Основы мембранных процессов

Общий механизм процесса мембранного проницания включает в себя комплекс явлений. Поэтому решение проблемы полного раскрытия механизма этих процессов представляет большие трудности, поскольку для четкого их описания необходимо касаться многих аспектов.

Хотя процесс разделения представляет собой операции со смесью веществ, содержащей как минимум два компонента, рассмотрим сначала поведение однокомпонентных систем. Дело в том, что существует много случаев, когда проницание смеси может интерпретироваться на основе поведения отдельных его компонентов. Характернымипримерами таких случаев могут служить процессы переноса газа через полимерные пленки, использующиеся для упаковки продуктов. При этом проницаемости кислорода, азота, водяных паров и двуокиси углерода не зависят друг от друга.

В принципе должно существовать различие между проницаемостью вещества через пористую и непористую среды. Для условий разделения потока термин «пористость» ограничивается более узким понятием «микропористость», отражающим ту область, где размер пор должен быть таким, чтобы доминировала молекулярная диффузия, т.е. частота столкновений молекул со стенкой поры превышала частоту столкновений между молекулами газа. Это означает, что размер пор должен находиться в интервале от 50 до 300 А (5­−30 нм).

Для непористых мембран разделение в первую очередь зависит от соотношения растворимости компонентов в материале мембраны и коэффициентов диффузии. Таким образом, механизмы разделения в пористой и непористой средах совершенно различна.

В микропористой среде с ее развитой капиллярной системой действуют значительные адсорбционные силы, которые влияют на перенос компонентов газовой смеси и создают условия для возникновения потока, который значительно отличается от потоков в макропористой структуре. Аналогичные явления вызывают поток в диффузионной мембране, по своей сути являющейся пористым материалом. Такой поток может быть назван «потоком диффузионной растворимости».

Дополнительным фактором является поведение газовой фазы в системе газ – мембрана. Здесь удобно ввести понятие газа – как неконденсирующейся и пара –как конденсирующейся фазы при обычных давлениях и температурах. Однако в общем случае такое разграничение не может быть распространено на все мембранные системы. Процессы разделения могут быть вызваны высокими и низкими температурами, так же как и низкими и высокими давлениями и различным их сочетанием. Поэтому, например, гелий, который считается неконденсирующимся газом, при достаточно низких температурах может вести себя как конденсирующийся пар. Сходным образом конденсирующийся пар метилбромида при достаточно высокой температуре или низком давлении может вести себя как газ.

Таблица 1. Влияние основных переменных на проницаемость через микропористые мембраны

Адсорбционные мембраны	Микропористые структуры
1. Низкое давление (вакуум),	Газовый поток определяется молекулярной
высокая температура (200−500˚C)	диффузией; адсорбционные явления отсутствуют
2. Низкое давление (вакуум), средняя	Наличие адсорбционных эффектов;
температура (30−100˚C)	молекулярной диффузией и адсорбционный
	поток
3. Среднее давление (атмосферное),	Рост адсорбционных эффектов; молекулярный
средняя температура (30−100˚C)	поток еще возможен
4. Среднее давление (атмосферное),	Доминируют адсорбционные эффекты; возможен
низкая температура (0−20˚C)	скользящий поток
5. Высокое давление (до 40 ат - 3,9 МПа),	Превалируют адсорбционные эффекты; возможен
низкая температура (-30−0˚C)	ламинарный поток

Обобщенное схематическое представление процессов газового разделения на микропористых мембранах приведено в табл. 1. В ней для газовой фазы рассмотрены молекулярный, скользящий и ламинарный потоки, а также адсорбированный поток, или поверхностный поток, который, как полагают, существует на поверхности твердой мембраны. Условия, которые вызывают различные потоки, определяются размером пор мембраны и свойствами газов.

Таблица 2. Влияние основных переменных на проницаемость через непористые мембраны

Непористые мембраны	Диффузионные мембраны
1. Низкое давление (вакуум),	Давление не влияет на проницаемость, она обычно
высокая температура (до 100˚C)	повышенная; растворимость существенно зависит
	от температуры
2. Низкое давление (вакуум), средняя	Давление не влияет на проницаемость, она обычно
температура (20−60˚C)	пониженная при пониженной температуре;
	растворимость увеличивается с понижением
	температуры
3. Среднее давление (атмосферное),	Давление не влияет на проницаемость;
средняя температура (20−60˚C)	эффекты аналогичны описанным в п. 2
4. Среднее давление (атмосферное),	Некоторое влияние давления, увеличивающего
низкая температура (-10−10˚C)	проницаемость; возможно повышение растворимости,
	так же приводящее к увеличению проницаемости
5. Высокое давление (до 100 фунт/кв. дюйм −	Заметное влияние давления, увеличивающего
0,69 МПа), низкая температура (-10−10˚C)	проницаемость; растворимость аналогична
	описанной в п. 4

Важно отметить, что поверхностный поток, если он в системе имеется, является дополнением к нормальному мольному и объемному потокам и поэтому приводит к увеличению общего потока через мембрану.

Для непористых мембран важно рассмотреть влияние растворимости и температуры. Большая часть непористых мембран изготовлена из полимерных материалов. Поведение мембран из металлической фольги и стеклянных мембран требует отдельного рассмотрения.

При использовании полимеров(табл. 2) на проницаемость будут влиять температура стеклования самого полимера; наличие и отсутствие кристалличности; сольватационные эффекты, приводящие к набуханию полимера; давление, особенно для веществ, склонных к конденсированию. Ясно, что для случая полимерных пленок, при разделении должна использоваться не такая высокая температура, как при разделении на неполимерных пористых мембранах.

Таблица 3. Влияние основных переменных на газовую проницаемость

Переменный параметр	Влияние переменного параметра
Температура	1) эффект типа эффекта Аррениуса − для инертных и других
	низкомолекулярных газов;
	2) энергия активации есть функция температуры − для и выше температура стеклования;
	3) эффект типа эффекта Аррениуса не наблюдается для
	органических веществ
Давление, концентрация	1) для инертных газов и концентрация не зависит от
	давления;
	2) для большинства других газов проницаемость является
	функцией давления
Природа пермеата	1) проницаемость обратно пропорциональна размеру
	молекулы;
	2) взаимная совместимостьи легкость конденсации
	увеличивают проницаемость
Пластифицирующий эффект	1) способность полимера пластифицироваться увеличиваетпроницаемость
Структура полимера	1) кристаллические области действуют как непроницаемаяфаза, поэтому скорость потока
	пропорциональна объемнойфракции аморфной фазы;
	2) важен термический и механический ресурс работы;
	3) важен кондиционный растворитель;
	4) поперечные сшивки уменьшают скорость диффузии
Прививка	1) существенно понижает проницаемость
Радиация	1) вызывает поперечные сшивки, которые уменьшают
	диффузию
Толщина пленки	1) обычно не оказывает влияния, но очень важна для оченьтонких пленок или для пленок при значительном
	концентрационном градиенте

Обе обобщенные схемы должны интерпретироваться с осторожностью. Приведенные уровни температуры и давления для определенных мембран и газовых смесей могут сильно варьироваться. Поэтому, например, для метилбромида, проходящую через полиэтиленовую пленку, высоким давлением будет считаться величина около 700 мм рт. ст. (0,093 МПа), а для гелия, проходящего через фторопластовую пленку,− величина 60 фунт/кв. дюйм (0,41 МПа). Аналогично этому допустимые температурные уровни будут зависеть от материала мембраны. Так, с полимерными материалами, по всей вероятности, необходимо работать при температурах от 40 до 100˚C. Но при работе с неорганическими микропористыми мембранами наиболее приемлемыми считаются температуры от 200 до 300˚C.

Фредлендер и Риклес удачно определили влияние различных переменных на проницаемость газов и паров, что отражено в табл. 3.

Схема установки «Универсальная платформа для тестирования мембран»

Установка включает в себя:

• мембранный модуль (1)

• вакуумную станцию (2)

• редуктор (3)

• мембранные вентили (4)

• пневматические клапаны (5)

• датчики давления (6)

• манометры (7)