Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Значительного увеличения селективностей можно достичь введением в жидкую мембрану молекул-переносчиков, которые имеют сродство к какому-либо компоненту в фазе 1. Переносчик ускоряет транспорт этого специфического компонента. Этот тип переноса вещества обычно называют транспортом с переносчиком или облегченным транспортом. Механизм облегченного транспорта можно пояснить схемой, представленной на рис. VI-25.
На дно U-образной трубки наливается органическая жидкость с большей плотностью, чем у воды (например хлороформ), содержащая переносчик с высоким сродством к соли. Типичными переносчиками являются краун-эфиры, специфически взаимодействующие со многими веществами, включая соли. На рис. VI-26 в качестве примера приведена структура простейшего краун-эфира, 18-краун-б. Одно колено U-образной трубки заполняется водным раствором хлорида калия, а второе — водой. Из-за различия концентраций соль будет диффундировать из концентрированного раствора в чистую водную фазу. Однако в отсутствие переносчика перенос соли чрезвычайно медленный, поскольку растворимость солей в органической фазе (в хлороформе) очень невелика. Добавка в органическую фазу переносчика, способного образовывать обратимые комплексы с солью (например, дифенил-18-краун-б), вызывает перенос калия из одного колена U-образной трубки в другое. Через определенное время в чистой водной фазе появится некоторое количество КС1 (заметим, что для поддержания электронейтральности хлорид-ион должен диффундировать вместе с комплексом-переносчиком). Этот простой эксперимент с U-
Раствор
КС1
Раствор КС1
Переносчик в органическом растворителе (например, краун-эфир в хлороформе)
Рис. VI-25. Демонстрация облегченного транспорта.
I .-г-. J
О : ОТ
18-Краун-6
Рис. VI-26. Структура 18-краун-6-эфира в виде комплекса с ионом ка-
образной трубкой является прекрасной иллюстрацией облегченного транспорта, или транспорта с переносчиком.
Различие между обычным диффузионным и облегченным транспортом схематически показано на рис. VI-27. При облегченном транспорте скорость переноса компонета А усиливается в присутствии молекул-переносчиков С. Компонет А и переносчик С образуют комплекс АС, который также диффундирует через мембрану. При этом одновременно происходят два процесса. Часть компонента А переносится вследствие диффузии, тогда как другая его часть переносится в результате диффузии комплекса. Таким образом, наблюдается ускоренный транспорт компонента А.
Часто в облегченный транспорт вовлекаются два компонента, и гакой тип переноса вещества называется сопряженным транспортом, причем различают два типа сопряженного транспорта:
Пассивный
(диффузион-
ный')
транспорт
(без переносчика)
Облегченный
транспорт
Несопряженный
Сопряженный
Рис. VI-27. Механизм транспорта в жидкой мембране.
1) косопряженный транспорт, в этом случае оба компонента движутся в одном направлении (иногда его называют синпорт);
2) противосопряженный транспорт — оба компонента движутся в противоположных направлениях (см. рис. VI-27) (иногда его называют антипорт).
Косопряженный транспорт имеет место, например, при переносе ионов (см. рис. VI-25, т. е. пример с U-образной трубкой). Если переносятся катионы, то для соблюдения электронейтральности одновременно должны переноситься и анионы. Ниже мы будем обсуждать главным образом противосопряженный транспорт, поэтому термин «сопряженный транспорт» будет для краткости употребляться, когда мы имеем дело именно с такой ситуацией. Механизм сопряженного транспорта представляет интерес, поскольку он открывает воз-
Фаза 1 Фаза мембраны Фаза 2
О Молекула переносчика
Рис. VI-28. Механизм транспорта с переносчиком.
можность переноса вещества против собственного градиента концентрации, от низких концентраций к более высоким, потому что реальной движущей силой является градиент концентрации другого компонента. Важную роль в этом процессе играет распад комплекса при достижении границы раздела фаз.
Механизм облегченного транспорта, или транспорта с переносчиком, представлен на рис. VI-28. Можно отметить четыре основные стадии процесса:
- образование комплекса между переносчиком и компонентом А на границе раздела мембрана/фаза 1;
- диффузия комплекса переносчик-компонент А через мембрану;
- распад комплекса на границе раздела фаз мембрана/фаза 2;
- обратная диффузия переносчика в мембране.
Основной особенностью транспорта с переносчиком является обратимость комплексообразования, поскольку в противном случае транспорт прекратится, когда все молекулы переносчика израсходуются на образование комплекса с растворенным компонентом. Специфичность взаимодействия между переносчиком и растворенным веществом должна варьировать в широких пределах. Так, образование прочного комплекса (высокое сродство переносчика и растворенного вещества) может приводить к медленному освобождению вещества из комплекса. В то же время образование непрочного комплекса (невысокое сродство между переносчиком и растворенным веществом) приводит лишь к небольшому увеличению скорости транспорта, при этом селективность будет также низка. Исходя из этих соображений, систему необходимо оптимизировать.
