Мембраны и мембранные процессы
Полупроницаемые перегородки, при помощи которых осуществляется осмос (см. рис. 9.4), называют мембранами. Мембраны — это тонкие пористые пленки, пронизанные мельчайшими каналами, размер которых обычно не превышает 10 нм. По этой причине мембраны относятся к двухмерным высокодисперсным системам.
Для изготовления мембран, которые используют в технике, применяют керамику и некоторые другие материалы; чаще все же — синтетические полимеры.
Кроме осмоса (см. параграф 9.4) при помощи мембран можно осуществлять ряд других процессов — их называют мембранными. Они основаны на преимущественной проницаемости растворителя, одного или нескольких компонентов жидкой или газовой среды через разделительную перегородку — мембрану (рис. 12.6).
Рис. 12.6. Характеристика мембранных процессов (а – размер пор)
Разностороннее применение мембран в технике заимствовано у живой природы. Клетки растительных и животных организмов являются микроскопическими образованиями; размеры их чаще всего составляют 10—100 мкм. Снаружи клетки ограничены мембраной, толщина которой не превышает 10 нм, т.е. в тысячи раз меньше размерена самой клетки. Специфическое неоднородное строение мембран позволяет регулировать обмен веществ: впускать в клетку необходимые для жизнедеятельности вещества (аминокислоты, сахара, жирные кислоты, некоторые ионы и др.) и выпускать из клетки подлежащие удалению вещества, обеспечивая тем самым внутриклеточный обмен за счет избирательной проницаемости мембран.
|
|
Одним из важнейших направлений применения мембранных процессов является получение жидкости без примесей (молекул, ионов) при помощи обратного осмоса. Для его осуществления используют мембраны с размерами пор менее 1 нм. Подобные мембраны, которые можно изготовить из ацетата целлюлозы, обладают особыми свойствами: они способны задерживать растворенные в жидкости молекулы и даже ионы.
В отличие от рис. 9.4 на рис. 12.7, а приведена схема другого варианта осмоса, особенности которого были рассмотрены в параграфе 9.4. Если со стороны дисперсной системы или раствора 2 приложить давление р, превышающее осмотическое, то поток жидкости (растворителя) из области 2 будет перемещаться в область 1. Через мембрану 3 проходят только молекулы растворителя (вследствие их большей подвижности).
Частицы, крупные молекулы и ионы растворенного вещества останутся в области 2. Таким образом содержимое области 1 будет обогащаться чистой жидкостью, а в области 2 увеличится концентрация частиц дисперсной фазы или растворенного вещества.
Направление движения жидкости 4 при обратном осмосе (см. рис. 12.7, б) противоположно направлению ее движения в случае осмоса (см. рис. 11.7, а). По этой причине движение жидкости через мембрану под действием внешнего давления и получило название «обратный осмос».
|
|
Работа, необходимая для осуществления обратного осмоса Wос, в основном расходуется на продавливание жидкости через поры полупроницаемой перегородки. Эту работу можно представить в виде
Wос = ΔpV, (12.12)
где Δp — перепад давления по обе стороны мембраны; V — объем жидкости, прошедшей через поры мембраны.
В свою очередь величина Δр имеет вид
Δp = p – π, (12.13)
где p — избыточное давление над раствором; π — осмотическое давление, которое определяется по формуле (9.13).
Рис. 12.7. Схема осмоса ( а ), обратного осмоса ( б ), диализа и ультрафильтрации ( в ):
1 — дисперсионная среда (чистая жидкость); 2 — коллоидный или истинный раствор; 3 — мембрана (полупроницаемая перегородка);
4 — поток чистой жидкости (растворителя); 5 — поток примесей
Из равенства (12.13) следует, что
р > π. (12.14)
Условие (12.14) определяет избыточное давление, необходимое для осуществления обратного осмоса. Значение этого давления зависит от осмотического давления, которое для некоторых растворов приведено в параграфе 9.4.
|
|
Обратный осмос можно использовать, например, для опреснения морской воды. Осмотическое давление морской воды, содержащей 3,5% растворенных солей, составляет 25∙105 Па, или примерно 25 атм. Для осуществления обратного осмоса в процессе опреснения морской воды внешнее давление Р должно превышать 25 атм. Морская вода помещается в сосуд 2, в котором в дальнейшем концентрируются примеси (см. рис. 12.7, б), задерживаемые мембраной. Чистая вода проходит через мембрану и собирается в полости 1.
Возможности мембранных процессов не исчерпываются обратным осмосом. Так, при помощи диализа, схема которого приведена на рис. 12.7, в происходит очистка дисперсной системы (коллоидного раствора) или раствора ВМС от содержащихся в них примесей в виде ионов или молекул. Очистка обеспечивает устойчивость дисперсных систем. Коллоидный раствор или раствор ВМС помещают в правую часть 2 сосуда, отделенную от левой части 1 мембраной 3. Мембрана проницаема для молекул и ионов, но задерживает частицы дисперсной фазы и макромолекулы ВМС. Примеси в результате диффузии из области большей концентрации (правая часть сосуда) самопроизвольно будут переходить в область меньшей концентрации (левая часть сосуда); поток примесей на рис. 12.7, в показан стрелками 5. Если периодически менять внешний раствор 1, то процесс диффузии и очистки можно ускорить. В результате в области 1 будут собираться примеси, которые ранее находились в области 2, а коллоидный раствор или раствор ВМС очистится от них.
|
|
Интенсифицировать очистку коллоидного раствора при помощи диализа можно путем приложения внешнего давления р (см. рис. 12.7, в). В этом случае процесс называют ультрафильтраицией.
Некоторые важные функции почек человека (выделение отработанных продуктов из крови, регулирование кровяного давления, а также водного и электролитного баланса) достаточно полно воспроизводит искусственная почка, которая работает по принципу диализа и ультрафильтрации. В искусственной почке вследствие диализа и ультрафильтрации происходит удаление из плазмы крови ядовитых продуктов (мочевины, мочевой кислоты, токсинов и др.).
Обратный осмос, диализ и ультрафильтрация хотя и применяются для различных целей (см. рис. 12.7), но имеют много общего: используются аналогичная аппаратура и внешнее давление (за исключением диализа). Особенности этих процессов заключаются в механизме и в размере пор. Обратный осмос (см. рис. 12.7, б) в отличие от диализа и ультрафильтрации служит для концентрирования истинных и коллоидных растворов и извлечения растворителя. При обратном осмосе из раствора через полупроницаемую перегородку движется чистый растворитель. По этой причине размер пор мембран должен быть небольшим, менее 1 нм, чтобы через них могли проходить молекулы растворителя и задерживаться молекулы примесей.
При диализе и ультрафильтрации (см. рис. 12.7, в) очистки от примесей подвергается коллоидный раствор (высокодисперсные системы типа Т/Ж и Ж/Ж) или раствор ВМС. Через полупроницаемую перегородку движутся примеси, которые находятся в растворенном виде. Размеры частиц дисперсной фазы коллоидных растворов и макромолекул относительно большие. По этой причине поры мембраны должны пропускать примеси и задерживать коллоидные частицы и макромолекулы ВМС. В связи с этим для осуществления диализа и ультрафильтрации размер пор должен быть в пределах от 1 до 10 нм, т.е. большим, чем в случае обратного осмоса.
Таким образом, основной принцип действия мембран заключается в избирательной проницаемости, которая определяется размерами пор мембран, свойствами очищаемых систем и внешним давлением.
Эффективность мембранных процессов разделения оценивается следующими показателями:
— селективностью (l2.14, a)
где с1 и с2 — концентрация компонентов исходной смеси и прошедших через мембрану:
— коэффициентом разделения
(12.14, б)
где сА.1, сВ1 и сА.2, сВ.2 — концентрация компонентов А и В в исходной смеси и прошедших через мембрану;
— проницаемостью, или удельной производительностью
(12.14, в)
где V — объем смеси, прошедшей через мембрану за время τ; В — площадь поверхности мембраны.
В процессе обычной фильтрации продукт в виде осадка закрепляется на поверхности фильтра, что приводит к необходимости его периодической регенерации. При использовании мембран раствор и примеси проходят через поровое пространство, а возможность создания избыточного давления в случае обратного осмоса и особенно при ультрафильтрации позволяет избежать или, во всяком случае, резко сократить накопление примесей на поверхности мембран и тем самым исключить необходимость их частой очистки.
Для интенсификации процесса очистки с помощью мембран применяют электродиализ, схема которого дана на рис. 12.8. Коллоидный раствор или раствор ВМС 1 помещают между двумя полупроницаемыми перегородками 2, пропускающими ионы дисперсионной среды. В корпус вмонтированы электроды 3. Совместным воздействием электрического поля и внешнего давления обеспечивают более полное удаление примесей из жидкой дисперсионной среды.
Кроме очистки растворов, мембраны способствуют равновесию электролитов в присутствии частиц или ионов, размеры которых не позволяют им проникать через поры этих перегородок; возникает так называемое мембранное равновесие.
Схема мембранного равновесия показана на риc. 12.9. По обе стороны полупроницаемой перегородки 1 могут находиться два раствора с концентрациями с1 и с2 причем с2 > с1. Перегородка способна пропускать ионы Na+ и Сl– и непроницаема для катионов Кz+, размеры которых соответствуют высокодисперсным системам. Концентрация ионов Na+ и Сl– в растворе, находящемся справа от перегородки, больше, чем в растворе слева. Поэтому часть ионов Na+ и Сl– (см. рис. 12.9, а) пройдет через мембрану из области большей концентрации в область меньшей концентрации, т.е. справа налево. В условиях равновесия (см. рис. 12.9, б) концентрация ионов Na+ и Сl– справа от мембраны уменьшится на х, слева от мембраны концентрация ионов Кz+ останется неизменной, а концентрация ионов Сl– возрастет на х, и появятся ионы Na+ с концентрацией х.
|
|
Рис.12.9. Схема мембранного paвновесия Доннана:
a — начальное положение; б — после установления равновесия:
1 — мембрана, полупроницаемая перегородка
Изменение концентрации ионов Na+ и Сl–, на величину х и можно определить из условий, когда произведение концентраций диффундирующих ионов в обоих растворах одинаково, т.е.
(12.15)
откуда определится величина х:
(12.16)
Доля электролита NaCl x/c2 составляет
(12.17)
Для анализа уравнений (12.16) и (12.17) следует рассмотреть два крайних случая. Первый из них, когда концентрация электролита значительно превышает концентрацию коллоидного раствора, т.е. с2 >> с1 и величиной с1 можно пренебречь. В этих условиях из уравнения (12.17) следует
(12.18)
Условие (12.18) означает, что электролит (NaCl) распределяется поровну по обе стороны мембраны.
Когда концентрация электролита незначительна, т.е. с2 << с1, то
(12.19)
Согласно условию (12.19) электролит практически остается в исходном положении, и мембранное равновесие не проявляется.
Условия (12.18) и (12.19) подтверждаются экспериментально: так, при с2/c1 = 100 NaCl практически поровну (49 и 51% соответственно) распределяется между растворами. Когда с2/с1 = 0,01, то подавляющее большинство электролита (99%) остается в правой части.
Мембранное равновесие, которое по имени первого исследователя называют равновесием Доннана, имеет практическое значение для растворов ВМС, при набухании веществ и в различных физиологических процессах.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 365; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!