Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Как видно из рис. VI-28, транспорт компонента А определяется двумя эффектами:
- скоростью комплексообразования (образования и диссоциации комплекса) на обеих межфазных границах;
- диффузией комплекса и растворенных веществ через мембрану.
Одновременное протекание этих двух различных процессов — химических реакций образования и диссоциации комплекса и массопе-реноса (диффузии) — является следующим признаком облегченного транспорта. Механизмы как несопряженного транспорта, так и сопряженно-облегченного транспорта, или транспорта с переносчиком, будут рассмотрены на нескольких примерах.
На рис. VI-29 представлен пример несопряженного транспорта, показаны потоки кислорода и азота через водную пленку в присутствии переносчика и без него. Роль переносчика в данном случае выполняло соединение кобальта. Молекула переносчика образует комплекс с кислородом и не образует с азотом. Поток азота увеличивается с ростом давления, и присутствие переносчика не оказывает влияния на скорость транспорта. Растворимость кислорода в воде выше, чем азота, поэтому поток кислорода оказывается выше; кроме того, он усиливается в присутствии молекул переносчика. Некоторые молекулы кислорода переносятся переносчиком, другие — за счет обычной молекулярной диффузии. Эффект облегченного транспорта ярче проявляется при более низких парциальных давлениях кислорода, поскольку при более высоких парциальных давлениях (концентрациях) кислорода наблюдается насыщение носителя. Этот пример является наглядной демонстрацией облегченного транспорта.
Большой интерес в случае облегченного транспорта представляют ионы, поскольку многие комплексообразователи оказываются особенно подходящими переносчиками для ионнообменных компонентов. Примером сопряженного транспорта является перенос нитрат-иона (NOJ). Третичные амины или четвертичные аммониевые соли обладают свойством образовывать комплексы с анионами. Сродство между анионом и анионообменным компонентом в основном определяется плотностью заряда аниона, которая в свою очередь зависит от размера и валентности аниона. По сродству к четвертичной аммониевой соли анионы располагаются в следующий ряд: I > NOJ >
NOj > сг > П2РО\- > HS07 > S0^~ > НСО3 > Р0^~ > со^~.
Для удаления из разбавленного раствора аниона NO3 по механизму сопряженного транспорта необходимо, чтобы сродство другого компонента к переносчику было ниже, чем у нитрата, но в то же время это сродство не должно быть слишком низким, так как в противном слу-
Азот
(с переносчиком и без него)
Кислород (с переносчиком)
Кислород (без переносчика)
Давление газа , мм рт. ст.
Рис. VI-29. Потоки кислорода и азота через пленку воды, содержащую и не содержащую переносчик гистидин кобальта [41].
Рис. VI-30. Противоточный транспорт. Концентрация иона С1~ в фазе 2 (фаза после жидкой мембраны) очень высока по сравнению с низкой концентрацией иона NOJ в сырье (фаза 1).
чае диссоциация комплекса будет сильно затруднена. Компонентом, удобным для обмена с нитратом, оказался хлорид-ион (С1~). Схема сопряженного транспорта нитрат-аниона показана на рис. VI-30.
Нитрат-ион в фазе 1 (на входе в мембрану) заменяется на С1”, тогда как в фазе 2 хлорид заменяется на нитрат. Перенос нитрат-аниона осуществляется против его собственного градиента, действительной движущей силой процесса является большая разность концентраций хлорид-ионов на входе в мембрану и выходе из нее. Несмотря на то что сродство между нитрат-ионом и переносчиком намного превышает сродство хлорид-иона, распад комплекса в фазе 2 (стадия высвобо-
Фаза1
(сырье)
Жидкая
мембрана
Фаза 2
ждения) происходит при установлении очень высокой концентрации хлорид-иона. Процесс соответствует обратимой реакции
При осуществлении сопряженных процессов облегченного транспорта можно достичь очень высоких коэффициентов концентрирования.
VI.4.4.I. Закономерности разделения
Как указывалось выше, перенос кислорода через воду может быть усилен введением специфических переносчиков. Общий поток кислорода через мембрану определяется двумя механизмами: во-первых, диффузией через мембрану образовавшегося комплекса переносчика с кислородом; во-вторых, обычной фиковской диффузией через мембрану растворенного кислорода.
На рис. VI-31 показаны профили концентрации для обоих случаев — диффузии молекулярного кислорода по закону Фика и диффузии комплекса переносчик-кислород (диффузия кислорода в составе комплекса). Оба механизма транспорта действуют одновременно. Вначале рассмотрим простой случай, т. е. перенос одного компонента. Пенетрант А реагирует с переносчиком С с образованием растворимого комплекса АС и может переноситься через мембрану двумя способами — в составе комплекса или в свободном виде. Общий поток компонента А складывается из двух членов:
Первый член правой части уравнения VI-65 описывает диффузию компонента согласно закону Фика, где Da — коэффициент диффу-
