8.2. Механизм и кинетика мембранных процессов.

Единого механизма, справедливого для всех мембранных процессов нет, механизмы могут отличаться. Однако, в любом случае, необходимо учитывать три тосновных фактора и их взаимосвязь:

• структуру мембраны по толщине (пористая, непористая, изотропная)

• физико-химические свойства разделяемой смеси,

• взаимодействие мембраны с разделяемой смесью.

8.2.1. Баромембранные процессы.

Обратный осмос. В основе этого процесса разделения лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через мембрану в раствор. Перепад давлений, который устанавливается при этом между раствором и растворителем по достижении равновесия, называется осмотическим давлением (рис.8.2):

Рис.8.2. Схематическое изображение переноса растворителя и состояние равновесия в сосуде, разделенном мембраной 3: 1 – расположение растворителя, 2 – расположение раствора; р₁ и р₂ – давления жидкости в соответствующих частях сосуда на одинаковом расстоянии от днища, - осмотическое давление.

Для проведения процесса обратного осмоса необходимо создать перепад давлений между раствором и растворителем, превышающий осмотическое давление. Это приведет к переносу растворителя из раствора и увеличению концентрации раствора (рис.8.2) Обратный осмос применяется, в основном, для разделения растворов электролитов. При этом осмотическое давление может составлять десятки и сотни атмосфер, а рабочее давление в аппарате и того больше. Так, для морской воды =25 атм, а рабочее давление при ее опреснении составляет примерно 60 атм.

Ультра- и микрофильтрация. Ультрафильтрация – процесс разделения растворов ВМ и низкомолекулярных соединений, а также фракционирования и концентрирования ВМС. Осмотическое давление П ВМС малы, поэтому при расчете движущей силы процесса ультрафильтрации ими можно пренебречь. Ультрафильтрация, в отличие от обратного осмоса, используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Ниже приведены условные границы применения баромембранных процессов:

Нанофильтр может разделить вещества молекулярной массой 300-3000, а так же ионы тяжелых металлов.

Достоинствами баромембранных процессов разделения являются малые энергозатраты ввиду отсутствия фазовых превращений (мембранное опреснение воды требует в 10-15 раз меньше энергозатрат, чем дистилляция); низкие температуры, позволяющие разделять термически нестойкие соединения. К их недостаткам относятся высокие рабочие давления (особенно для обратного осмоса), а также падение селективности и проницаемости при увеличении концентрации растворов.

8.2.2. Диффузионно-мембранные процессы.

Мембранное газоразделение. Они используются для разделения газовых и жидких смесей. При мембранном газоразделении применяются пористые и непористые (полимерные) мембраны. Разделение газовых смесей происходит за счет кнудсеновской диффузии. Для ее осуществления необходимо, чтобы длина свободного пробега молекул была больше диаметра пор мембраны, т.е. чтобы частота столкновений молекул газа со стенками пор превышала частоту взаимных столкновений молекул. В случае применения непористых мембран разделение газов идет за счет разной скорости диффузии компонентов через мембрану.

Испарение через мембрану. Это процесс разделения жидких смесей, основанной на различной скорости переноса компонентов смеси через полупроницаемую мембрану вследствие различных значений их коэффициентов диффузии. Жидкая смесь вводится в соприкосновение с мембраной с одной ее стороны, а проникающей компонент в виде паров отводится с другой стороны мембраны в вакуум, либо в поток инертного газа.

Диализ. Это процесс самопроизвольного разделения молекул или ионов высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ при помощи полупроницаемых мембран, которые пропускают малые молекулы или ионы и задерживают макромолекулы и коллоидные частицы.