейся высокой эффективностью, простотой эксплуатации и обслуживания. На сегодняшний день исследования технологии электромембранного разделения проводятся как с целью оптимизации и улучшения характеристик стандартных элементов, так в связи с разработкой и внедрением новых материалов и процессов. Выявлено четыре основных вектора развития технологий электромембранного разделения. Новые подходы и методики электромембранного разделения промышленных растворов, в том числе широкое внедрение математического моделирования для описания процессов протекающих в аппаратах, на анионообменных или катионообменных мембранах, изменение плотности тока в аппарате. Усовершенствование или разработка новых электромембранных аппаратов и устройств, результатом является увеличение площади соприкосновения, которое предлагается достичь или путем изменения формы, количества мембран или их пористости и шероховатости. Разработка новых типов мембран и материалов для их изготовления, изменяющих структуру и физико-химические свойства мембран, включает внедрение в состав мембран разнообразных компонентов (углеродных квантовых точек, наночастиц оксидов металлов и др.), физико-химическия воздействия на мембрану, изменяющие ее на этапе формирования. Интеграция мембранного разделения и электрохимии, привела к разработке электропроводящих мембран, в состав которых включены углеродные наноматериалы, обладающие превосходной электропроводностью и стабильность. Цель исследований в данном направлении, уменьшение загрязнения мембран. Мембраны с электрохимическим действием могут своевременно разлагать мелкие органические загрязнители, механизмы воздействия на которые при обычным мембранным разделением отсутствуют.
Мембраны, технологическое оформление, тенденции развития, перспективы, электромембранные методы
Короткий адрес: https://sciup.org/140306942
IDR: 140306942 | УДК: 66.081.6 | DOI: 10.20914/2310-1202-2024-2-40-47
Analysis and substantiation of trends in the development of electromembrane methods in the purification of industrial solutions
The paper considers the trends in the development of technological design of electromembrane separation methods, a dynamically developing technology characterized by high efficiency, ease of operation and maintenance. To date, research on the technology of electromembrane separation is carried out both to optimize and improve the characteristics of standard elements, and to develop and implement new materials and processes. Four main vectors of development of electromembrane separation technologies have been identified. New approaches and techniques for the electromembrane separation of industrial solutions, including the widespread introduction of mathematical modeling to describe processes occurring in apparatuses, on anion-exchange or cation-exchange membranes, and changes in current density in the apparatus. The improvement or development of new electromembrane devices and devices, the result is an increase in the area of contact, which is proposed to be achieved either by changing the shape, number of membranes or their porosity and roughness. The development of new types of membranes and materials for their manufacture, which change the structure and physico-chemical properties of membranes, includes the introduction of various components into the composition of membranes (carbon quantum dots, metal oxide nanoparticles, etc.), physico-chemical effects on the membrane, changing it at the stage of formation. The integration of membrane separation and electrochemistry has led to the development of electrically conductive membranes, which include carbon nanomaterials with excellent electrical conductivity and stability. The purpose of research in this area is to reduce membrane contamination. Membranes with electrochemical action can decompose small organic pollutants in a timely manner, the mechanisms of action on which are absent with conventional membrane separation.
Список литературы Анализ и обоснование тенденций развития электромембранных методов в очистке промышленных растворов
- Сазонов О.О., Панов Н.М., Дулмаев С.Э. Клинов А.В. и др. Первапорационные характеристики элементорганических полиуретанов // Вестник Технологического университета. 2023. Т. 26. № 2. С. 73-78.
- Selatile K., Ray S.S., Kumar N., Ojijo V. et al. Fabrication of Advanced 2D Nanomaterials Membranes for Desalination and Wastewater Treatment // Two-Dimensional Materials for Environmental Applications. 2023. P. 245-268. https://doi.org/10.1007/978-3-031-28756-5_8
- Назаров В.Г., Нагорнова И.В., Столяров В.А., Доронин Ф.А. и др. Влияние фторирования сверхвысокомолекулярного полиэтилена и композитов на его основе на поверхностную структуру и свойства // Химическая физика. 2018. №. 12. С. 63-73. https://doi.org/10.1134/S0207401X18110080
- Li H., Huang L., Li X., Huang W. et al. Calcium-alginate/HKUST1 interlayer-assisted interfacial polymerization reaction enhances performance of solvent-resistant nanofiltration membranes // Separation and Purification Technology. 2023. № 309. P. 123031. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.123031
- Лебедева О.В., Сипкина Е.И. Полимерные композиты и их свойства // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022. Т. 12. № 2 (41). С. 192-207. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-2-192-207
- Sinha Ray S., Singh Bakshi H., Dangayach R., Singh R. et al. Recent developments in nanomaterials-modified membranes for improved membrane distillation performance // Membranes. 2020. V. 10. №. 7. P. 140. https://doi.org/10.3390/membranes10070140
- Das R., Ali M.E., Abd Hamid S.B., Ramakrishna S. et al. Carbon nanotube membranes for water purification: A bright future in water desalination // Desalination. 2014. №. 336. P. 97-109. https://doi.org/10.1016/j.desal.2013.12.026
- Zhao D.L., Chung T.-S. Applications of carbon quantum dots (CQDs) in membrane technologies: A review // Water Res. 2018. №. 147. P. 43-49. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.09.040
- Филимонова А.А., Чичиров А.А., Печенкин А.В., Чичирова Н.Д. Оптимизация гидродинамического режима в камерах проточного электромембранного аппарата // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 1. С. 15-22.
- Сайт Роспатента. URL: http://www.fips.ru
- Google Patents. URL: https://patents.google.com
- Заболоцкий В.И., Березина Н.П., Никоненко В.В., Шудренко А.А. Развитие мембранных технологий на основе электродиализа в России // Наука Кубани. 2010. № 3. С. 4-10.
- Лепеш Г.В., Панасюк А.С., Лепеш Г.В., Чурилин А.С. Современные методы очистки сточных вод промышленных предприятий // Технико-технологические проблемы сервиса. 2016. № 3(37). С. 14-23.
- Козадерова О.А. Нифталиев С.И., Ким К.Б. Применение биполярных мембран МБ2, модифицированных гидроксидом хрома (III), для конверсии сульфата натрия // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2019. Т. 62. № 3. С. 30-36.
- Евдокимов И.А., Толмачев Л.И., Бондарчук А.Д. Классический и биполярный электродиализ в инновационных технологиях переработки творожной сыворотки // Молочная промышленность. 2018. № 9. С. 69-73.
- Тураев Д.Ю., Колесников В.А., Попов А.Н. Теоретические и практические основы регенерации и утилизации мембранным и безмембранным электролизом сернокислых растворов травления меди, применяемых в производстве печатных плат // Теоретические основы химической технологии. 2021. Т. 55. № 1. С. 87-98.
- Ткаченко Д.О., Зажигаева К.В. Применение установок электродеионизации в практике водоподготовки на тепловых электрических станциях // Новая наука: От идеи к результату. 2016. № 4-1. С. 87-89.
- Strnad J., Kincl M., Beneš J., Svoboda M. et al. Overlimiting mechanisms of heterogeneous cation-and anion-exchange membranes: A side-by-side comparison // Desalination. 2024. №. 571. P. 117093. https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.117093
- Бурчу М.П., Липин А.Г., Шибашов А.В. Моделирование процесса разделения растворов электролитов в электромембранном аппарате // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ. 2013. № 3. С. 83-85.
- Uzdenova A., Urtenov M. Potentiodynamic and galvanodynamic regimes of mass transfer in flow-through electrodialysis membrane systems: Numerical simulation of electroconvection and current-voltage curve // Membranes. 2020. V. 10. №. 3. P. 49. https://doi.org/10.3390/membranes10030049
- Su X., Hatton T.A. Electrosorption at functional interfaces: from molecular-level interactions to electrochemical cell design // Physical Chemistry Chemical Physics. 2017. № 19(35). P. 23570-23584. https://doi.org/10.1039/c7cp02822a
- Лазарев К.С., Ковалев С.В., Лазарев С.И., Кочетов В.И. Проектирование и расчет электробаромембранных аппаратов плоскокамерного типа для очистки промышленных стоков // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2013. № 5. С. 5-9.
- Хохлов П.А., Шестаков К.В., Лазарев Д.С. О некоторых особенностях разработки электродиализатора с охлаждающими трубками // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент. Материалы XI Международной научно-инновационной молодежной конференции. Тамбов, 2019. С. 212-214.
- Шестаков К.В., Лазарев С.И., Селиванов Ю.Т. Математическое описание и методика расчета технологических параметров электродиализного аппарата для очистки сточных вод химических производств // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2020. № 1. С. 32-34.
- Кононенко Н.А., Демина О.А., Лозаa Н.В., Долгополов С.В. и др. Теоретическое и экспериментальное исследование предельного диффузионного тока в системах с модифицированными перфторированными сульфокатионитовыми мембранами // Электрохимия. 2021. Т. 57. № 5. С. 283-300.
- Вайнертова К., Кршивчик Й., Недела Д., Странска Э. и др. Полимерные связующие для ионообменных мембран с повышенной механической стойкостью // Производство и использование эластомеров. 2016. № 2. С. 33-42.
- Лебедева О.А., Седелкин В.М., Потехина Л.Н. Технология получения и характеристики хитозановых нанофильтрационных мембран // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2022. Т. 65. № 1. С. 58-65. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226501.6340
- Sun M., Wang X.X., Winter L.R., Zhao Y.M. et al. Electrified Membranes for Water Treatment Applications // ACS ES&T Engg. 2021. №. 1. P. 725-752. https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00015
- Zhang Z.X., Huang G.H., Li Y.P., Chen X.J. et al. Electrically conductive inorganic membranes: A review on principles, characteristics and applications // Chem. Eng. J. 2022. № 427. P. 131987. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131987
- Patil J.J., Jana A., Getachew B.A., Bergsman D.S. et al. Conductive carbonaceous membranes: recent progress and future opportunities // J. Mater. Chem. A. 2021. №. 9. P. 3270-3289. https://doi.org/10.1039/D0TA08928A
- Ahmed F., Lalia B.S., Kochkodan V., Hilal N. et al. Electrically conductive polymeric membranes for fouling prevention and detection: A review // Desalination. 2016. №. 391. P. 1-15. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.01.030
- Fan X., Zhao H., Liu Y., Quan X. et al. Enhanced permeability, selectivity, and antifouling ability of cnts/Al2 O3 membrane under electrochemical assistance // Environ. Sci. Technol. 2015. №. 49. P. 2293-2300. https://doi.org/10.1021/es5039479
- Fan X., Zhao H., Quan X., Liu Y. et al. Nanocarbon-based membrane filtration integrated with electric field driving for effective membrane fouling mitigation // Water Res. 2016. №. 88. P. 285-292. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.10.043