Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
RC1 + NOJ ~ RN03 + Cl-
Константа равновесия этой реакции выражается как
V — [^^Оз]о[С1
к - [RCiUNOj]. (V|-W)
где индексы у концентраций о и w относятся соответственно к органической и водной фазам. При очень низкой растворимости ионов в органической фазе концентрация компонента определяется концентрацией в мембране комплекса переносчик-компонент. Следовательно, константа равновесия равна отношению коэффициентов распределения на входе в мембрану, так как
k = [МОз]о = [R-NQ3]o N°3 [N03-]„ [NO3 ]„, ( )
t = Ek = M rvr
Cl [C r]w [Cl-]u, ( }
Специфичность переносчика определяется величиной отношения коэффициентов распределения kNO-/kc 1-, и, если эта величина большая, переносчик обладает высокой селективностью.
При описании общего транспорта необходимо рассматривать три процесса [58]. Поток нитрат-ионов в пограничном слое («/&/) имеет вид
Л; = (VI-69)
ах
тогда как поток нитрат-ионов через межфазную границу определяющийся легкостью комплексообразования, записывается в виде
Ji = кг[NO"]„ - к.г[NO"]m (VI-70)
где ki и к-1 — константы скорости, a [NOJ]w и [NOg ]m — межфазные концентрации нитрат-ионов со стороны водной (и;) и органической (ш) фаз соответственно.
Поток нитрат-ионов через мембранную фазу (Jm) равен:
Jm = ~Dm d[N^3 (VI-71)
В условиях стационарности потоки равны (в противном случае на какой-то стадии будет происходить накопление вещества), т. е. Jbi — Ji = Jmj и, кроме того, равны общему потоку J. Заменяя дифференциалы приращениями (dc/dx = Ас/Ах) и комбинируя уравнения VI-69 — VI-71, получим:
1 = °?^ (VI-72)
*1 Dbl + *-!?>„ + 1
где 6 — толщина пограничного слоя и ? — толщина мембраны. Концентрация нитрат-ионов на входе в мембрану, [NOJ]^, не постоянна и снижается во времени. Поток определяется уравнением
у= KdlNOi).
A di
где V — общий объем сырья до мембраны и А — площадь мембраны.
Считая комплексообразование быстрым процессом, можем написать:
Р_ _ [NO_3J0 = к (VI-74)
*-i [N0J]„ NO* v '
Деля числитель и знаменатель на A:_i и пренебрегая единицей в знаменателе, получим уравнение VI-72 в виде [58]:
-------= ---------°----------------= Р (VI-75)
fNO“l к .-L.+ JL KNO- Dbl-t Dm
Если проницаемость определяется процессом диффузии через мембрану, явлением пограничного слоя можно пренебречь, тогда коэффициент проницаемости Р запишется в виде Р = kNO- • Dm/?. Однако
Рис. VI-34. Кинетика удаления растворенного вещества из сырья согласно уравнению VI-76.
в случае, если граничные эффекты превалируют, коэффициент проницаемости равен Р = Dbi/S.
Комбинация уравнений VI-73 и VI-75 и интегрирование с учетом граничных условий с = со при t = 0 и с = с при t = t приводят к следующему выражению:
1п (?) = -vpt <v,-76)
Из этого уравнения ясно, что концентрация экспоненциально снижается во времени, так как коэффициент проницаемости не зависит от концентрации. Такое поведение наблюдается очень часто (см. рис. VI-34).
VI.4 4-2- Получение мембран
При описании методов получения мембран будем по-прежнему различать два типа жидких мембран: жидкие мембраны на подложках, или импрегнированные жидкие мембраны (ИЖМ), и эмульсионные жидкие мембраны (ЭЖМ).
Жидкие мембраны на подложках состоят из трех основных компонентов:
- подложка;
- органический растворитель;
- переносчик.
Подложка мембраны выполняет функцию каркаса, поскольку свободные жидкие пленки неустойчивы. Но даже и при наличии такого каркаса жидкие мембраны не могут быть стабильны в течение
Таблица VI-15. Некоторые пористые мембраны, часто используемые в качестве подложек для импрегни-рованных жидких мембран
Метод получения Материал
Вытяжка Полипропилен (Celgard)
Политетрафторэтилен (Gore-Тех)
Инверсия фаз Полипропилен (Accurel)
длительного времени. В этом заключается одна из основных проблем рассматриваемого процесса, на чем мы подробнее остановимся в конце данного раздела. Действительно, в качестве подложки можно использовать любые мембранные материалы с подходящими химическим свойствами, способные обеспечить устойчивость мембраны в экспериментальных условиях. Так, часто в качестве подложки используются достаточно инертные материалы, такие, как полипропилен или поливинилиденфторид. Поверхностная и общая пористость таких материалов должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечивать поток оптимальной величины. В табл. VI-15 приведены некоторые гидрофобные пористые мембраны, часто использующиеся в качестве полимерных пористых подложек. Кроме уже упомянутых материалов в качестве подложек могут использоваться и другие, более плотные материалы, такие, как полисульфон и ацетат целлюлозы. Наряду с пористостью скорость массопереноса определяется и толщиной мембраны, поскольку поток обратно пропорционален толщине мембраны, поэтому мембрана должна быть как можно более тонкой. В то же время по мере уменьшения толщины мембраны число Дамкелера также будет снижаться, поскольку эти два эффекта взаимно противоположны. При наличии двух эффектов противоположного действия существует некая оптимальная ситуация, определяющаяся свойствами системы и условиями ее использования. При высоких числах Дамкелера скорости образования комплексов так велики, что общий поток через мембрану почти полностью определяется их диффузией. И в этих уловиях поток оказывается обратно пропорциональным толщине мембраны.
