Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. VI-38. Контактный угол жидкой капли на поверхности твердого непористого материала.
При смачивании (9 < 90°) жидкость пропитывает поры пористого материала. Это явление описывается уравнением Лапласа:
Ар = — —tL cos в (VI-82)
При 9 > 90°С выполнятся неравенства cos# < 0 и Ар > 0, поэтому, согласно уравнению Лапласа, жидкость будет проникать в мембрану только при наложении давления. Как видно из уравнения VI-82, смачивание зависит от трех факторов:
- размера пор (г);
- поверхностного натяжения жидкости (71);
- поверхностной энергии мембранного материала, т. е. от величины 9 или cos#.
Рис. VI-39. Давление смачиваемости (поступления жидкости в поры) для пористой мембраны на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ).
Смачивание обратно пропорционально размеру пор мембраны. На рис. VI-39 показано, какое давление следует приложить к пористой тефлоновой мембране, чтобы жидкость смачивала поры мембраны, в зависимости от размера пор.
Вторым параметром, от которого зависит смачивание, является поверхностное натяжение жидкости. Поверхностное натяжение определяется межмолекулярными взаимодействиями, такими, как дисперсионные силы, силы взаимодействия диполей и водородные связи. В углеводороде, например гексане, действуют только слабые дисперсионные силы, поэтому поверхностное натяжение мало. А при образовании водородных связей, как, например, в воде, межмолекулярные силы очень велики и соответственно поверхностное натяжение тоже. В табл. VI-18 приведено поверхностное натяжение некоторых жидкостей.
При возникновении контакта между жидкостью и гладкой полимерной поверхностью могут наблюдаться различные контактные углы (на рис. VI-38 три принципиально разных случая), величина которых зависит от сродства между жидкостью и полимером. Если контактный угол больше 90°, жидкость не смачивает поверхность, этот случай соответствует очень слабому взаимодействию между жидкостью и полимером, например, вода — полипропилен. При контактных углах меньше 90° жидкость смачивает поверхность, и наконец, при 0 = 0 жидкость растекается по поверхности.
Третий важный фактор — поверхностная энергия полимера, по-
Таблица VI-18.Поверхностное Таблица VI-19. Поверхностная энер
натяжение некоторых жидко гия некоторых полимеров [49]
Полимер 7в| 103 Н/м
Жидкость 7i, 103 Н/м
Политетрафторэтилен 19,1
Вода 72,8 Политрифторэтилен 23,9
Метанол 22,6 Поливинилиденфторид 30,3
Этанол 22,8 Поливинилхлорид 36,7
Глицерин 63,4 Полиэтилен 33,2
Форм амид 58,2 Полипропилен 30,0
н-Гексан 18,4 Полистирол 42,0
скольку смачиваются, как правило, высокоэнергетические поверхности. В табл. VI-19 приведены поверхностные энергии некоторых полимеров. Таким образом, во избежание смачивания полезно использовать тонкопористые мембраны, жидкости с большим поверхностным натяжением (вода) и полимерные материалы с низкой поверхностной энерией, такие, как полипропилен, политетрафторэтилен и поливи-нилиденфторид. Эти полимерные материалы, как известно, можно использовать и для микрофильтрации, в этом случае перед использованием их для водных систем мембраны необходимо предварительно обработать, например, этанолом, для обеспечения смачивания водными растворами, как показано на рис. VI-39.
Этанол, масс, доля
Рис. VI-40. Давление смачивания АР в зависимости от содержания этанола для мембраны на основе пористого полипропилена (Accurel) с диаметром пор 0,1 мкм [50].
В то же время при использовании мембран для мембранной дистилляции необходимо полностью устранять смачивание. На рис. VI-40 приведена зависимость давления, которое нужно приложить, чтобы добиться смачивания пористой полипропиленовой мембраны (Accurel) растворами этилового спирта, от концентрации спирта в воде [50]. С увеличением концентрации спирта поверхностное натяжение раствора снижается, соответственно снижается и давление смачивания пористой мембраны. При 30-40%-ных концентрациях спирта в растворе поверхностное натяжение уже достаточно мало, что обеспечивает самопроизвольное смачивание. Для оценки роли смачивания полезно для жидкости или жидкой смеси определить такое критическое поверхностное натяжение [50].
VI. 5.2.2. Мембраны
Требования, которые должны предъявляться к мембранам, применяемым в мембранной дистилляции, очевидны. Во избежание смачивания поверхностная энергия полимера должна быть по-возможности низкой. Следовательно, высокогидрофобные материалы, такие, как политетрафторэтилен, поливинилиденфторид или полипропилен, должны использоваться в комбинации с жидкостями, имеющими высокое поверхностное натяжение, например, с водой. Оптимизировать мембрану далее едва ли представляется возможным, так как селективность определяется равновесием жидкость — газ. Что касается потока, то он поддается оптимизации, и здесь наиважнейшим параметром является пористость (поверхностная и общая пористость). Увеличение пористости, как правило, сопровождается увеличением размера пор, что в свою очередь благоприятствует смачиванию. Желательно, чтобы высокая пористость (70-80%) мембраны сочеталась с размером пор порядка 0,2-0,3 мкм. Особое внимание нужно уделять определению пор максимального размера, поскольку смачивание в первую очередь обеспечивается наибольшими порами и их размер не должен сильно отличаться от среднего размера пор. Полезно пользоваться как можно более тонкими мембранами. В целом мембраны для мембранной дистилляции могут быть совершенно идентичными тем, которые применяются в микрофильтрации.
