6.2. Функціональні характеристики мембран.
Зазначимо, що продукт, який пройшов через мембрану прийнято називати пермеатом, а розділяючу суміш залишилась перед мембраною - ретантом (інколи концентратом).
Найважливішими функціональними характеристиками будь-яких мембран є коефіцієнт затримування (селективності) розчиненої речовини φ (в %)
(6.2.1)
де с1 і с2 - концентрація речовини в вихідній суміші та перміаті відповідно, та питома продуктивність (об'ємний потік) крізь мембрану.
(6.2.2)
G виражається об'ємом (або масою) перміату V, що отримується при даній рушійній силі в одиницю часу τ одиниці робочої поверхні F мембрани.
Обидві ці функціональні характеристики не є константами напівпроникних мембран, оскільки значною мірою залежать ввід зовнішніх умов проведення процесу розділення (тиску, температури, концентрації, гідродинамічних умов, тощо). Тому часто для характеристики функціональних властивостей мембран, що застосовуються в баромембранних процесах, використовують ще два показники:
Коефіцієнт фільтрування який дорівнює об'ємному потоку, нормованому за градієнтом тиску Δр:
(6.2.3)
та коефіцієнтом відбиття мембрани (коефіцієнтом Ставермана)
(6.2.4)
який дорівнює нулю для повністю проникної для даної розчиненої речовини мембрани та одиниці - для ідеально напівпроникної мембрани. В рівнянні (6.2.4)
ΔП - різниця осмотичних тисків розчину з обох боків мембрани. Коефіцієнт відбиття мембрани характеризує її властивості без урахування умов використання мембрани. Однак на нього справляє значний вплив анізотропність внутрішньої будови мембрани (градієнт діаметра пор у перерізі мембрани), що значно ускладнює визначення "істинного" значення цього показника.
6.3. Кінетика процесів мембранного розділення сумішей.
Механізм переносу атомів, молекул або іонів різних речовин через напівпроникні мембрани може бути пояснений однією з розглянених нижче теорій.
Теорія просіювання припускає, що в напівпроникній мембрані існують пори, розміри котрих достатні для того, щоб пропускати розчини, але досить малі для того, аби пропускати молекули або іони розчинених речовин.
Теорія молекулярної дифузії базується на неоднаковій розчинності і на різниці коефіцієнтів дифузії розділяючих компонентів в полімерних мембранах.
Теорія капілярно - фільтраційної проникності базується на різниці фізико - хімічних властивостей граничного шару рідини на поверхні мембрани і розчину в об'ємі. Так граничний шар рідини має упорядковану структуру, відрізняється складом і, отже, в'язкістю, розчинною здатністю та ін.
На поверхні і всередині пор (капілярів) мембрани, що занурена в розчин електроліту виникає граничний шар зв'язаної води, як показано на (Рис. 6.3.1.) Цей шар води утворює плівку товщиною δ. Зв'язана в граничному шарі вода втрачає розчинну здатність по відношенню до розчинених в об'ємі солей.
Рис. 6.3.1. До пояснення механізму напівпроникності мембран з високою (а) і низькою (б) селективністю.
Тому під дією перепаду тиску ця вода з з граничного шару перетікає по капілярам через мембрану, якщо розмір капілярів в мембрані менше розмірів гідратованих іонів солі (менше 20/Α), як це схематично показано на (Рис. 6.3.1.,а) Але реальні мембрани мають пори різного розміру, в тому числі і крупні (більше 20 Α), тому частина гідратованих іонів солі може проникнути через ці крупні капіляри, як показано на (Рис. 6.3.1..б). Отже, селективність мембрани тим вище ,чим більше розміри гідратованих іонів солі.
На базі розглянутої теорії можна зробити висновок, що знесилювання водних розчинів електролітів зворотнім осмосом є дегідратація іонів, тобто відбір води, найменш міцно зв'язаної з з поверхнею мембрани і з іонами солей під дією прикладеного зовні тиску.