 |
Теория молекулярной диффузии.
|
|
|
|
Обратный осмос.
В основе метода лежит явление осмоса —самопроизвольного перехода растворителя через полунепроницаемую мембрану в раствор.
Давление p, при котором наступает равновесие между растворителем и раствором называется осмотическим. Если давление Р со стороны раствора меньше p, растворитель через мембрану поступает в раствор. Если давление Р больше p, то наблюдается перенос раствора через перегородку в растворитель, т.е. обратный осмос.
Р<p Р=p Р>p
¯ ¯ ¯
│─────╫─────│ │─────╫─────│ │─────╫─────│
│ ──╫── │ │ ──╫── │ │ ──╫── │
│вода ║раств│ │вода ║раств│ │вода ║раств│
│ ──╫── │ │ ──╫── │ │ ──╫── │
│ ║ │ │ ║ │ │ ║ │
└─────╩─────┘ └─────╩─────┘ └─────╩─────┘
Движущей силой обратного осмоса для идеально полунепроницаемой мембраны является разность давлений
DР = Р‑p.
Для реальных мембран, не обладающих идеальной полунепроницаемостью, наблюдается переход не только чистого растворителя, но и растворенного вещества. При этом движущая сила выразится как разность
DР = Р —(p1-p2),
гдеp1 —осмотическое давление раствора;
p2 —осмотическое давление фильтрата.
Осмотическое давление растворов достаточно высоко, поэтому рабочее давление должно быть большое. Для морской воды с содержанием соли 3,5 %, осмотическое давление 2,5 МПа, а рабочее давление в опреснительных установках составляет 7 —8 МПа.
|
|
|
Энергия процесса обратного осмоса расходуется в основном на продавливание жидкости через мембрану. Ее можно рассчитать по формуле
А = DР.V.
Так для опреснение 1 м3 морской воды при давлении Р=5 МПа энергия составляет 1,36 кВт ч, а для испарения того же количества воды требуется 620 кВт ч (при 0,1 МПа).
Важным преимуществом таких процессов является простота конструкции аппарата и возможность проводить процесс при температуре окружающей среды.
Ультрафильтрация.
Это процесс разделения высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений в жидкой фазе с использованием селективных мембран, пропускающих молекулы низкомолекулярных соединений.
Движущей силой процесса, как и для процесса фильтрации является разность давлений, которая составляет 0,3—1 МПа.
Ультрафильтрацию применяют для разделения однофазных жидких систем, в которых молекулярная масса растворенных веществ много раз превышает массу растворителя. Так для водных растворов Молекулярная масса одного из компонентов должна превышать 500.
Аппараты для проведения ультрафильтрации аналогичны аппаратам обратного осмоса и отличаются только размерами пор полунепроницаемых мембран.
Испарение через мембрану.
Данный процесс наблюдается, когда разделяемая жидкая смесь соприкасается с мембраной с одной стороны, а проникающий компонент в виде паров отводится с другой стороны в вакуум, или поток инертного газа.
Диализ
Это процесс разделения через полунепроницаемые мембраны,
которые малые молекулы и задерживают макромолекулы и коллоидные частицы.
Электродиализ
Это диализ под действием постоянного электрического поля в растворе, когда ионы перемещаются к соответствующим электродам, проникая через ионообменные мембраны. Электрическое поле в десятки раз ускоряет очистку растворов от электролитов.
|
|
|
Диффузионное разделение газов
Основано на различии коэффициентов диффузии газов в непористых полимерных мембранах под действием градиента концентрации и подчиняется законам диффузии.
КИНЕТИКА МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
Для объяснения механизма переноса веществ при мембранном разделении можно воспользоваться одной из трех теорий:
Теория просеивания.
Сущность теории сводится к теории сит, т.е. через поры в мембране проходят молекулы растворителя, но не проходят молекулы растворенных веществ;
Теория молекулярной диффузии.
Основана на разных значениях коэффициента диффузии разделяемых компонентов в полимерных мембранах и их неодинаковой растворимости.
Теория капилярно-фильтрационной проницаемости.
Основана на различии физико-химических свойств граничного слоя на поверхности мембраны и в объеме. Граничный слой вблизи мембраны обладает упорядоченной структурой и отличается составом, вязкостью, растворяющей способностью и т.п.
Граничный слой на мембране образует пленку толщиной d, в котором связанная слоем вода теряет растворяющую способность по отношению к солям, находящимся в объеме раствора. Эта вода под действием перепада давлений перетекает из граничного слоя по капиллярам через мембрану, если размеры капилляров меньше размеров ионов соли (меньше 20 А). Реальные мембраны имеют поры разных размеров, в том числе и крупные, поэтому часть гидратированных ионов соли может проникать через крупные капилляры.
Можно сделать вывод, что селективность мембран тем выше, чем больше толщина граничного слоя и чем больше размеры ионов соли.
МЕМБРАНЫ
Полунепроницаемые мембраны, необходимые для проведения процесса разделения смесей изготавливают из различных материалов: полимерные пленки (полиэтиленовые, полипропиленовые, целофановые, фторопластовые и др.); металлическую фольгу (из сплавов платины, палладия, серебра, молибдена и т.д.); пористые стекла. Наиболее распространены полимерные мембраны.
Полунепроницаемые мембраны разделяют на две группы: пористые и непористые. Пористые мембраны имеют тонкий (0,25—,5 мкм) поверхностный слой на микропористой подложке толщиной 100 —200 мкм. Процесс разделения происходит в поверхностном, активном слое, а подложка обеспечивает механическую прочность мембраны.
|
|
|
В последнее время широкое применение получили ядерные мембраны, или нуклеопоры. Их получают облучением тонких полимерных пленок заряженными a‑частицами с последующим травлением пор химическими реагентами. Достоинства таких мембран заключается в правильной форме пор, возможности получения заранее заданных размеров и числа пор одинаковых размеров, химическая стойкость. Ядерные мембраны, изготовленные на основе поликарбонатных пленок, имеют поры диаметром от 0,1 до 8 мкм.
Мембраны с жесткой структурой —металлические —получают с порами одинакового размера —в пределах 0,1— мкм путем выщелачивания или возгонкой одного из компонентов сплава фольги.
Пористые мембраны применяют для проведения процесса обратного осмоса, ультрафильтрации и диализа.
Для разделения жидких смесей путем испарения и диффузионного разделения применяют полимерные мембраны, являющиеся квазигомогенными гелями. Растворитель и растворенные вещества проникают через них вследствие молекулярной диффузии. поэтому их называют диффузионными. Мембраны применяют для разделения компонентов с близкими свойствами, но с различными размерами молекул, например для диффузионного разделения газов.
Мембраны характеризуются химической природой, пористостью, формой и размерами пор, проницаемостью, селективностью, прочностью, термо- и химической стойкостью.
Пористость мембран —это отношение разности объемов мембраны V и объема твердой фазы Vт к объему мембраны V:
e = Vп/V = (V‑V)т/V = 1 —Vт/V,
где Vп —объем пор; Vт —объем твердой фазы; V —объем мембраны.
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
|
|
|
