1.1.Основы теории электрокинетических и электрокапиллярных явлений в процессах электромембранных технологий

Электрокинетические явления лежат в основе электромембранных процессов и технологий. Электрокинетические явления отражают связь между относительным движением двух фаз (твердой и жидкой) и элек­трическими свойствами границ их раздела (мембраны).

Основные электрокинетические явления: электроосмос, электрофо­рез, потенциал течения и потенциал осаждения.

Электроосмос – движение жидкости через капилляр или пористое тело под действием внешнего электрического поля.

Электрофорез – движение твердых частиц, диспергированных в жидкости под действием внешнего электрического поля.

Потенциал течения – это наличие разности потенциалов между точ­ками, расположенными на некотором расстоянии друг от друга, по на­правлению течения жидкости через пористое тело или капилляр.

Потенциал осаждения (седиментации ) – разность потенциалов в точках на разных уровнях трубы при осаждении твердых частиц жидко­сти. Открытие этих явлений относится к началу 19 века.

Электрокинетические явления могут широко использоваться при обезвоживании сельскохозяйственного сырья, пропитке разнообразных материалов, выделении сока из трав и плодов, разделении сложных со­ставов и т.д.

Существование электрокинетических явлений обусловлено нали­чием двойного электрического слоя на границе раздела твердой и жид­кой фазы.

В растворах величина тока обусловлена перемещением как отрица­тельно заряженных частиц, так и положительных, т.е. существует элек­тронно-ионная проводимость, а в металлах – только электронная. Так как масса иона в тысячи раз больше массы электрона, то появляется возможность через посредство электрических сил воздействовать на мас­соперенос. Между направлением и скоростью электрофореза и электроос­моса, с одной стороны, и направлением и напряженностью приложенного электрического поля – с другой, существует связь, позволяющая опреде­лить знак и величину заряда твердых частиц относительно жидкости и со­ответствующий скачок потенциала.

Скорость электроосмоса и потенциал течения связаны зависимостями:

; , (1.1)

или

, (1.2)

где – диэлектрическая проницаемость жидкой фазы; – напряжённость электрического поля в направлении, параллельном границе раздела фаз; – вязкость жидкой фазы; – электропроводность; – давление, вызывающее перемещение жидкости; – сечение взвешенной частицы или поры.

Величина называется электрокинетическим потенциалом или дзета-потенциалом. Рассчитанная по формуле величина может значительно отличаться от истинной. Напряженность поля, удельная электропроводность, диэлектрическая постоянная и вязкость жидкой фазы на границе раздела фаз могут значительно отличаться от соответствующих значений в глубине жидкой фазы.

Теорию строения двойного электрического слоя предложил Гельмгольц, который уподобил двойной электрический слой заряжен­ному плоскому конденсатору, одна из обкладок которого совпадает с плоскостью, проходящей через центры тяжести зарядов на поверхнос­ти твердого тела (электрода), другая – с плоскостью, соединяющей центры тяжести зарядов ионов, находящихся в растворе (притянутых электростатическими силами к поверхности твердого тела).

Толщина двойного слоя l принималась равной радиусу ионов . Двойной электрический слой электронейтрален, т.е. число ионов на поверхности твердой фазы равно числу ионов в жидкости у поверхности раздела:

(1.3)

Ёмкость двойного слоя:

, (1.4)

где – толщина двойного слоя (3*10^-10 м).

Строение двойного электрического слоя по Гельмольцу представ­лено на рис.1.1 (а, б).

Рис. 1.1. Строение двойного слоя: а) по Гельмгольцу; б) по Дебаю-Гюккелю;

в) распределение потенциала на границе раздела фаз

Теория Гельмгольца дает правильные значения емкости и толщины двойного слоя, но не может объяснить целый ряд опытных закономер­ностей и может быть использована как первое приближение к действи­тельности.

Теории двойного слоя Гуи-Чапмана и в дальнейшем Дебая-Гюккеля предполагают диффузное распределение ионов у границы раздела сред (рис. 1.1, в, г). Взаимодействие электрических и термодинамических сил распределяет ионы в жидкости по убывающей при удалении от границы раздела.

Заряд слоя жидкости, компенсирующий заряд твердого тела, опре­деляется по выражению:

(1.5)

Ёмкость двойного слоя:

(1.6)

Рассчитанная по этой формуле ёмкость оказывается в несколько раз больше экспериментальных значений. Это объясняется тем, что в теории Гуи-Чепмена не учитываются собственные объемы ионов, т.е. ничто не мешает зарядам располагаться на сколь угодно близком расстоянии от твердой поверхности. Хотя теория Гуи-Чепмена лучше объясняет элек­трокинетические явления, но оказывается неудовлетворительной при количественных расчетах.

Дальнейшие попытки создать, теорию двойного электрического слоя заключались в объединении теории Гельмгольца и Гуи-Чепмена. Так, Грэм предположил, что двойной электрический слой состоит из трех частей. Первая от твердой поверхности называется внутренней поверх­ностью Гельмгольца, в ней находятся только поверхностно - активные ионы. Следующая плоскость называется внешней плоскостью Гельм­гольца, и расстояние до нее определяется способностью некоторых ио­нов приближаться к поверхности раздела под действием теплового дви­жения.

За внешней поверхностью Гельмгольца располагается диффузный слой.

Использование той или иной теории определяется задачами, требуе­мой степенью точности и конкретными условиями расчета.

Существование двойного электрического слоя раскрывает суть электрокинетических явлений.

Краткая характеристика явления электрофореза. Поверхность час­тиц твердого вещества, взвешенных в жидкости, приобретает электриче­ский заряд определенной полярности. Частицы имеют возможность пе­ремещаться в жидкости, и, следовательно, при наложении внешнего поля частица будет перемещаться к электроду, имеющему противопо­ложный заряд.

В биологических системах и сбросных водах большинство коллои­дов имеют отрицательный заряд. Одним из решений удаления или концентрирования коллоидов является конструкция (рис. 1.2), состоящая из двух катионообменных мембран и одной нейтральной (фильтра).

Рис. 1.2. Схема ячейки электрофореза

Через нейтральный фильтр свободно проходит вода и небольшие ионы. Через катионообменную мембрану под действием электрического тока проходят небольшие ионы и, очень трудно, вода. Поэтому, при соз­дании давления с одной стороны фильтра (нейтральная мембрана) вода проходит через нее, а катионы не проходят из-за действия электриче­ского поля. Таким образом, внешний электрический потенциал застав­ляет соль оставаться в секции исходного раствора, а внешнее давление выдавливает воду через нейтральный фильтр. Мембранный процесс осуществляется под действием электрического поля и давления. Главное преимущество – малые затраты энергии.

Краткая характеристика явления электроосмоса. В капилляре, заполненном жидкостью, ионы, находящиеся у границы раздела сред, перемещаются под действием внешнего электрического поля (рис. 1.3.) и создают перепад давлений.

Рис. 1.3. Явление электрофореза: а) в капилляре; б) в пористой мембране

Если жидкостью заполнено пористое тело, вместо капилляра следует рассматривать его поры, а само тело – своеобразной мембраной. Раз­ность уровней определяется перепадом давлений . Порис­тое тело с капиллярами малой длины носит название мембраны. Естественные мембраны присущи всем живым организмам. Это мем­браны органоидов растительной клетки и сама оболочка клетки. В неко­торых случаях в качестве мембраны можно рассматривать стенку стебля и эпидермис листа. Отличительной особенностью электроосмоса явля­ется перенос через поры мембраны растворителя под действием элек­трического поля. Скорость потока растворителя через единицу поверх­ности мембраны определяется выражением:

, (1.7)

где – площадь мембраны; – объёмный поток; – время; – ди­электрическая постоянная; – ток; – вязкость; – удельная теплопро­водность

Краткая характеристика явления электродиализа. Это процесс, в котором ионы растворенного вещества проходят через мембраны под действием электрического поля. Электродиализ отличается от электро­осмоса переносимым компонентом. В электроосмосе переносится рас­творитель, в электродиализе – растворенное вещество. При использова­нии электрического градиента оба процесса могут протекать одновре­менно. В электродиализе направление переноса может быть любым в за­висимости от соотношения концентрации растворов по обе стороны мембраны и направленности электрического поля.

Перенос ионов выражается суммой двух скоростей потоков, обу­словленных градиентом концентрации растворов и градиентом электри­ческого потенциала:

, (1.8)

где и – коэффициенты пропорциональности; – разность по­тенциалов; – электрическое сопротивление ячейки; – коэффици­ент диффузии; – разность концентрации; – толщина мембраны; – объёмный поток; S – площадь мембраны; – время.

Рис. 1.4.Схема электродиализа

При значительной напряженности внешнего электрического поля катионы из исходного вещества переносятся в поток концентрата через катионообменную мембрану, находящуюся со стороны катода. Анионы движутся в противоположном направлении и переносятся в поток кон­центрата через анионообменную мембрану. Катионы в потоке концен­трата задерживаются анионообменной мембраной со стороны катода, а анионы – катионообменной мембраной со стороны анода. Установки электродиализа эффективно используются при опреснении солёной воды и еще более эффективны при опреснении солоноватых вод.

Подобные установки широко используются при деминерализации продуктов и напитков, которые весьма чувствительны к теплу и высо­кому давлению.

Разновидностью электродиализа является процесс электросорбции. В установке электросорбции исходный раствор обтекает ячейки, одна сторона которых является катионообменной, а другая – анионообменной мембраной. Набор мембран помещается между электродами. Анионы с одной стороны и катионы – с другой переносятся в ячейку, и раствор внутри его концентрируется. Сконцентрированный раствор можно уда­лить, сменив полярность электродов, что значительно упрощает конст­рукцию установки.