Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Конденсатор
Вакуумный
насос
Конденсато
Газ-носитель
Пермеат
Пермеат
Рис. VI-19. Схема процесса первапорации при а) вакуумировании ячейки после мембраны и б) при продувке инертным газом.
Рис. VI-20. Диаграмма равновесия пар — жидкость (1) и соотношение составов сырья и пермеата при первапорации (2) водно-этанольной смеси при 20°С (полиакрилонитриловая мембрана [56]).
ставлено сравнение процессов дистилляции (равновесие пар — жидкость) и первапорации смеси этанол — вода при 20°С. Первапораци-онные опыты проведены с использованием мембраны из полиакрило-нитрила.
Из приведенного выше описания транспорта вытекает, что стадия десорбции дает незначительный вклад в сопротивление переносу. Транспорт может быть описан с помощью механизма растворения — диффузии, в котором селективность определяется селективной сорбцией и/или селективной диффузией. Действительно, мембраны одного и того же типа или мембранного материала могут быть использованы как для газоразделения, так и для первапорации. Но сродство жидкости к полимеру обычно намного превышает сродство газа к полимеру, что и определяет повышенные растворимости жидкостей в полимере. Такой эффект уже отмечался для органических паров, по отношению к которым наблюдается большая проницаемость высокоэластических полимеров, чем для постоянных газов, например, азота. В случае газоразделения селективность по отношению к смеси можно оценить, исходя из отношения проницаемостей мембраны для чистых газов. Но для жидких смесей характеристики разделения нельзя получить из данных для чистых жидкостей из-за наложения явлений сопряжения (взаимного влияния) и термодинамических вза-
имодействий. Низкая растворимость газов в полимерных материалах (при Т < Тст) наблюдается в области выполнимости закона Генри. Вследствие более высоких растворимостей жидкости не подчиняются закону Генри, и для адекватного описания растворимости смесей жидкостей и индивидуальных жидкостей в полимерном материале обычно используют теорию Флори — Хаггинса.
Для смеси компонентов г и j проницаемость по г-му компоненту можно выразить в виде функции коэффициента диффузии (D) и коэффициента растворимости (5). Главное отличие жидкостей от газов состоит в том, что как коэффициент диффузии, так и коэффициент растворимости не являются константами и сильно зависят от состава смеси на входе в мембрану.
Pi = Diici'cfi-Siici'cj) (VI-48)
При замене в смеси компонента j на компонент к изменяются коэффициенты диффузии (Д) и растворимости (5,) компонента г.
Кроме того, отсюда вытекает, что и коэффициент проницаемости не является константой и также сильно зависит от состава смеси. Для иллюстрации сказанного приведем несколько (экстремальных) примеров. При разделении водно-этанольной смеси с помощью поливинилового спирта системы ведут себя по-разному в зависимости от состава: при низких концентрациях воды и при низких концентрациях этанола. При низкой концентрации спирта (менее 10%) мембрана сильно набухает, вследствие этого не наблюдается никакой селективности. При низкой концентрации воды (менее 10%) тот же самый полимер обнаруживает высокую селективность по отношению к воде при достаточной величине потока.
Другой пример — смесь не смешивающихся друг с другом жидкостей во всем интервале составов, например, трихлорэтилен и вода. Первапорацию можно использовать для отделения небольших количеств воды от трихлорэтилена или для отделения также небольших количеств трихлорэтилена от воды. В случае извлечения небольших количеств трихлорэтилена из воды при использовании в качестве мембраны силиконового каучука (полидиметилсилоксана) были получены хорошие результаты как по селективности, так и по скоростям транспорта. Тот же мембранный материал из-за сильного набухания мембраны оказался непригодным для удаления воды из практически чистого трихлорэтилена. Эту задачу — удаления следов воды — можно решить используя в качестве мембраны другой материал, например поливиниловый спирт. Приведенные примеры показывают зависимость характеристик мембран от состава смеси*.
* Обзор современного состояния и тенденций развития процесса первапорации дан в недавней работе [5*]. — Прим. ред.
VI.4-3.1. Некоторые аспекты разделения
Транспорт индивидуального компонента может быть описан простыми уравнениями, которые можно вывести из линейной зависимости потока от приложенной силы:
Л = (VI-49)
где — феноменологический коэффициент. Химический потенциал /х дается выражением
14 = + RT\nai (VI-50)
где
а,- = (VI-51)
р® — давление насыщенного пара компонента г, a pi — давление пара этого компонента. Так как
(VI-52)
dx pi ах уравнение VI-49 переходит в
