Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Методы нанесения тонкого слоя поверх слоя суппорта описаны в гл. III и совпадают с методами получения газоразделительных мембран. К важнейшим из них относятся:
- нанесение при погружении;
- плазменная полимеризация;
- межфазная полимеризация.
Выбор полимерного материала в значительной мере зависит от задачи использования мембраны. В противоположность газоразделе-нию в случае первапорации эластомеры оказываются, как правило, не более проницаемы, чем стеклообразные полимеры. Вследствие гораздо большего сродства жидкостей, их растворимость намного выше, а повышенная концентрация пенетранта вызывает пластифицирующее действие и увеличивает сегментальную подвижность, приводя к увеличению скорости транспорта. Действительно, из-за сильного набухания величина Тст понижена настолько, что стеклообразный полимер может вести себя как эластомер.
Можно сделать некоторые общие замечания по поводу выбора полимера. Так, например, мембраны не должны слишком сильно набухать во избежание резкого снижения селективности. В то же время низкая сорбция, как и недостаточное набухание, приводит к очень малым потокам. Оптимальные свойства находятся где-то посередине, и, по грубой оценке, значение общей сорбции, равное 5-25% (масс.), оказывается приемлемым. Совсем необязательно, чтобы полимер был сшитым или кристаллическим. Гораздо лучше использовать аморфные полимеры (стеклообразные или каучуки), поскольку кристалличность оказывает отрицательное влияние на скорость транспорта. Сшитые полимеры нужно использовать в тех случаях, когда полимерная мембрана интенсивно набухает, а мембрана из сшитого полимера обнаруживает хорошую производительность. В качестве примера можно привести разделение воды и хлорированных углеводородов при низких концентрациях последних. В случае чрезвычайно низких концентраций органики в воде (около 10 млн-1) можно использовать несшитые эластомеры, но при более высоких концентрациях (> 100 млн-1) для снижения интенсивности набухания и падения селективности сшивка полимера становится необходимой. В табл. VI-13 представлены результаты первапорации для большого числа полимеров, которые использовались для отделения спирта от воды с помощью гомогенных мембран толщиной примерно 50 мкм [37].
Высокие селективности ПВА, ПАН и полиакриламида связаны главным образом с двумя эффектами: 1) более сильным взаимодействием с полимером воды по сравнению с этанолом (вода является растворителем для ПВА и полиакриламида!) и 2) малым размером молекулы воды (с меньшим молярным объемом), что приводит к увеличению энтропии смешения и коэффициента диффузии. Такой материал, как ПВА, можно использовать лишь при низких концентрациях воды, в противном случае ПВА сильно набухает и теряет селективность.
Процесс отделения воды от органических растворителей является относительно простым из-за заметного различия размеров (мо-
Таблица VI-13. Производительность (поток) F (кг/м2- ч) и селективность по паре этанол/вода для различных гомогенных мембран (состав сырья — 90 масс.% этанола, 70°С, толщина мембраны 50 мкм)
Полимер F a
Полиакрил онитри л 0,03 12 500
Полиакриламид 0,06 4 080
Полиакриламид с высоким 0,42 2 200
содержанием карбоксильных групп
Поливиниловый спирт (98%) 0,14 350
Поливиниловый спирт (100%) 0,38 140
Полиэфирсульфон 0,72 52
Полигидразид 1,65 19
лярных объемов) и химических свойств (полярности и способности к образованию водородных связей) компонентов. По мере сближения свойств компонентов их разделение становится все более и более трудным. Так, например, изомеры ксилола разделялись при использовании «обычных» полимеров с фактором разделения, равным примерно 2 [38, 39].
VI.4 3.3. Применения
Первапорация является сложным процессом, в котором характеристики разделения сильно зависят от состава смеси. Этот процесс используется, в основном, для отделения (точнее, удаления) малых количеств одного из компонентов жидкой смеси. При использовании высокоселективных мембран расходуется только энергия, равная теплоте испарения почти чистого пермеата. Такой способ разделения становится чрезвычайно заманчивым для разделения азеотропов (случаи, когда жидкость и пар имеют одинаковый состав). Такие смеси не разделяются обычной дистилляцией. Смеси органических растворителей с водой образуют азеотропы в области составов, близких к чистым органическим растворителям. Представляется перспективным использование первапорации для дегидратации таких смесей. Многие органические жидкости также образуют азеотропные смеси; составы некоторых азеотропных жидких смесей приведены в табл. VI-14.
Наиболее важное применение первапорация находит в химической промышленности, хотя этот процесс используется и в других отраслях, включая пищевую и фармацевтическую промышленности, пре-
Таблица VI-14. составы (масс.%) для некоторых жидких смесей
Смесь Состав Смесь Состав
