ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Существующие представления о механизме разделения растворов обратным осмосом из "Обессоливание воды обратным осмосом" Выбор направления работ по улучшению свойств полупроницаемых мембран и развитию метода обратного осмоса во многом зависит от представлений на процессы, протекающие при изготовлении мембран, на механизм разделения растворов обратным осмосом. Примером, иллюстрирующим роль теоретических представлений, является обсуждение вопроса о назначении различных компокентов формовочных растворов, из которых изготавливают мембраны, о структуре асимметричных ацетилцеллюлозных мембран, о природе их асимметрии. [c.18] Банкс и Шарплес обосновали, что асимметрия свойств мембран связана с их морфологией — наличием у полупроницаемых мембран двухслойной структуры поры, находящиеся в плотном слое мембраны, действуют как обратные клапаны, которые при приложении давления со стороны плотного слоя закрываются и не пропускают молекулы растворенных веществ . В противовес этому Грепл и Пуш объяснили низкое значение солезадержания, полученное при подаче разделяемого раствора к неактивному слою мембраны, концентрационной поляризацией, развивающейся в пористом слое асимметричных мембран . [c.20] Вопрос о причине образования плотного ( активного ) слоя мембран также является предметом дискуссии. Ряд исследователей считают, что активный слой образуется в результате испарения растворителя в окружающую атмосферу , но вместе с тем имеются данные, о получении асимметричной мембраны без испарения растворителя (предформование осуществляли в атмосфере, насыщенной парами растворителей) . [c.20] Механизм процесса, предложенный Соурираджаном, в принципе применим как к водным, так и неводным растворам. В соответствии с описанным выше механизмом разделения растворов эффективность процесса (производительность и степень задержания растворенных веществ) зависит от химического состава раствора, природы поверхности мембраны, находящейся в контакте с раствором, диаметра пор в мембране и давления, под действием которого осуществляется фильт-ров.ание раствора. [c.21] Дальнейшее развитие сорбционная гипотеза получила в работах Ю.И. Дытнерского, который учел взаимодействие растворенного вещества с растворителем [12]. Считая диаметр гидратированных ионов электролита равным Ю.И. Дытнерский приходит к выводу, что полупроницаемые свойства обратноосмотических мембран обусловлены наличием в ее поверхностном слое пор, диаметр которых с/ 2 р. [c.21] Рейд с соавторами считают, что в структуре ацетилцеллюлозных мембран находятся связанная и капиллярная воды . Первая из них непосредственно соединена водородными связями с определенными участками полимерных цепей матрицы мембраны. Капиллярная же вода заполняет промежутки (макрополости, капилляры) внутри этой структуры. Так как гидратационная способность связанной воды утрачена при создании водородной связи со свободными гидроксильными группами ацетилцеллюлозы, то она не обладает растворяющей способностью по отнощению к соли фильтруемого раствора, а мембраны, следовательно, не пропускают ионы солей. Молекулы воды проходят через мембрану, содержащую связанную воду, непрерывно разрывают и вновь образуют водородные связи между молекулами воды и гидроксильными группами ацетилцеллюлозы. [c.22] В соответствии с ситовой гипотезой в мембране имеются поры, диаметр которых достаточен, чтобы пропускать молекулы воды, но мал для прохождения ионов и молекул растворенных веществ. Такие представления широко распространены для объяснения задерживающего свойства ультрафильтрационных мембран при фильтровании коллоидных растворов. Однако применение этих представлений к обратному осмосу не было случайным, а основывалось на работе Траубе, который рассматривал осмотические полупроницаемые мембраны как атомные сита, пропускающие молекулы растворителя, но задерживающие более крупные частицы. Рассматриваемая концепция встречала возражение, что размеры частиц растворенных веществ (например, ионы натрия, хлор-ионы и т.д.) незначительно отличаются по размеру от молекул воды. Действительно, ионный радиус, нм, Na равен 0,098, К — 0,133, - 0,074 Са + - 0,104, СГ - 0,181, Р - 0,133 и т.д., в то время как радиус молекул Н2О 0,138 нм. В работах Ф.Н. Карелина ситовая гипотеза была дополнена учетом взаимодействий растворенное вещество - матрица мембраны, растворитель - матрица мембраны, растворенное вещество — растворитель . Это позволило обосновать преимущественный перенос через обратноосмотические мембраны воды при обессоливании растворов электролитов, а также объяснить явление прямого осмоса и отрицательное задерживание некоторых органических веществ. Фактически дальнейшее развитие ситовая гипотеза нашла в работах С.Ф. Тимашева, который показал, что в мембранах, имеющих поры, соизмеримые с размером гидратированных ионов, решающее значение для понимания механизма полупрониидемости на стадии проникновения иона в пору может иметь кинетический фактор [45]. [c.23] Вероятность нахождения иона на таком энергетическом уровне есть функции от AW kT. Концентрация солей в растворе, проникающем через поры мембраны, будет определяться этой вероятностью, т.е. [c.24] Из последнего уравнения имеем 1в(Со/Сф) =ДН /2,З Г. [c.24] Анализируя эту формулу, Глюкауф приходит к выводу, что его модель находится в качественном согласии с опытами Соурираджана, показывающими, что отношение концентраций солей в исходном растворе и фильтрате уменьшается при увеличении радиуса негидратированного иона и радиуса пор и увеличивается с увеличением отношения e e и заряда иона ez. Развивая и несколько усложняя модель, Глюкауф показывает, что электростатическая гипотеза обосновывает экспериментальный факт уменьшения селективности мембран с ростом концентрации соли в фильтруемом растворе. Опираясь на положения своей гипотезы, автор приходит к заключению, что для изготовления обратноосмотических мембран надо искать материалы с малой диэлектрической проницаемостью. В дальнейшем Глюкауф приходит к выводу, что в плотном слое полупроницаемых мембран имеются поры даух размеров молекулярной величины и очень малое количество больших пор (от 2 до 10 нм). Вода проходит через все поры, а ионы хлорида натрия могут двигаться только через поры диаметром не меньше 1,1 км. [c.24] Глюкауфом получено также уравнение, которое дает распределение пор по диаметрам и описывает зависимость радиусов пор от температуры отжига. Позднее Дрезнер дополнил исследования Глюкауфа, рассмотрев экранирующее влияние ионной атмосферы, что расширило область применения гипотезы для пор с радиусом более 1 нм, но принципиальных отличий не дало. [c.25] Глюкауф не объяснил селективность мембран по отношению к органическим веществам, на что указывалось в работе Досса . Это удалось сделать Б.В. Дерягину, Н.В. Чураеву и др. [8, 30], которые применили энергетический подход к разделению растворов неэлектролитов. [c.25] Дальнейшее развитие электростатическая гипотеза получила в работе С.С. Духина с соавторами [10, 11], которые в отличие от Глюкауфа, считают, что в основном затраты энергии на перенос иона из раствора в поры мембраны обусловлены разностью диэлектрических проницаемостей воды в свободном объеме и в объеме пор. [c.25] Вернуться к основной статье