Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Приведенные уравнения слишком просты для описания реального диализа. Из рис. VI-36 можно видеть, что при проведении процесса в противоточном режиме (или при каком-либо другом типе конфигурации потока) концентрации по обе стороны мембраны являются функциями расстояния от входа в мембранный элемент. Это означает, что для описания процесса необходимо использовать иные уравнения, учитывающие баланс масс [45]. Кроме того, может наблюдаться концентрационная поляризация, при которой сопротивление переносу массы определяется не только мембраной, но и сопротивлениями пограничных слоев. Общий коэффициент массопереноса ко можно получить суммированием по трем сопротивлениям согласно формуле
^ = ^ + + ^ (VI‘79) где и &2 — сопротивления масопереносу пограничных слоев по обе стороны мембраны и Ps = Ds • Ks. В отсутствие сопротивления пограничных слоев поток растворенного вещества выражается уравнением VI-78.
VI.4 5 2. Мембраны
Диализ используется главным образом для отделения низкомолекулярных компонентов от высокомолекулярных. Механизм такого разделения основан на различии молекулярных масс и определяется уравнением Стокса — Эйнштейна. Известно, что диализ использует-
с я, как правило, для водных растворов, но сам по себе процесс не обязательно применим для таких растворов. Движущая сила диализа — разность концентраций, а разделение основано на различии молекулярных размеров независимо от того, какой растворитель используется — вода или органическая жидкость. Для достижения достаточных скоростей транспорта мембраны должны быть высоко набухаемыми, что неминуемо связано с уменьшением селективности. Необходимо оптимизировать систему с учетом скорости диффузии и набухания; кроме того, полезно использовать как можно более тонкие мембраны.
Для водных систем используются гидрофильные полимерные материалы, такие, как целлофан или купрофан, являющиеся производными целлюлозы. Кроме того, используются и другие гидрофильные материалы, такие, как ацетат целлюлозы, омыленный ацетат целлюлозы (регенерированная целлюлоза), поливиниловый спирт, полиакриловая кислота, полиметилметакриалат, сополимеры этилена и винилацетата или этилена и винилового спирта, а также более гидрофобные материалы, как, например, поликарбонаты.
VI. 4-5.3. Применения
Наиболее важное применение — это гемодиализ, при котором мембраны используются как искусственная почка для людей, страдающих почечной недостаточностью. Диализные мембраны могут полностью заменить почку и способны удалять токсические низкомолекулярные компоненты: мочевину, креатинин, фосфаты и мочевую кислоту. Это достигается прокачиванием крови через диализатор, который, как правило, представляет собой половолоконный модуль, содержащих какую-либо из упомянутых мембран. Одно из главных требований, предъявляемых к мембранным материалам, — это их кровесовмести-мость. Часто в качестве антикоагулянта в кровь до ее поступления в диализную ячейку добавляют гепарин. Кроме токсичных компонентов через мембрану будут диффундировать также нетоксичные важные для организма растворенные низкомолекулярные вещества. Например, таким образом отделяются электролиты (ионы натрия и калия), если в качестве второй фазы взять чистую воду, а так как электролитный баланс очень важен для организма, при диализе в качестве фазы пермеата используют физиологические солевые растворы; такие условия нивелируют движущую силу транспорта этих ионов.
Иногда для удаления из крови вредных продуктов метаболизма используют пористые мембраны, такие процессы называются гемофильтрацией; в них используются мембраны ультрафильтрационного типа. Процессы гемодиализа и гемофильтрации существенно отличаются друг от друга по своей природе: первый основан на диффузии, а
второй — на конвекции. Поскольку скорости гемофильтрации намного больше, чем при гемодиализе, необходимо проявлять осторожность в связи с возможным обезвоживанием организма пациента.
О других применениях скажем вскользь, например, о выделении соды из коллоидного раствора гемицеллюлозы в производстве вискозы [46], а также об удалении спирта из пива [47].
VI.4 5.4- Диализ (параметры и применения)
Мембраны Гомогенные
Толщина 10-100 мкм
Движущая сила Разность концентраций
Принцип разделения Разница скоростей диффузии, механизм
растворения — диффузии Мембранные материалы Гидрофильные полимеры (продукты
переработки целлюлозы: целлофан, купрофан, ацетат целлюлозы), сополимеры этилена с виниловым спиртом и этилена с винилацетатом Применения Гемодиализ (удаление токсических
веществ из крови)
Снижение концентрации спирта в пиве
VI. 5. Термомембранные процессы VI.5.1. Введение
Большинство мембранных процессов являются изотермическими, и в них в качестве движущей силы выступают разность концентраций, давлений или электрического потенциала.
Если мембрана разделяет две фазы, имеющие разную температуру, тепло будет передаваться от фазы с более высокой температурой к фазе с более низкой температурой. Перенос тепла выражается простым феноменологическим уравнением, известным как закон Фурье (см. разд. 1.5), связывающий поток тепла с соответствующей движущей силой, а именно с разностью температур. Кроме потока тепла наблюдается также поток массы, а процесс называется термоосмосом или термодиффузией.
