ВУЗ:
Составители:
1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗДЕЛЕНИЯ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННЫМИ МЕТО-
ДАМИ
1.1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОБАРОМЕМБРАННЫХ МЕТОДОВ
В процессах обратного осмоса и ультрафильтрации наложение давления на раствор повышает термодинамическую ак-
тивность каждого из его компонентов в степени пропорционально парциальному мольному объему каждого компонента, и
таким образом создает движущую силу для проницания веществ через мембрану. Для некоторых водных растворов, пред-
ставляющих интерес в мембранных процессах разделения, эти парциальные мольные объемы различаются незначительно, и
мембрана по этим веществам обладает очень низким коэффициентом задерживания или имеет отрицательный коэффициент
задерживания. В этом случае при одноразовом и даже многоступенчатом проходе разделяемого раствора через полупрони-
цаемую мембрану эффективного разделения невозможно достичь. Низкий коэффициент задерживания и водопроницаемость,
как следствие, также обусловлены при баромембранном разделении водных растворов низкомолекулярных органических
веществ их высокой полярностью, низкой степенью диссоциации, возможностью образовывать водородные связи с актив-
ным слоем мембраны, способностью образовывать димеры, тримеры и более сложные пространственные структуры в вод-
ном и пограничном слоях мембраны. Так при обратноосмотическом разделении водных растворов фенола, бензолдисульфа-
ната натрия, анилина наблюдалось отрицательное значение коэффициента задерживания [1 – 3]. Эти вещества, являясь вы-
сокополярными, обладают преимущественной «адсорбционной способностью» по отношению к активному слою мембраны,
т.е. они переносятся через мембрану в несколько большем количестве в пермеат, чем их находится в исходном растворе, и
происходит процесс обогащения пермеата растворенным веществом. В соответствии с сорбционной теорией мы имеем дело
с положительной адсорбцией. Поэтому на основании уравнения Гиббса [4, 5] имеем
dC
d
RT
С σ
=Г , (1.1)
где Г – избыток растворенного вещества на поверхности мембраны; С – концентрация раствора; R – газовая постоянная; σ –
поверхностное натяжение.
При повышении концентрации (С) производная
0/
<
σ
dCd , величина 0Г > , и концентрация растворенного вещества в
поверхностном межфазном слое у мембраны увеличивается, по сравнению с концентрацией исходного раствора, т.е. наблю-
дается отрицательный коэффициент задерживания.
С увеличением концентрации раствора коэффициент задерживания, по вышеприведенным веществам возрастает, а во-
допроницаемость резко снижается. Здесь можно предположить, что в примембранном слое и в порах мембраны молекулы
растворенного вещества располагаются так, что их плоскости бензольных колец перпендикулярны поверхности мембраны и
стенкам пор [6]. Поэтому, с увеличением концентрации раствора уменьшается диаметр пор, а в некоторых случаях происхо-
дит их объемное заполнение (блокирование) и, как следствие, снижается водопроницаемость и увеличивается коэффициент
задерживания мембран. Кроме того, с ростом концентрации возможно образование димеров, тримеров и других более слож-
ных пространственных структур из молекул растворенного вещества как в примембранных слоях, так и в объеме раствора.
Приведенный анализ отмечает, что водные растворы, содержащие органические вещества с низкой степенью диссоциа-
ции, высокой полярностью, ограниченно растворимые, имеющие в структуре бензольное кольцо, и являющиеся слабыми
кислотами или основаниями, традиционно разделить обратным осмосом или ультрафильтрацией малореально и неперспек-
тивно.
Явление отрицательного коэффициента задерживания, феномен резкого изменения коэффициента задерживания и во-
допроницаемости заставляют искать новые научные подходы и направления в мембранной технологии при разделении вод-
ных растворов, содержащих низкомолекулярные органические вещества.
Отрицательный коэффициент задерживания – это когда соотношение потоков растворенного вещества и растворителя
нарушается и растворенное вещество переносится в большем количестве, чем растворитель, в пермеат, а это наводит на
мысль, что эффективнее в баромембранной технологии в области низких концентраций органических веществ (С ≅ 1 кг/м
3
) че-
рез баромембрану выделять в большом количестве растворенное вещество, а не растворитель, т.е. получать концентриро-
ванный раствор в пермеате, а в концентрате – поток обедненный по растворенному веществу. Это направление – регулиро-
вание потоков через баромембрану – позволяет эффективнее провести процесс отделения растворенного вещества от раство-
рителя, так как, во-первых, уменьшается энергия на разрыв межмолекулярных связей компонентов раствора, во-вторых, ко-
личество выделяемого растворенного органического вещества значительно меньше растворителя (примерно на два порядка),
в-третьих, значительно уменьшить рабочую площадь мембраны, а значит размеры мембранной установки, в-четвертых, сни-
зить затраты и экологичнее провести процесс разделения.
Резко изменяющийся коэффициент задерживания и водопроницаемости с ростом концентрации при баромембранном
разделении, вероятнее, также обусловлена изменением потоков растворителя и растворенного вещества. С ростом концен-
трации для веществ этого класса снижается водопроницаемость, т.е. уменьшается поток растворителя через мембрану.
Уменьшение суммарного потока растворенного вещества с повышением концентрации вызывает повышение коэффициента
задерживания. Традиционно при обратном осмосе и ультрафильтрации с ростом концентрации коэффициента задерживания
и водопроницаемость снижается более плавно, т.е. незначительно [6 – 8]. В наших исследованиях коэффициент задержива-
ния по ряду веществ с их ростом концентрации в растворе имеет обратное значение. Это также приводит к мысли, что пото-
ки растворенного вещества и растворителя могут усиливаться, дополняться другими потоками противоположного направле-
ния, что может изменять направления суммарного потока и, соответственно, менять значение коэффициента задерживания
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- …
- следующая ›
- последняя »
