Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
VI.S.5.1. Осмотическая машина (параметры и применения)
Мембраны Толщина Размер пор Движущая сила
Принцип разделения Мембранные материалы
Основное применение
Асимметричные или композиционные Подложка 150 мкм; верхний слой 1 мкм
< 2 нм
Разность концентраций (осмотическое давление)
Растворение — диффузия Триацетат целлюлозы, ароматические полиамиды, полиуретановые эфиры (продукты межфазной полимеризации) Производство энергии
VI.3.6. Пьезодиализ
Другим мембранным процессом, в котором в качестве движущей силы используется давление, является пьезодиализ [5-7]. В этом процессе ионные растворенные вещества проникают через мембрану в противоположность обратному осмосу быстрее, чем растворитель, которым обычно является вода. Схематическое представление процесса дано на рис. VI-13.
Для осуществления этого процесса должны использоваться так называемые мозаичные мембраны. К ним относятся ионообменные мембраны, имеющие как катионообменные, так и анионообменные
© О © ©
Г\ /Л -Г\\г\
. . . ^у] pi /.•• Ц Ж:"Л Г .у.
ШШщ : :. .:V;4v: V.*: -Мембрана
л.:
Щ$:Ж
\У \У \У Ток циркуляции
Рис. VI-13. Транспорт ионов через мозаичную мембрану в процессе пьезодиализа: темные участки — катионобменные области, светлые участки — анионобменные области.
группы. Электронейтральность поддерживается одновременным прохождением через мембрану катионов и анионов. Поскольку ионный транспорт предпочтительнее транспорта растворителя, концентрация соли в пермеате оказывается выше, чем на входе в мембрану. Это позволяет концентрировать разбавленые растворы солей, причем может быть достинут фактор концентрирования, равный 2. Увеличения потока соли можно добиться путем увеличения ионообменной емкости мембраны. Принцип пьезодиализа был продемонстрирован в лаборатории и пока не использовался в промышленном масштабе.
VI. 3.6.1. Пьезодиализ (параметры и применения)
Мембраны
Толщина Размер пор Движущая сила Принцип разделения
Мембранные материалы Применение
Мозаичные мембраны с чередованием катионообменных и анионообменных областей Несколько сот мкм Непористые мембраны Давление (до 100 бар)
Ионный транспорт (кулоновское притяжение, электронейтральность) Катионо-анионообменные смолы Концентрирование солей
VI.4. Разность концентраций как движущая сила мембранных процессов
VI.4.1. Введение
Транспорт вещества во многих процессах, в том числе природных, чаще осуществляется за счет диффузии, а не за счет конвекции. Вещества самопроизвольно диффундируют от мест с высоким химическим потенциалом в места с более низким химическим потенциалом. К мембранным процессам, для которых движущей силой является разность концентраций, относятся газоразделение, первапорация, диализ, а также процессы с участием жидких мембран (следует помнить, что в ряде случаев правильнее говорить о разности активностей, а не концентраций). С учетом структурных и функциональных различий процессы можно подразделить по типу применяемых в них мембран. В процессах газоразделения, первапорации и диализа используются синтетические, твердые (полимерные) мембраны. В некоторых
случаях в качестве мембран используются жидкости с веществами-переносчиками или без них.
В то время как микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос — более или менее сходные процессы, газоразделение, первапорация и диализ достаточно сильно отличаются друг от друга. Основное общее свойство последних трех процессов — использование в них непористых мембран. Заметим, что термин «непористые» не несет информации о проницаемости. В гл. II было показано, что проницаемость газа через высокоэластический или стеклообразный материал может различаться более чем на пять порядков, хотя оба материала относятся к непористым. Такая большая разница связана с особенностями сегментальной подвижности, которая в стеклообразном состоянии чрезвычайно затруднена. Присутствие кристаллитов может дополнительно снижать подвижность сегментов. Присутствие низкомолекулярных пенетрантов, как правило, увеличивает сегментальную подвижность и подвижность цепей. С увеличением концентрации пенетрантов (газа или жидкости) внутри полимерной мембраны растет подвижность цепей и, как следствие, увеличивается проницаемость (или коэффициент диффузии). Концентрация пенетранта внутри полимерной мембраны определяется по большей части сродством между пенетрантом и полимером.
При газоразделении любые взаимодействия между молекулами газа и материалом мембраны очень слабо выражены, поэтому концентрации газа в мембране очень невелики. Молекулы газа должны диффундировать сквозь жесткую структуру мембраны, не оказывая на состояние полимера практически никакого влияния. В то же время, даже при очень низком сродстве пенетрантов такого типа, все-таки наблюдается различие, например, для азота и диоксида углерода. В противоположность этому растворимость жидких пенетрантов в мембране может быть значительно выше, вследствие этого цепи приобретают большую подвижность. При диализе может наблюдаться даже более сильное взаимодействие между жидкостью и мембраной, приводящее к более сильному набуханию полимера, и тогда относительно большие молекулы диффундируют сквозь мембрану с таким образом открытой пористой структурой. Рис. VI-14 схематически иллюстрирует изменение коэффициента диффузии низкомолекулярного компонента при увеличении степени набухания мембраны (набухание мембраны определяется отношением массовой доли пенетранта внутри мембраны к массовой доле сухого полимера). Видно, что коэффициент диффузии может изменяться от 10“19 до 10~9 м2/с; это убедительно доказывает, что подвижность полимерных цепей увеличивается в результате набухания и достигнутый коэффициент диффузии
