ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Применение ультрафильтрационных мембран из "Введение в мембранную технологию" При данном описании мы предполагали, что молекулы растворенного компонента полностью задерживаются мембраной. [c.299] Величина Л, являясь функцией коэффициента распределения (растворимости) и коэффициента диффузии, оценочно принимает значения от 5 10 до 5 10 м м ч бар причем нижнее значение наблюдается для наиболее плотных мембран. [c.299] Уравнение 1-25 также указывает на зависимость коэффициента проницаемости для растворенного вещества В от коэффициентов диффузии и распределения (растворимости). Из уравнения 1-21 можно видеть, что поток воды увеличивается линейно с увеличением приложенного давления. Поток растворенного компонента (уравнение 1-24) мало зависит от разности давлений и определяется только разностью концентраций по обе стороны мембраны. [c.299] Оно очень наглядно, поскольку единственной переменной, входящей в него, является АР, при условии, разумеется, что константы А и В не зависят от давления (см. также гл. VIII). [c.300] В обратном осмосе используются давления от 20 до 100 бар, т. е. гораздо более высокие, чем при ультрафильтрации. В противоположность ультрафильтрации и микрофильтрации выбор материала мембраны для обратного осмоса прямо (через константы А и В) влияет на эффективность разделения (уравнение VI-27). Попросту говоря, это означает, что для достижения эффективного разделения необходимо, чтобы константа А была бы по возможности большой, а константа В — по возможности малой. Другими словами, мембрана (материал) должна иметь высокое сродство к растворителю (главным образом к воде) и низкое сродство к растворенному компоненту. Сказанное подчеркивает, что выбор материала мембраны для обратного осмоса становится чрезвычайно вгокным, поскольку свойства материала определяют характеристические свойства мембраны. Здесь отчетливо проявляется отличие мембран для обратного осмоса от микрофильтрационных и ультрафильтрационных мембран, поскольку в последних разделительные свойства определяются порами в материале, а выбор материала диктуется в основном устойчивостью к химическим реагентам. [c.300] Величина потока через мембрану является столь же вгьжной характеристикой, как селективность по отношению к различным типам растворенного вещества. Если выбор материала для мембраны основывался на характеристических разделительных свойствах, поток через приготовленную из этого материала мембрану можно улучшать за счет уменьшения толщины мембраны. Поток приблизительно обратно пропорционален толщине мембраны, поэтому большинство мембран обратного осмоса выполняются как асимметричные с плотным верхним слоем (толщиной до 1 мкм) и нижележащей пористой подложкой (толщиной 50-150 мкм). Сопротивление транспорту в такой мембране определяется в основном плотным верхним слоем. Различают два типа мембран с асимметричной структурой 1) интегральные или асимметричные мембраны и 2) композиционные мембраны. [c.300] Важным классом асимметричных мембран для обратного осмоса, получаемых методом инверсии фаз, являются эфиры целлюлозы, в частности, диацетат целлюлозы и триацетат целлюлозы. Эти материалы чрезвычайно подходят для обессоливания, поскольку они высокопроницаемы для воды в сочетании с весьма низкой проницаемостью для солей. При том, что свойства мембран, приготовленных из этих материалов, достаточно хороши, их стабильность по отношению к химическим реагентам, температуре и бактериям очень низка. Во избежание гидролиза полимера такие мембраны, как правило, можно использовать в узком интервале условий при pH 5-7 и температуре ниже 30 С. Степень гидролиза уменьшается при увеличении степени ацетилирования, по этой причине диацетат целлюлозы менее устойчив, чем триацетат. Некоторые трудности создает биодеградация эфиров целлюлозы, а другим ограничением для ацетатов целлюлозы является их достаточно плохая селективность по отношению к органическим молекулам, кроме углеводов, таких, как глюкоза или сахароза. [c.301] В принципе обратный осмос может иметь широкий спектр использований, которые можно классифицировать как очистку растворителя (в этом случае продуктом является пермеат) и концентрирование растворенного вещества (в этом случае продукт — ретентат). [c.303] Основным использованием обратного осмоса является очистка воды, главным образом обессоливание солоноватых вод и особенно морской воды с целью получения питьевой воды [1, 4]. Концентрация соли в солоноватых водах составляет 1000-5000 млн в то время как в морской воде — приблизительно 35 ООО млн Другой важной областью применения обратного осмоса является производство ультрачистой воды для полупроводниковой промышленности. [c.303] Обратный осмос используется на стадии концентрирования, особенно в пищевой промышленности (концентрирование фруктовых соков, сахара, кофе), в гальванической технологии для концентрирования сточных вод и в молочной промышленности, например для концентрирования молока на начальной стадии сыроделия. [c.303] Принцип этого явления и процесса, являющегося производным от обратного осмоса, состоит в том, что процесс позволяет генерировать энергию благодаря ргизнице концентраций в двух растворах, разделенных мембраной. Он представлен на рис. У1-11. Если полупроницаемая мембрана разделяет концентрированный раствор соли и воду или разбавленный раствор, наблюдается осмос и вода течет от разбавленного раствора или чистой воды к концентрированному раствору. И только, если приложенное давление выше осмотического, вода течет от концентрированного раствора к разбавленному. Осмотический поток воды можно использовать для генерации электричества с помощью турбины. [c.304] Это уравнение ясно показывает влияние осмотического давления на максимальную мощность. Этот процесс был исследован на основе опытов с использованием существующих мембран и морской воды в качестве солевого раствора. Производительность составила приблизительно 1,5 Вт/м , однако при использовании более концентрированных растворов этот энергетический покгизатель резко возрастал. Конечно, здесь возникает много практических проблем. [c.305] Другим мембранным процессом, в котором в качестве движущей силы используется давление, является пьезодиализ [5-7]. В этом процессе ионные растворенные вещества проникают через мембрану в противоположность обратному осмосу быстрее, чем растворитель, которым обычно является вода. Схематическое представление процесса дано на рис. У1-13. [c.306] В то время как микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос — более или менее сходные процессы, газоразделение, первапорация и диализ достаточно сильно отличаются друг от друга. Основное общее свойство последних трех процессов — использование в них непористых мембран. Заметим, что термин непористые не несет информации о проницаемости. В гл. II было показано, что проницаемость газа через высокоэластический или стеклообразный материал может различаться более чем на пять порядков, хотя оба материала относятся к непористым. Такая большая разница связана с особенностями сегментальной подвижности, которая в стеклообразном состоянии чрезвычайно затруднена. Присутствие кристаллитов может дополнительно снижать подвижность сегментов. Присутствие низкомолекулярных пенетрантов, как правило, увеличивает сегментальную подвижность и подвижность цепей. С увеличением концентрации пенетрантов (газа или жидкости) внутри полимерной мембраны растет подвижность цепей и, как следствие, увеличивается проницаемость (или коэффициент диффузии). Концентрация пенетранта внутри полимерной мембраны определяется по большей части сродством между пенетрантом и полимером. [c.308] Газоразделение возможно осуществить с использованием обоих типов мембран пористых и непористых. Однако механизмы транспорта через мембраны этих двух типов совершенно различны, как было показано в гл. V. [c.309] Уравнение VI-30 показывает, что поток обратно пропорционален квадратному корню из молекулярной массы. Для заданных мембраны и перепада давления она служит единственным параметром, определяющим поток. Следовательно, разделение двух газов по механизму кнудсеновского потока зависит от отношения квадратных корней из их молекулярных масс. Это означает, что обычно достигаются низкие степени разделения. Более высоких степеней разделения можно достичь лишь при использовании каскадов, включающих несколько связанных между собой модулей (см. гл. VIII), что часто бывает экономически неоправданным, поэтому до сих пор этот способ использован в промышленном масштабе лишь для обогащения гексафторида урана ( иГб), который относится к очень дорогим веществам. Достигнутый фактор разделения и чрезвычайно низок в идеальном случае фактор разделения равен 1,0043, но и этого значения не удается достичь на практике. (Завод, где этот метод реализован с использованием керамических мембран, находится в Три-кастэне, во Франции.) Следует отметить, что при транспорте газов через непористые мембраны (см. разд. VI.4.2.2) кнудсеновский поток не имеет места. В то же время при использовании непористых композиционных мембран с плотным верхним слоем на подложке пористой структуры кнудсеновский поток, величина которого зависит от размера пор подложки, дает определенный вклад в общий поток. [c.310] Для многих газовых смесей реальный фактор разделения отличается от идеального из-за возможной пластификации, которая наблюдается, если проникающий газ обладает химическим сродством к полимеру. Вследствие пластификации проницаемость возрастает, но селективность, как правило, уменьшается. [c.311] Вернуться к основной статье