Рідкі мембрани
У мембранах, що отримали назву рідких, основний опір перенесенню речовини пов'язаний з дифузією цієї речовини через рідку плівку, сформовану наступними способами:
1) тонку рідку плівку розташовують вільно або укладають в отворах стінки або сітки сепараторів, які відокремлюють дві рідини, що підлягають розділенню;
2) тонкий шар рідини (або плівку) укладають між двома паралельними полімерними плівками;
3) створюють рідку плівку, що пов'язана з матеріалом підкладки і перекриває її пори;
4) «мембранна» рідина охоплює краплі рідини (дисперсна фаза), розподілені в іншій рідині (суцільна, або дисперсійна фаза), тобто система є емульсією.
Поверхня рідких мембран, отриманих першими двома способами, порівняно невелика (% 10 м² в 1 м³ об'єму апарату). Найбільша поверхня рідких мембран (порядка декількох тисяч квадратних метрів в 1 м³ об'єму апарату) досягається при четвертому способі, Тому для промислової реалізації найбільш перспективні рідкі мембрани в емульсивній системі. Застосування рідких мембран може бути ефективним при розділенні як водних, так і неводних систем. Широко досліджується їх застосування для виділення з розчинів іонів важких металів, фенолу, аміаку та інших з'єднань.
Речовина, що проходить через рідку мембрану, розчиняється в ній, в розчиненому стані дифундує через мембрану і потім переходить в іншу рідку фазу. Чим тонше мембрана, тим швидше протікає перенесення речовини.
На практиці часто стикаються з необхідністю утворення емульсії з наступним чергуванням фаз: вода – масло – вода. Для стабілізації цієї системи застосовують поверхнево-активні речовини – емульгатори, зокрема, емульгатори неіоногенного характеру. Зниження поверхневого натягу між двома рідинами, що не змішуються, сприяє утворенню емульсії. Емульгатори повинні взаємодіяти як з водою, так і з маслом, тобто вони повинні бути амфотерними молекулами, одна частина яких має полярну структуру (гідрофільна частина), а інша неполярну (гідрофобна частина). Гідрофільна частина молекул емульгатора знаходиться у воді, а гідрофобна – в маслі. При механічній обробці системи, наприклад при перемішуванні, фаза з вищим поверхневим натягом переходить в дисперсний стан, а фаза з меншим поверхневим натягом залишається суцільною.
Процес розділення за допомогою рідких мембран може бути здійснений в апаратах для проведення рідинної екстракції, наприклад в розпилювальній колоні або в роторно-дисковому екстракторі. Руйнування емульсії після завершення процесу розділення з метою виділення з внутрішньої (дисперсної) фази перенесеної речовини може бути здійснене термічним або електростатичним методом.
Серед рідкофазних мембранних процесів розрізняють:
- діаліз;
- електродіаліз;
- ультрафільтрацію;
- зворотний осмос.
2. Діаліз і електродіаліз (лекція 4)
Явища діалізу і електродіалізу знаходять застосування при очищенні рослинних витяжок.
Діаліз заснований на властивостях молекул біополімерів, що мають великий розмір, не проходити через напівпроникні мембрани, тоді як речовини з меншими розмірами молекул проходять через них досить вільно.
Для діалізу використовують плівки желатину, целофану, колодія, нітроцелюлози.
Діаліз проводять в мембранних апаратах, в основному плоскокамерного типу, а також в апаратах з порожнистими волокнами. В цьому випадку кількість речовини М, що проходить через мембрану, може бути визначена за рівнянням масопередачі:
(1)
де
- середня рушійна сила процесу;
- коефіцієнт масопередачі
(коефіцієнт діалізу), який виражається
так:
(2)
де,
і
- коефіцієнти масовіддачі
з боку відповідно концентрованого і
розбавленого розчинів;
-
товщина мембрани; D - коефіцієнт дифузії.
Зазвичай визначають експериментально.
Швидкість діалізу визначається по першим законом Фіка:
(3)
де
- відстань по товщині мембрани;
- кількість речовини, що пройшла через
мембрану.
Процес діалізу протікає зазвичай досить поволі, він прискорюється при підвищенні температури, збільшенні площі діалізу і додаванні електричного струму. У останньому випадку спостерігається явище електродіалізу, до якого схильні в основному речовини, що розпадаються на іони.
Проста установка для електродіалізу складається з ванни, розділеної двома напівпроникними перегородками на три відсіки. У крайні відсіки опущені катод і анод, в середній відсік наливається діолізуєма витяжка. Катіони під дією електричного поля рухаються через напівпроникні перегородки до анода, аніони – до катода. У середньому відсіку залишаються речовини, які не проходять через напівпроникні перегородки (мембрани). В процесі роботи проводиться безперервне або періодичне відведення витяжки, розчинів продіалізованої речовини.
Електродіаліз з іонообмінними мембранами до теперішнього часу не знайшов широкого застосування.
Є лише дослідження, що доводять можливість очищення технічних напівпродуктів, що містять алкалоїди, гносциамін і сальсолін від високомолекулярних неіонізованих речовин методом електродіалізу з гетерогенними мембранами МК – 40 і гомогенними мембранами МК – 1СС.
Недоліки: мікродеструкції мембран, що призводять до значного збільшення перенесення розчинника разом з недисоційованими з'єднаннями, а це обмежує можливість очищення (стосується гетерогенних мембран).
У разі використання гомогенних мембран мікродеструкції не відбуваються. Тому гомогенні мембрани перспективніші для застосування в процесах розділення природних полярних і неполярних органічних речовин.
Іонообмінні мембрани найчастіше використовуються для знесолення розчинів електролітів або фракціонування іонів, наприклад, для опріснення морської води, знесолення цукрових розчинів, молочної сироватки і так далі. Останніми роками електродіаліз широко застосовується для витягання мінеральної сировини з природних сольових вод.