Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Равновесие жидкость — пар
Гидрофобные (политетрафторэтилен,
полипропилен)
Получение чистой воды:
- лабораторное
VI.5.3. Термоосмос
Термоосмос, или термодиффузия, — это процесс, в котором пористая или непористая мембрана разделяет две фазы, различающиеся по температуре. Вследствие разности температур, возникает объемный поток от более нагретой к более охлажденной стороне, сохраняющийся до установления термодинамического равновесия. Такая ситуация была рассмотрена в гл. IV в качестве примера сопряжен-
ного потока. Следует иметь в виду, что между термоосмосом и мембранной дистилляцией имеются существенные различия, поскольку эффективность процесса в первом случае определяется мембраной, а во втором — мембрана выполняет лишь роль барьера между двумя несмачивающими жидкостями, а селективность определяется равновесием жидкость — пар. Однако в обоих случаях движущей силой является разность температур.
VI.6. Электромембранные процессы VI.6.1. Введение
Движущей силой мембранных процессов является разность электрических потенциалов, транспорт основан на способности ионов и заряженных частиц проводить электрический ток. При наложении разности потенциалов к раствору соли положительные ионы (катионы) движутся к отрицательному электроду (катоду), а отрицательные (анионы) — к положительно заряженному электроду (аноду). Движущая сила не оказывает влияния на незаряженные молекулы, что позволяет отделять их от компонентов, несущих электрический заряд. С помощью заряженных мембран возможно регулировать транспорт ионов. Такие мембраны проводят электрический ток. Различают два вида мембран: катионообменные мембраны, позволяющие переносить положительно заряженные ионы, и анионообменные мембраны, обусловливающие перенос анионов. Транспорт ионов через заряженную мембрану основан на эффекте Доннана (см. гл. IV). Для осуществления электромембранных процессов используются разнообразные комбинации электрически заряженных мембран и разности потенциалов. Одним из основных электромембранных процессов является элетродиализ, который используется для очистки воды от ионов. Имеется множество производных процессов, основанных на использовании заряженных мембран и разности потенциалов (в качестве движущей силы). Некоторые из них, такие, как мембранный электролиз и применение биполярных мембран, будут описаны ниже.
VI.6.2. Электродиализ
Принцип электродиализа можно понять из схемы, представленной на рис. VI-44. Здесь удаление ионов из водных растворов достигается при использовании электрически заряженных мембран. Между катодом и анодом помещается большое число катионо- и анионообменных мембран, расположенных в чередующемся порядке. При прокачке раствора электролита (скажем, раствора хлорида натрия) через пару камер в них не будет происходить разделения до тех пор, пока
Сконцентрированный
Рис. VI-44. Принцип процесса электродиализа.
не будет приложен электрический потенциал (прямой электрический ток). При наложении разности потенциалов положительно заряженные ионы натрия передвигаются к катоду, а отрицательно заряженные хлорид-ионы — к аноду, причем хлорид-ионы не могут проходить через отрицательно заряженную мембрану, а катионы — через положительно заряженные мембраны. Это означает, что общий результат процесса заключается в увеличении концентрации ионов в чередующихся камерах при одновременном уменьшении их концентрации в других камерах. Следовательно, чередуются образовавшиеся разбавленные и концентрированные растворы. На электродах осуществляется электролиз, причем на отрицательно заряженном катоде выделяется водород (Н2) и гидроксид-ионы (ОН”), а на положительно заряженном аноде выделяются хлор (CI2), кислород (О2) и протоны (Н+):
катод: 2Н2О + 2е” —> Н2 + 20Н”
анод: 2С1” —> СЬ + 2е“
Н20-(1/2)02 + 2Н+ + 2е~
При промышленном использовании электродиализа в электродиа-лизных установках группируют до нескольких сот парных ячеек. Использование концепции разности электрического потенциала в комбинации с заряженными мембранами позволяет осуществить множество других процессов очистки. Для иллюстрации возможностей такого подхода ниже будут рассмотрены некоторые примеры.
VI. 6.2.1. Параметры процесса
Количество ионов, перенесенных через мембрану, прямо пропорционально электрическому току I или плотности тока. Главным недостатком электродиализа является концентрационная поляризация, которая ограничивает плотность тока ( см. гл. VII). Электрический ток определяется выражением
/ = zFQAc/e (VI-83)
где z — валентность иона, F — постоянная Фарадея (1 фарадей равен 96500 кулонов, или ампер-секунд), Q — скорость потока, Ас — разность концентраций до и после мембраны и е — эффективность тока. Последняя величина связана с числом парных камер в блоке и определяется долей общего тока, затраченной на перенос ионов. Теоретически количество электричества, равное фарадею, способно переносить 1 грамм-эквивалент катионов к катоду (соответственно 23 г натрия) и 1 грамм-эквивалент анионов к аноду (35,5 г хлора). На этот параметр влияет проницаемость мембраны по воде (вследствие осмотических эффектов вода диффундирует из разбавленного раствора в более концентрированный), а также тот факт, что мембраны не вполне селективны. Вследствие эффекта Доннана (см. гл. V) селективность мембраны уменьшается при увеличении концентрации ионов.
