Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
h высокое (например, высокое давление до мембра-
ны)
/ низкое
m мембрана
р пермеат
пол, р полимер
г ретентат
s растворитель
w вода
v объем
1 нерастворитель
2 растворитель
3 полимер
ads адсорбция
ave средний
sorp сорбция
obs наблюдаемый
int характеристический
Глава I Введение
1.1. Процессы разделения
В 1861 г. примерно в то же время, когда Грэм доложил о своих первых экспериментах по диализу с помощью синтетических мембран [1], Максвелл выдвинул идею демона, способного «следить за траекторией каждой молекулы и выполнять совершенно недоступные для нас действия» [2]. Другими словами, «демон Максвелла» способен различать и сортировать отдельные молекулы. Предположим, что сосуд разделен на две части А и В перегородкой, в которой есть маленькое отверстие, и что «демон Максвелла», сидя возле этого отверстия, может его открывать и закрывать (рис. 1-1). Секция А наполнена газом, состоящим из «горячих» (Н) и «холодных» (С) молекул (т. е. Н и С имеют разные средние скорости), и «демон» пропускает через перегородку только «горячие» молекулы. После того как он «поработает» в течение некоторого времени, «горячие» и «холодные» молекулы будут полностью разделены (рис. 1-1,6). Следовательно, из неупорядоченного состояния достигается упорядоченное, что противоречит второму закону термодинамики. Этот закон устанавливает, что система, находящаяся в изолированном состоянии, стремится к максимальной энтропии, т. е. к максимуму беспорядка.
Рис. 1-1. «Демон Максвелла» переводит систему из неупорядоченного состояния (а) в упорядоченное (б).
Предположим теперь, что обе части сосуда разделяет мембрана, причем секция А наполнена смесью изомеров. Далее, вместо использования «демона», приложим к обоим изомерам движущую силу. Мембрана может отличать два типа молекул из-за различий в размерах, форме или химической структуре. И опять разделение будет достигнуто, но только в определенной степени. Мембрана никогда не сделает эту работу так же хорошо, как «демон», так как мембрана не способна разделить смесь полностью. Конечно, эти два примера не вполне сопоставимы (даже безотносительно к тому факту, что «демон Максвелла» не существует), так как в случае мембраны к системе подводится энергия (в виде работы или тепла), а «демон», совершает работу волшебным образом без затраты энергии.
Разделение самопроизвольно смешиваемых веществ может быть выполнено с помощью каких-нибудь устройств, потребляющих энергию, подводимую в виде тепла или механической работы. Основной принцип всех процессов разделения — для их осуществления требуется некое минимальное количество энергии. Следовательно, два вещества А и В будут самопроизвольно смешиваться, если свободная энергия продукта (смеси) меньше, чем сумма свободных энергий индивидуальных веществ. Минимальное количество энергии (Wmin), необходимое для достижения полного разделения, по крайней мере равно или больше, чем свободная энергия смеси AGm.
Wm[n > AGm = Дtfm - TASm (1-1)
Практически энергия, необходимая для разделения, во много раз больше, чем минимальное значение Wmin. Существует много типов процессов разделения, и каждый требует различного количества энергии. Так, производство пресной воды из морской может быть осуществлено с помощью нескольких доступных промышленных процессов разделения:
1) дистилляция — к раствору подводится тепло в количестве, необходимом для дистилляции;
2) вымораживание — раствор охлаждается с целью получения чистого льда;
3) обратный осмос — раствор находится под давлением, позволяющим молекулам воды проходить через мембрану, в то время как молекулы соли задерживаются;
4) электродиализ — к раствору соли между заряженными мембранами приложено электрическое поле, и ионы под действием электрических сил отделяются от молекул воды, так что очищенная вода и раствор соли собираются в разных ячейках аппарата;
5) мембранная дистилляция — к раствору подводится тепло, пары воды проходят через мембрану.
Минимальное количество энергии, необходимое для обессолива-ния морской воды, может быть определено с помощью простых термодинамических расчетов. Если 1 моль растворителя (т. е.^воды) проходит через мембрану, минимальная работа совершается, когда процесс протекает обратимо:
Wmin = ж ¦ Vw = 25 • 105(Н/м2) • 18 • 10-6(м3/моль) =
= 45 Дж/моль = 2,5МДж/м3
где 7г — осмотическое давление морской воды (25 бар) и Vw — молярный объем воды (0,018 л/моль). Обратный осмос потребляет наименьшее количество энергии из всех упоминавшихся выше процессов, однако все процессы разделения требуют больше энергии, чем минимальное количество. Для этих процессов также существенно различны механизмы, необходимые для достижения разделения; так, дистилляция и мембранная дистилляция основаны на различиях в (парциальном) давлении пара, вымораживание — процесс кристаллизации — на различиях в температурах замерзания, обратный осмос — на различиях в растворимости и на различиях в скорости диффузии воды и соли в мембране, а электродиализ — на ионном транспорте через ионоселективную заряженную мембрану. Процессы вымораживания и дистилляции включают фазовый переход и, значит, должна подводиться или отводиться теплота фазового перехода. Мембранные процессы, такие, как обратный осмос и электродиализ, протекают без фазового перехода и требуют более низкого потребления энергии. Мембранная дистилляция, также являющаяся мембранным процессом, не является чистым фазовым переходом, хотя фактически включает два перехода — испарение (на одной стороне мембраны) и конденсацию (на другой стороне).
