Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
где А — так называемый феноменологический коэффициент, а (idX/dx) — движущая сила, выражаемая как градиент величины X (температуры, концентрации, давления) по координате х, перпендикулярной поверности транспортного барьера. Феноменологические уравнения не ограничиваются описанием массопереноса, но также мо-
Таблица 1-7. Феноменологические уравнения
Массовый поток Объемный поток Тепловой поток Механический поток Электрический ток
Jm = —D • dc/dx Jv = —Lp • dP/dx Jh — —a • dT/dx Jn = —v • dv/dx Jt = —(1/Л) •
(Фик)
(Дарси)
(Фурье)
(Ньютон)
(Ом)
Рис. 1-7. Схема фаз, разделяемых мембраной (L — жидкость, G — газ).
гут быть использованы для описания теплового, объемного, механического потоков и электрического тока.
В роли феноменологического коэффициента, связывающего потоки и силы, могут выступать коэффициент диффузии (D, закон Фика), коэффициент проницаемости (Ьр, закон Дарси), коэффициент теплопроводности (а, закон Фурье), кинематическая вязкость (и = rj/р, закон Ньютона) и удельная электропроводность (1/72, закон Ома). Феноменологические уравнения представлены в табл. 1-7.
При использовании таких уравнений транспортные процессы считаются макроскопическими, а мембрана — черным ящиком. Введение понятия «структуры мембраны» эквивалентно учету трения или сопротивления проникающей через мембрану молекуле или частице.
Движущая сила может быть градиентом давления, концентрации, электрического потенциала или температуры. Обзор различных мембранных процессов и движущих сил дан на рис. 1-7 и в табл. 1-8. Для описания транспорта чистого компонента, проникающего через мембрану, можно применить линейные соотношения. Однако, когда проникают два или более компонента, такие соотношения в общем случае не могут быть применены, поскольку могут происходить явления сопряжения потоков и сил. Явления сопряжения могут быть описаны в терминах и формализме неравновесной термодинамики.
Кроме движущей силы есть еще один фактор, определяющий се-
Таблица 1-8. Некоторые мембранные процессы и движущие силы
Мембранный процесс Фаза 1 Фаза 2 Движущая сила
Микрофильтрация L L АР
Ультрафильтрация L L АР
Обратный осмос L L АР
Пьезодиализ L L АР
Г азоразделение G G АР
Диализ L L Ас
Осмос L L Ас
Первапорация L G Ар
Электродиализ L L АЕ
Термоосмос L L АТ/Ар
Мембранная дистилляция L L АТ/Ар
лективность и поток через мембрану, это — сама мембрана. Фактически природа мембраны, ее структура и материал определяют тип применения, область применения — от разделения микроскопических частиц до разделения молекул, идентичных по размеру или форме.
Когда нужно задержать частицы диаметром более 100 нм, можно использовать более открытую мембранную структуру. Гидродинамическое сопротивление таких мембран низко, и малые движущие силы (низкое гидростатическое давление) достаточны для достижения больших потоков. Такой мембранный процесс называется микрофильтрацией.
Чтобы макромолекулы (с молекулярной массой от 104 до более чем 106) удалить из водных растворов, структура мембраны должна быть более плотной, и, следовательно, мембрана будет иметь более высокое гидродинамическое сопротивление. В этом случае применяется более высокое давление, чем при микрофильтрации: этот процесс разделения называется ультрафильтрацией.
Также возможно разделить низкомолекулярные компоненты с приблизительно одинаковыми размерами. В этом случае используется очень плотная асимметричная мембрана, что приводит к очень высокому гидродинамическому сопротивлению: этот процесс называется гиперфильтрацией или обратным осмосом. При переходе от микрофильтрации через ультрафильтрацию к обратному осмосу гидродинамическое сопротивление сильно возрастает и соответственно требуется все более высокая движущая сила, в то же время поток продукта через мембрану и размер молекул (частиц) сильно уменьшается.
Получаемый поток продукта зависит от применямых давлений и сопротивления (или проницаемости) мембраны. Типичные значения применяемых давлений и потоков следующие:
- микрофильтрация: АР = 0,1 — 2 бар
поток >0,5 м3/м2 • сут • бар
- ультрафильтрация: АР = 1 — 5 бар
поток = 0,1 — 0,5м3/м2 • сут • бар
- обратный осмос: ДР = 10 — 100 бар
поток < 0,05 м3/м2 • сут • бар
В настоящее время к промышленным мембранным процессам относятся микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос. Другие мембранные процессы, включенные в этот класс, — это электродиализ и газоразделение. Электродиализ — это мембранный процесс, в котором движущая сила ионного транспорта поддерживается разностью электрических потенциалов. Этот процесс может быть использован только тогда, когда присутствуют заряженные молекулы. Типичной (и логически обоснованной) характерной чертой этого процесса является необходимость использования ионизированных или заряженных мембран.
