|
|
[ На предыдущий раздел]
2. Классификация мембран и мембранных процессов
Движущей силой трансмембранного переноса является разность химических потенциалов в подсистемах с учетом внешних полей, отнесенная к единичной толщине мембраны
Знак минус появился потому, что используют Dm < 0. Наиболее практически важным случаем внешнего поля, налагаемого на мембранную систему, является электрическое поле. Тогда химический потенциал будет называться электрохимическим и будет зависеть от давления P, концентрации C, температуры T и разности потенциалов Df, то есть Dm = f(P, C, T, Df).
Таким образом, обобщенная термодинамическая сила представляет собой сумму сил
Y = YP + YD + Yq + Ye ,
|
(17) |
где YP = f(DP) вызывает объемный поток через пористые мембраны, YD = f(DC) - диффузионный поток, Yq = f(DT) - тепловой поток, Ye = f(Df) - поток заряженных частиц, если они есть в системе.
Отсюда естественным образом вытекает классификация мембранных процессов, связанная с характером движущих сил электромассопереноса.
Процессы подразделяются на
- баромембранные,
- концентрационномембранные (обычно их называют диффузионными или диффузионномембранными),
- термомембранные
,
электромембранные.
При одновременном действии нескольких сил процессы могут быть, например, электробаромембранными (электроосмотическими) и др.
Различная природа движущих сил, а также многообразие состояний мембраны и появляющаяся вследствие этого специфика массопереноса порождают большое число конкретных мембранных процессов, классифицировать которые с единых позиций практически невозможно. Более содержательная картина получается при использовании многоступенчатых схем, которые дополняют друг друга. Например, по природе мембран их можно подразделить на биологические (нативные, живые), мембраны, состоящие из модифицированных или регенерированных природных веществ, и на синтетические мембраны органического или неорганического происхождения.
Мембраны могут находиться в любом агрегатном состоянии.
Сравнительно мало известны широкому кругу специалистов газовые мембраны. Используя их, Густав Герц в 1922 г. предложил новый метод разделения газовых смесей изотопов, названный масс-диффузией. [Густав Людвиг Герц (1887-1975) - лауреат Нобелевской премии 1925 г. (совместно с Франком) за открытие законов соударения электронов с атомами, племянник выдающегося физика XIX века Рудольфа Генриха Герца, в честь которого названа единица измерения частоты. После войны с группой немецких ученых и инженеров был вывезен в Советский Союз и работал в филиале МИФИ в Сухуми. За успешное решение проблем атомной физики и разделение изотопов удостоен Ленинской премии. В 1955 г. возвратился в ГДР, где возглавил физический институт при Лейпцигском университете. При переводе монографии [14] на русский язык метод масс-диффузии ошибочно назван массовой диффузией.]
Вначале Герц использовал стандартный вариант разделения - диффузию через глиняные трубки. Однако для изотопов с малым природным содержанием обогащенная фракция загрязнялась веществами, содержавшимися в мембране. Для устранения этого недостатка Герц вместо глиняной мембраны использовал поток паров ртути. Этот поток, как и твердая перегородка, выполнял роль селективного барьера: через него с большей скоростью проходил легкий компонент газовой смеси. Теория масс-диффузии дает следующее выражение для коэффициента обогащения
 (18)
где M1 и M2 - молекулярные массы разделяемых компонентов, а M3 - молекулярная масса вспомогательного газа. Отсюда следует, что чем больше величина M3, тем эффективнее разделение. С течением времени конструкции масс-диффузионных аппаратов были существенно улучшены, а метод стал одним из основных при получении изотопов инертных газов.
В качестве материала мембраны широко используют также жидкости в виде моно- или полимолекулярных пленок, полимерные пленки, стекло, металлы, керамику.
Структурная форма твердых мембранных материалов весьма разнообразна. Мембраны делятся на пористые, сплошные, слоистые, гетерогенные, динамические. В свою очередь пористые мембраны могут быть макропористыми, которые используются в качестве неселективных подложек, микропористыми - к ним относятся стекла, керамика, жесткоцепные полимеры и мембраны с флуктуирующими (мерцающими) порами, что характерно для гибкоцепных полимеров. Сплошные мембранные материалы представлены полимерами, металлами, сплавами. Слоистые или асимметричные мембраны имеют тонкий селективный (активный) слой, нанесенный на макропористую подложку. Гетерогенные мембраны - это мембраны с наполнителем, улучшающим их транспортные характеристики, с замкнутыми порами, с дисперсиями блок-сополимеров.
В динамических мембранах активный слой представляет собой гель, который формируется в процессе работы в результате химической реакции при добавлении растворов электролитов и который находится в динамическом равновесии с раствором. Обычно гель (гидроксиды алюминия, циркония, железа и др.) осаждают на пористых подложках из металлокерамики, графита, полимеров.
Современные мембраны, разработанные ведущими фирмами для промышленного использования, представляют собой конструкции из нескольких слоев различных материалов. Например, известны мембраны для процесса первапорации (см. далее), состоящие из селективного непористого полимерного слоя толщиной 0,05 е3 мкм, помещенного на ультрафильтр с открытой пористостью асимметричного строения (диаметр пор увеличивается по мере удаления от селективного слоя) толщиной 100 мкм, и все это для придания механической прочности нанесено на нетканое или тканное полотно из полимерных нитей.
В общем случае в прерывной системе, содержащей по обе стороны мембраны жидкую фазу, профиль концентрации k-го компонента будет иметь вид, представленный на рис. 1. Существенными моментом является то обстоятельство, что при контакте твердой мембраны с жидкостью возникают пограничные слои, в которых изменяются все интенсивные термодинамические свойства и которые могут иметь повышенное сопротивление проницанию.
Таким образом, массоперенос в прерывной системе включает в себя следующие стадии:
- диффузию через пограничный слой,
- сорбцию проницающего вещества мембраной,
- перенос через мембрану, механизм которого зависит от действующих сил, структурного состояния и свойств мембраны,
- десорбцию из мембраны,
- диффузию через пограничный слой с обратной стороны мембраны.
Феноменологически без учета реального механизма проницания плотность потока данного компонента записывается в виде
 (19)
где Qk - коэффициент проницаемости. Выражение (19) внешне похоже на закон Фика, но величина Qk не имеет ничего общего с коэффициентом диффузии, поскольку должна описывать все механизмы переноса. И даже более того, если механизм истинно диффузионный: Qk все равно не эквивалентна коэффициенту диффузии; потому что используют концентрации в объеме, а не на границах мембраны, то есть учитывают перенос через пограничный слой. Строго говоря, феноменологический коэффициент проницаемости не является постоянным и специфическим свойством мембраны. В частности, он может зависеть от ее толщины. В случае газофазного разделения пограничные слои не формируются, а сопротивление на стадии сорбции и десорбции незначительно. Следовательно, скорость процесса целиком определяется переносом через мембрану.
[ На следующий раздел] [На Содержание]
Copyright ї
|
|
|
