Механизмы мембранного массопереноса

Разработка методов расчета мембранных процессов и аппаратов непосредственно связана с механизмом процессов. При решении данной проблемы возможны различные подходы. Один подход состоит в том, чтобы на основе уравнений гидродинамики (Навье — Стокса и неразрывности потока) и массопереноса (конвективной и молекулярной диффузии) получить уравнения для определения основных технологических характеристик (селективности, проницаемости, требуемой поверхности мембран). Этот подход наиболее верен. Его стремятся использовать для решения подобных задач применительно ко всем другим широко известным массообменным процессам (абсорбция, экстракция, ректификация и т. д.). Однако этот путь оказывается очень сложным трудно найти распределение концентраций в пограничных слоях фаз, часто затруднительно определить поверхность контакта фаз и т. д. Поэтому часто используют другой подход, широко применяемый в инженерных расчетах тепло-массообменной аппаратуры процесс разбивают на отдельные стадии, находят уравнения для определения скорости переноса на каждой стадии и по уравнению массопередачи рассчитывают необходимую поверхность массопереноса, в данном случае — рабочую поверхность мембраны. [c.162]

Механизмы мембранного массопереноса [c.383]

Законы термодинамики не раскрывают механизма сопряженного массопереноса, по существу рассматривая мембранную систему как черный ящик . Поэтому в гл. 2 и 3 подобные явления рассмотрены более детально и с иных позиций. [c.26]

В главах 1, 2 и 3 рассмотрены основы массопереноса в мембранах, механизм переноса через непористые и пористые мембраны из полимерных и неорганических материалов, а также через мембраны кристаллической и жесткой аморфной структуры. Показано влияние сорбционных явлений на перенос через мембрану. Дан анализ проницаемости и селективности мембран. [c.7]

Термодинамические и кинетические представления о процессе проницания газов через мембраны опираются прежде всего на понятия о формах энергетического взаимодействия проникающих газов с матрицей и о механизме массопереноса. Оба критерия позволяют провести довольно детальную классификацию газоразделительных мембран, однако целесообразно ограничиться главными признаками. Все мембраны в зависимости от возможности фазового массопереноса можно разделить на две группы —с пористой и сплошной матрицей. По энергетическому критерию можно выделить четыре типа мембранных систем пористые газодиффузионные и сорбционно-диффузионные, непористые сорбционно-диффузионные и реакционно-диффузионные. [c.13]

Реальный массоперенос в пористой мембране с полидисперс-ной структурой оказывается более сложным процессом, в котором сопряжены процессы переноса массы с различными механизмами, причем потоки разделяемых компонентов также взаимозависимы. Расчет процесса разделения в этих условиях весьма затруднен. [c.70]

Обсуждаются [14] возможности управления проницаемостью полимерных мембран за счет модификации поверхности мембранной матрицы веществом иной природы. Повышение газопроницаемости модифицированной мембраны является следствием изменения механизма сорбции на межфазной границе и реализацией в этой области режима неравновесного массопереноса. Коэффициенты диффузии растворенного газа в матрице мембраны (вдали от границ) остаются неизменными при поверхностной модификации. [c.113]

Теория и расчет каскадных установок для разделения изотопов с помощью пористых мембран приведены в работах К. Коэна [5] А. М. Розена [6], Г. Пратта [8] и, несмотря на различие в механизме массопереноса, вполне применимы к расчету установок каскадного типа на основе асимметричных или композиционных мембран. [c.201]

Рассмотрим газоразделение через пористую мембрану. В общем случае для транспортировки компонента разделяемой газовой смеси через пористую мембрану могут быть задействованы одновременно несколько механизмов переноса в зависимости от структуры матрицы мембраны, разделяемой смеси и условий реализации процесса разделения. Так, массоперенос компонентов смеси может быть обусловлен конвективно-диффузионным переносом, различного типа скольжением вдоль поверхности пор, баро-и термодиффузией, кнудсеновской и поверхностной диффузией, пленочным течением, капиллярным переносом конденсированной фазы в анизотропных структурах [72, 73]. Однако не все эти механизмы равнозначны по вкладу в результирующий поток вещества, поэтому при вычислении коэффициента проницаемости необходимо определять механизмы, лимитирующие перенос вещества в пористой мембране. [c.388]

Уравнения потока, полученные из неравновесной термодинамики, дают реальное описание транспорта через мембраны. В этом описании мембрана рассматривается как черный ящик. Этот подход не позволяет получить (или не требует) информации о структуре мембраны, и, следовательно, отсутствует физико-химическая картина массопереноса молекул или частиц через мембрану. Из-за ограничения этого подхода в отношении природы мембраны и механизма разделения здесь будет дано лишь краткое введение в неравновесную термодинамику мембранного транспорта. Подробную информацию можно найти в ряде отличных руководств [1-3]. Одна из сильных сторон этого подхода заключается в том, что очень четко можно продемонстрировать существование сопряжения движущих сил и/или потоков. Поэтому будут даны некоторые примеры, иллюстрирующие эти явления сопряжения. [c.217]

В газодиффузионных мембранах массоперенос обычно обусловлен тремя механизмами объемной диффузией, кнудсеновской диффузией и вязкостным течением. Поскольку известно, что объемная диффузия и вязкостное течение ухудшают процесс разделения, то процесс газоразделения следует проводить в режиме свободномолекулярного (кнудсеновского) течения, реализующегося при низких давлениях, когда средняя длина свободного пробега молекулы Л 2(1р т. е. параметр Кнудсена Кп = Х/ёр 1, где р = 2г — характерный размер пористой системы, (г — радиус поры для мембраны с одинаковыми параллельными капиллярами) или с1р = АП/З, где и — пористость, 3 — площадь поверхности пор в единице объема тепа. При этом поток вещества [c.389]

Термопервапорация — новый метод разделения жидких смесей. В качестве мембраны используется композитная (или асимметричная) мембрана, состоящая из непористого полимерного слоя, нанесенного на микропористую мембрану (подложку, не смачиваемую пермеатом). Высокую селективность данного процесса обеспечивает полимерный слой, контактирующий с исходным теплым раствором, а высокая производительность достигается за счет малой толщины активного слоя и несмачиваемости холодным пермеатом микропористой мембраны. Массоперенос компонентов водного раствора через указанную мембрану в процессе термоперва-порации протекает в две стадии перенос через полимерный слой (по механизму растворение — диффузия) и перенос через гидрофильную подложку (по механизму мембранной дистилляции). [c.390]

Непористые реакционно-диффузионные мембраны отличаются от прочих химической формой связи компонентов разделяемой смеси и исходного материала мембраны. Химические реакции приводят к образованию новых веществ, участвующих в транспорте целевого компонента. Массоперенос компонентов разделяемой газовой смеси определяется не только внешними параметрами и особенностями структуры матрицы, но и химическими реакциями, протекающими в мембране. В подобных системах за счет энергетического сопряжения процессов диффузии и химического превращения возможно ускорение или замедление мембранного переноса, в определенных условиях возникает активный транспорт, т. е. результирующий перенос компонента в направлении, противоположном движению под действием градиента химического потенциала этого компонента. В сильнонеравновесных мембранных системах могут формироваться структуры, в которых возникают принципиально иные механизмы переноса, например триггерный и осциллирующий режимы функционирования мембранной системы. Обменные процессы такого рода обнаружены в природных мембранах, но есть основания полагать, что синтетические реакционно-диффузионные мембраны в будущем станут основным типом разделительных систем, в частности, при извлечении токсичных примесей из промышленных газовых выбросов. [c.14]

Реальные процессы в реакционно-диффузионных мембранах гораздо сложнее рассмотренной модели, поскольку проницание компонентов взаимозависимо, например, через определенные звенья в цепи химических превращений. Кроме того, в мембране, наряду с сопряженным механизмом, существует пассивный несопряженный массоперенос химически несвязанного компонента газовой смеои. Это усложняет анализ энергетической эффективности мембранного процесса, но основной вывод сохраняет силу, а именно энергетическое сопряжение массопереноса и химического превращения позволяет радикально улучшить массообменные характеристики при сохранении достаточно высоких значений энергетической эффективности чем выше степень сопряжения, тем значительнее этот эффект. Справедливости ради следует отметить, что противоположные тенденции изменения массообменных и энергетических показателей мембранного процесса сохраняются в реакционно-диффузионных мембранах, хотя на более высоком уровне совершенства процесса. [c.253]

Рассмотрим основные факторы, влияющие на проницаемость. Коэффициенты проницаемости зависят от того, находится пи полимер в стеклообразном или высокоэластичном состоянии. Обычно эластомеры обладают более высокими проницаемостями и низкими селективностями. Для стеклообразных полимеров характерны более низкие проницаемости и более высокие селективности. Проницаемости одного и того же газа в различных полимерах могуг paзJшчaть я в десятки тысяч раз. В то же время селективность изменяется гораздо слабее. Коэффициент проницаемости, как указывалось выше, равен произведению коэффициентов растворимости и диффузии. Растворимость, как известно, определяется легкостью конденсации. Чем крупнее молекула, тем выше оказывается и растворимость. Одновременно усиливается и температурная зависимость коэффициента растворимости. Коэффициент диффузии, наоборот, увеличивается при уменьшении размера молекул. Например, коэффициент диффузии неона в по-лиметилметакрилате порядка 10м /с, а криптона порядка 10м /с [4]. Величины коэффициента диффузии для одного и того же газа сильно зависят от природы полимера и в различных полимерах могут различаться на четыре порядка. С повышением температуры коэффициенты диффузии увеличиваются. Проницаемость различных органических паров обычно вьшге, чем у газов, что может быть обусловлено более высокой их растворимостью. Молекулы органических паров оказывают на полимер пластифицирующее действие. По этой причине коэффициенты диффузии в этом случае могут существенно зависеть от концентрации. Более подробные сведения о механизме массопереноса в пористых и непористых мембранах можно найти в [1, 5]. [c.420]

В ЭТИХ уравнениях для компактности используется обозначение grad с. Плотность стоков — источников ус в правой части уравнений связана с изменением потоков переноса за счет х 1мических превращений. Во многих случаях кинетика химиче-ски.х превращений может быть описана формальной кинетикой /п-го порядка, т. о. ус = коС ". Если в процессе массопереноса существенную роль играет фильтрационный механизм, уравнения (2.160) и (2.161) следует преобразовать, используя закон Дарси. Пренебрегая гравитационными эффектами, получим следующие уравнения изотермического массопереноса в мембранах [c.124]

Массоперенос через мембрану в общем случае может бьггь описан с использованием механизма растворения-диффузии, который состоит из трех стадий селективной сорбции исходной жидкой смеси в поверхностном слое мембраны, диффузии компонентов, испарения в газовый поток. [c.585]

Учитывая, что ион-кристаллиты имеют отличающиеся на порядки диаметры, проницаемость мембраны, также как и их подвижность в электрическом поле, должна быть большей для положительно заряженных ион-ассоциатов. Схема механизма переноса ион-кристаллитов через мембрану приведена на рис. 2.14. Размеры ассоциатов связаны также с изменением температуры и величины потенциала, что подтверждается проникающей способностью и массопереносом макроассоциатов через мембрану [22]. [c.89]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология