Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
мо учитывать лишь их сильную взаимозависимость. При транспорте многокомпонентных смесей полезно различать два явления:
- сопряжение потоков;
- термодинамические взаимодействия.
Сопряжение потоков описывается в рамках неравновесной термодинамики (см. гл. V). Для бинарной жидкой смеси получены следующие уравнения:
= (VM3)
J2 = -L2i^--L22^- (VI-64)
Первый член правой части уравнения VI-63 описывает поток г-го компонента в результате его собственного градиента, тогда как второй член определяет поток г-го компонента, обусловленный градиентом j-го компонента. Этот член отражает эффект сопряжения. В отсутствие сопряжения (L12 = ?21 = 0) уравнения потоков сводятся к про-
стым линейным соотношениям, аналогичным уравнению VI-49. Линейные соотношения предполагают, что компоненты проникают через мембрану независимо друг от друга. Обычно этого не происходит, как можно показать, сравнивая результаты для чистых компонентов и смесей. При очень низкой проницаемости мембраны для компонента, например проницаемости полисульфона для воды, возможно повышение проницаемости в присутствии второго компонента, например этанола. Второй компонент в этом случае обладает повышенным сродством к полимеру и как результат достигается повышенная (общая) растворимость, что и позволяет первому компоненту (воде) проникать через мембрану.
Явления сопряжения потоков трудно описывать или предсказывать количественно. Косвенную информацию о сопряжении потоков можно получить при изучении термодинамических взаимодействий (или избирательной сорбции) во взаимосвязи с селективным транспортом.
Детальное описание избирательной сорбции было дано в гл. V. Было показано, что избирательная сорбция определяет селективность транспорта. Здесь в качестве примера рассмотрим удаление трихлорэтилена из воды. На рис. VI-22 показана избирательная сорбция и первапорация трихлорэтилена в зависимости от концентрации трихлорэтилена в воде при использовании в качестве мембраны бутади-еннитрильного каучука (содержание акрилонитрила 18%) [34]. Видно, что селективность по отношению к трихлорэтилену быстро возрастает с увеличением концентрации на входе в мембрану, аналогичная зависимость характерна ч для избирательной сорбции.
Состав сырья трихлорэтилен/вода ,мкг/г
Рис. VI-22. Содержание трихлорэтилена в продукте избирательной сорбции и пермеате, полученном при первапорации в системе трихлорэти-лен/вода/каучук NBR-18 [34].
Избирательная сорбция изучена для многих систем, и для большинства полимерных материалов и различных смесей (табл. VI-12) выполняется правило: чем больше избирательная сорбция компонента, тем выше проницаемость полимера по отношению к этому компоненту. Таким образом, можно заключить, что селективный транспорт в процессе первапорации определяется термодинамикой взаимодействия. Явления сопряжения определенным образом влияют на скорость и на отношение скоростей транспорта, а следовательно, и на селективность первапорации.
VI.4 3.2. Мембраны первапорационных процессов
Для первапорации и газоразделения требуются непористые мембраны, преимущественно с анизотропной морфологией, асимметричная структура которых состоит из верхнего плотного слоя, нанесенного на подложку с открытыми порами, что реализуется, как известно, в асимметричных и композиционных мембранах. Требования к микроструктуре первапорационных мембран такие же, как и к мембранам для газоразделения:
- открытая пористость поддерживающего слоя (подложки) для минимизации сопротивления транспорту пара и предотвращения капиллярной конденсации;
Бинарная система Полимерыа Литература
Вода/метанол Поли(метил-Ь-глутамат), 26,27
ПДМС
Вода/этанол ПВА, АЦ, ПАН, ПММА 27-31
ПДМС, Selemion,
Вода/пропанол ПДМС 27
Вода/бутанол ПДМС 27
Этанол/1,2-дихл орэтилен ПТФЭ/ПВП 32
Этанол / хлороформ ПТФЭ/ПВП 32
Уксусная кисло
та/1, 2-дихлорэтилен ПТФЭ/ПВП 32
Хлороформ/вода Каучуки SBR, NBR 33,34
Т рихл орэтилен/вода Каучуки BR, NBR 34
Бензол/вода Каучук NBR 33
Толуол/вода Каучуки BR,NBR 33,34
Бензол / цикл огексан Поли(метил-Ь-глутамат) 30
Бензол / гептан Каучук NBR 35
о-Ксилол/п-ксилол Трипропионат целлюлозы 36
аАЦ — ацетат целлюлозы, ПАН — полиакрилонитрил, ПВА — поливиниловый спирт, ПДМС — полидиметилсилоксан, ПММА — полиметилметакрилат,
ПТФЭ — политетрафторэтилен, ПВП — полиметилпирролидон
- высокая поверхностная пористость с узким распределением пор по размерам.
Повышение давления на стороне пермеата приводит к увеличению активности паров и снижению потока. Если поры очень малы, этот эффект может даже привести к капиллярной конденсации. С другой стороны, при больших порах в подложке затрудняется непосредственное нанесение на него тонкого селективного слоя. Кроме того, очень важно, чтобы поверхностная пористость была достаточно высокой. Целесообразно рассмотреть также трехслойные мембраны, состоящие из очень пористой и очень проницаемой структуры, на которую наносится неселективный промежуточный слой, а на этот промежуточный слой — тонкий верхний слой.
