Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Другим мембранным процессом, протекающим под действием градиента температуры, является мембранная дистилляция. Пусть по-
ристая мембрана разделяет две жидкости, не смачивающие мембрану. В том случае, если жидкости находятся при разных температурах, возникающая разность давления пара заставляет молекулы пара проникать из высокотемпературной части (высокое давление пара) в низкотемпературную (низкое давление пара). Основные представления о мембранной дистилляции рассмотрены ниже.
VI.5.2. Мембранная дистилляция
Процесс мембранной дистилляции происходит в системе, в которой две жидкости или два раствора, разделенные пористой мембраной, поддерживаются при различных температурах. Жидкости или растворы не должны смачивать стенки пор мембраны, в противном случае за счет капиллярных сил поры мгновенно заполнятся жидкостью. Таким образом, в случае водных растворов нужно использовать не-смачиваемые пористые гидрофобные мембраны. Схема процесса мембранной дистилляции представлена на рис. VI-37.
Если обе жидкие фазы представлены чистой водой, то в отсутствие разницы температур система находится в равновесии и транспорт в ней отсутствует. Если температуру одной из фаз повысить, на мембране возникнет градиент температуры, приводящий к разному давлению паров по обе стороны мембраны. Так что парообразные молекулы будут переноситься через поры мембраны со стороны с большим давлением паров на сторону с меньшим давлением паров. Возникший транспорт осуществляется в три стадии:
Г идрофобная пористая мембрана
Т, > Т2
- испарение на стороне с более высокой температурой;
- перенос парообразных молекул через поры гидрофобной пористой мембраны;
- конденсация на стороне с более низкой температурой.
Мембранная дистилляция является единственным мембранным процессом, в котором мембрана непосредственно в акте разделения не участвует, и ее единственная функция сводится к роли барьера между двумя фазами. Селективность процесса целиком определяется возникающими равновесиями жидкость — пар. Таким образом, компонент с наибольшим парциальным давлением обнаруживает наибольшие скорости транспорта. Например, в случае смеси этанол — вода в условиях, когда мембрана не смачивается растворами спирта низкой концентрации, оба компонента будут переноситься через мембрану, но скорость переноса этанола всегда будет выше, чем у воды. В случае солевых растворов, например, NaCl в воде, создается только давление паров воды, так как давлением паров NaCl можно пренебречь, и только вода будет проникать через мембрану, причем с очень высокой селективностью.
Перенос летучих компонентов через мембрану может быть описан феноменологическими уравнениями, в которых поток пропорционален движущей силе, т. е. разности температур по обе стороны мембраны. Различие температур приводит к различию давлений пара (связь между давлением пара и температурой определяется уравненем Клаузиуса — Клапейрона):
1пР = ^ш^+с (VI'80)
(Для неидеальных систем нужно пользоваться другими эмпирическими соотношениями, например соотношениями Уилсона, Маргулиса и ван Лаара.)
Феноменологическое уравнение для потока имеет следующий вид:
Ji = В • A pi (VI-81)
В этом выражении поток определяется двумя параметрами: параметр В характеризует свойства мембраны, а параметр Ар — условия осуществления процесса. Коэффициент пропорциональности В зависит от таких свойств мембраны, как природа материала (степень гидро-фобности или гидрофильности), структура пор, пористость, которая должна быть по возможности высокой. Толщина мембраны также непосредственно влияет на величину потока: чем тоньше мембрана, тем выше величина потока. Распределение пор по размерам в мембране должно быть достаточно узким, особенно это касается больших пор, поскольку они смачиваются в первую очередь. Параметр Ар, напротив, зависит только от разности температур АТ.
Не менее важными параметрами процесса оказываются гидродинамические условия (скорость потока) и конструкции модулей, поскольку от них зависит температурная поляризации системы, а следовательно, и величина движущей силы (см. гл. VII).
VI.5.2.1. Параметры процесса мембранной дистилляции Мембранная дистилляция основана на концепции, что дистилляция происходит внутри пористой мембраны. Обязательным свойством ди-стилляционной мембраны должна быть ее несмачиваемость жидкой фазой, поскольку при смачивании жидкость самопроизвольно заполняет поры мембраны. Смачиваемость определяется взаимодействиями между жидкой фазой и полимерным материалом мембраны, причем несмачивание наблюдается при низком сродстве между фазами. Оценить смачивание можно путем измерений контактных углов в трехфазном контакте: капля жидкости помещается (в газовой среде) на непористую плоскую, гладкую поверхность и измеряется ее контактный угол. При малом сродстве контактный угол 9 будет больше 90°, а жидкость не будет смачивать твердую поверхность. Принцип измерения контактных углов показан на рис. VI-38.
