5. Механизм полупроницаемости мембран

На сегодня для объяснения процесса полупроницаемости на молекулярном уровне трактования рассматривается две гипотезы: капилярно-фильтровальная и сорбционная.

В основу капиллярно-фильтровальной концепции механизма разделение лежат стерические факторы: размеры пор меньшие за размеры молекул или ионов, которые задерживаются и достаточные для проникновения растворителя или воды. При этом значительную роль в процессе разделения сыграет явление гидратации. В случае гидрофильной мембраны на ее поверхности образутся гидратная оболочка, включая и поверхность пор мембраны, которая приводит к уменьшению эффективного диаметра пор. При гидратации частиц, молекул или ионов, которые задерживаются, происходит увеличение их эффективного диаметра. При этом, если эффективный диаметр гидратированных пор будет меньшим за эффективный диаметр гидратированных частиц, молекул или ионов, то последние будут задерживаться мембраной.

Сорбционная концепция механизма разделения веществ обратным осмосом основывается на положении о преобладающей сорбции одного из компонентов системы, как правило растворителя, на поверхности пор мембраны. При этом транспортировка растворителя происходит за счет установления динамического равновесия сорбции-десорбции растворителя на поверхности пор. Со стороны повышенного давления мембраны будет преобладать сорбция, из другой - десорбция.

Лекция 15

Факторы, которые влияют на процессы мембранного разделения растворов.

План

1. Влияние рабочего давления.

2. Влияние температуры на характеристики мембран.

3. Влияние концентрации вещества на мембранные процессы разделения.

4. Влияние природы растворенных веществ на мембранные процессы.

5. Влияние концентрационной поляризации на работу мембраны.

Главными факторами, которые влияют на процессы мембранного разделения являются: рабочее давление, температура раствора, природа и концентрация растворенных веществ, концентрационная поляризация, гидродинамические условия процесса фильтрования, время эксплуатации мембран.

1. Влияние рабочего давления

В общем случае повышение рабочего давления способствует увеличению производительности процесса. Тем не менее, под действием высокого давления (до 5-10) МПа происходят значительные изменения полимеризационных мембран из-за их деформации, что приводит к уменьшению проницаемости и повышению задерживающей способности мембран. Замедленное, но беспрерывное снижение проницаемости мембран вследствие усадки под давлением происходит в течение всего периода эксплуатации мембран.

Графически влияние давления на проницаемость мембран можно изобразить таким образом:

а) полимерная пластическая мембрана;

б) жесткая пластическая мембрана;

в) неорганическая жесткая мембрана.

В зависимости от типа мембраны изменяется задерживающая способность в зависимости от давления. На основании многочисленных экспериментальных данных, полученных во время исследования мембран на основе производных целлюлозы были предложены эмпирические уравнения, которые объясняют влияние рабочего давления на задерживающую способность полимерных обратноосмотических мембран и их производительность:

где а₁, а₂, b₁, b₂ - коэффициенты пропорциональности. Которые устанавливаются исследовательским путем для выбранной системы мембрана - раствор или мембрана - суспензия.

Для определения коэффициентов достаточно провести по два опыта. Для обратноосмотических мембран с жесткой структурой (стеклянные, керамические и др.) присущая линейная зависимость селективности и производительности от рабочего давления. Эти уравнения имеют следующий вид:

где - константа проницаемости растворителя;

- коэффициент пропорциональности, который условно постоянный для данной мембраны;

- задерживающая способность мембраны при уменьшении рабочего давления к нулю, т.е.

Все эти уравнения справедливы в узком диапазоне давления и концентраций компоненту.