Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Jw <^|________ J | при АР > Атг
Рис. VI-10. Влияние перепада давления на поток воды при осмосе или обратном осмосе.
ристыми мембранами (первапорационными или газоразделительными). Вследствие их большего гидродинамического сопротивления не-ободимо прикладывать более высокие давления для прохождения некоторого количества растворителя через мембрану. Растворы низкомолекулярных веществ имеют более высокое осмотическое давление, чем растворы высокомолекулярных соединений, для которых пригодна ультрафильтрация. Осмотическое давление морской воды, например, равно 25 бар.
На рис. VI-10 представлена схема мембранного отделения чистой воды из раствора солей. Мембрана проницаема для растворителя (воды) и непроницаема для растворенного вещества (соли). Для того чтобы вода протекала через мембрану, приложенное давление должно быть выше осмотического давления. Как видно из рис. VI-10, вода течет из разбавленного раствора (или чистой воды) в концентрированный раствор, если приложенное давление меньше осмотического. В том случае, если приложенное давление выше осмотического, вода течет от концентрированного раствора к разбавленному (см. также рис. VI-1). Эффективный водный поток можно выразить уравнением VI-21, если предположить, что растворенное вещество не проникает через мембрану:
Jw = А(АР - Дтг) (VI-21)
На практике мембрана может быть слабопроницаемой для низкомолекулярных веществ, тогда реальная разность осмотических давле-
ний через мембрану будет не Дл-, а сгДтг, где ст — коэффициент отражения мембраной определенного растворенного компонента (см. также гл. V). При R < 100% сг < 1 и уравнение VI-21 переходит в
Jw = А(АР - <тДтг) (VI-22)
При данном описании мы предполагали, что молекулы растворенного компонента полностью задерживаются мембраной.
Коэффициент проницаемости для воды А (также определяемый как коэффициент гидродинамической проницаемости) является константой для данной мембраны и включает в себя следующие параметры (см. также разд. V-6.1):
= DwcwVw
RTAx к '
Величина А, являясь функцией коэффициента распределения (растворимости) и коэффициента диффузии, оценочно принимает значения от 5 • 10_3 до 5 • 10-5м3 • м-2 • ч-1 • бар-1, причем нижнее значение наблюдается для наиболее плотных мембран.
Поток растворенного вещества описывается выражением
J. = BAcs (VI-24)
где В — коэффициент проницаемости для растворенного компонента, а Ас, — разность его концентраций по обе стороны мембраны (Ас, = cj — ср). Величина В изменяется от 5 • 10_3 до 10-4 м/ч, причем меньшее значение отвечает высокоселективным мембранам.
S = ??. (VI-25)
Уравнение VI-25 также указывает на зависимость коэффициента проницаемости для растворенного вещества В от коэффициентов диффузии и распределения (растворимости). Из уравнения VI-21 можно видеть, что поток воды увеличивается линейно с увеличением приложенного давления. Поток растворенного компонента (уравнение VI-24) мало зависит от разности давлений и определяется только разностью концентраций по обе стороны мембраны.
Селективность мембраны по отношению к определенному растворенному компоненту выражается задержанием R:
R = Cf ~Ср = 1 - ^ (VI-26)
с} cf
Таким образом, селективность увеличивается при повышении давления, что связано с уменьшением концентрации растворенного компонента в пермеате. В предельном случае, при Ар —> оо, достигается максимальное значение задержания Ятах- Учитывая, что ср = Js/Jw,
и комбинируя уравнения VI-21, VI-24 и VI-26, для R можно записать выражение
R = р (VI-27)
А(АР - Ап) + ?
Оно очень наглядно, поскольку единственной переменной, входящей в него, является АР, при условии, разумеется, что константы А и В не зависят от давления (см. также гл. VIII).
В обратном осмосе используются давления от 20 до 100 бар, т. е. гораздо более высокие, чем при ультрафильтрации. В противоположность ультрафильтрации и микрофильтрации выбор материала мембраны для обратного осмоса прямо (через константы А и В) влияет на эффективность разделения (уравнение VI-27). Попросту говоря, это означает, что для достижения эффективного разделения необходимо, чтобы константа А была бы по возможности большой, а константа В — по возможности малой. Другими словами, мембрана (материал) должна иметь высокое сродство к растворителю (главным образом к воде) и низкое сродство к растворенному компоненту. Сказанное подчеркивает, что выбор материала мембраны для обратного осмоса становится чрезвычайно важным, поскольку свойства материала определяют характеристические свойства мембраны. Здесь отчетливо проявляется отличие мембран для обратного осмоса от микрофиль-трационных и ультрафильтрационных мембран, поскольку в последних разделительные свойства определяются порами в материале, а выбор материала диктуется в основном устойчивостью к химическим реагентам.
