Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Концентрация у поверхности мембраны см|(мембрама) не может быть определена непосредственно и должна определяться из уравнений теории граничных явлений (см. гл. VII). Другой подход состоит в том, что создаются условия эксперимента, при которых смх (ыеыбрлмл) & см, (сырье) - Это означает, что опыты должны проводиться при низких движущих силах (низких давлениях) и очень низких концентрациях отделяемого компонента в сырье.
В заключение отметим, что величины задержания, или селективности, R открывают простой путь для характеристики данной мембраны. По этой причине они очень часто используются как параметры промышленно производимых мембран. Тем не менее и этот
подход не открывает полной возможности количественного предсказания показателей работы мембран, поскольку другие факторы также влияют на проницаемость и избирательность мембран.
IV.4. Непористые мембраны
Непористые мембраны используются для осуществления молекулярного разделения веществ. Химическая природа и морфология материала мембраны, степень взаимодействия между полимером и пене-трантом, а не только молекулярная масса или размер молекул разделяемых веществ являются важнейшими факторами, которые следует принимать во внимание в этих случаях. Транспорт через непористые мембраны протекает по механизму растворения и (или) диффузии, поэтому разделение происходит благодаря различиям в растворимости и (или) скорости диффузии. Поэтому мембраны этого типа не могут быть охарактеризованы с помощью методов, описанных в предыдущем разделе, в которых преимущественно определяются размер пор или распределение пор по размерам в мембране. В данном случае гораздо важнее изучение физических свойств полимера, обусловленных его химической структурой. В связи с этим ниже будут рассмотрены методы изучения: а) проницаемости; б) других физических свойств, а также в) определение толщины рабочего слоя; г) методы анализа поверхности.
Важнее всего, а иногда и проще всего охарактеризовать непористую мембрану — измерить ее проницаемость по отношению к газам и жидкостям. Ранее в гл. II (табл. II-5) обсуждались коэффициенты проницаемости разных полимеров по отношению к кислороду и азоту. Там было отмечено, что в зависимости от рассмотренных полимеров эти величины могут варьировать в пределах б порядков. Обычно каучуки более проницаемы, чем стеклообразные полимеры, хотя наибольшие коэффициенты проницаемости на сегодняшний день зарегистрированы для политриметилсилилпропина (ПТМСП), являющегося стеклообразным полимером. Как бы там ни было, физическое состояние полимера, высокоэластическое или стеклообразное, является исключительно важным фактором. Чтобы установить, находится ли полимер в высокоэластическом или стеклообразном состоянии, необходимо определить его температуру стеклования. В гл. II обсуждались различные структурные параметры, определяющие значение температуры стеклования.
Хотя температура стеклования не связана однозначно с проницаемостью, она все же является важной характеристикой полимера. Далее в этой главе описаны методы определения температуры сте-
Рис. IV-25. Морфология частично-кристаллического полимера (модель бахромчатой мицеллы).
клования. Коэффициент проницаемости, хотя он и является характеристическим свойством полимера, нельзя рассматривать как универсальную константу. Его значение очень чувствительно к таким факторам, как условия приготовления образца, условия измерения и выбор газов, с которыми контактировал полимер. Так, гелий, водород, азот, аргон и кислород могут рассматриваться как инертные и не взаимодействующие газы в том смысле, что морфология полимера не изменяется при контакте с этими газами. Иначе ведут себя другие газы, среди которых можно отметить диоксид углерода, диоксид серы, сероводород и этилен. Кроме того, в случае стеклообразных полимеров коэффициенты проницаемости могут снижаться с увеличением давления, что связано с нелинейностью изотерм сорбции (подробнее см. гл. V).
Чтобы характеризовать параметры полимера, которые влияют на его проницаемость, могут привлекаться различные физические методы. С их помощью изучают преимущественно морфологию мембран. Два структурных параметра, которые влияют на проницаемость очень сильно, — это температура стеклования Тст и кристалличность. Как уже было отмечено в гл. II, способность к кристаллизации обнаруживают только полимеры с регулярной конфигурацией цепей. При исследовании кристаллизации полимеров особенно важны два фактора: степень кристалличности, а также размер и форма кристаллитов. Степень кристалличности определяет долю кристаллического материала в частично-кристаллическом полимере (рис. IV-25). В этом случае кристаллические области диспергированы в аморфной (непрерывной) фазе. Поскольку транспорт протекает преимущественно через аморфные области, очень важно знать степень кристалличности
полимера. Поэтому изучение кристалличности дает информацию, которая может быть непосредственно связана с проницаемостью.
Для большинства промышленно производимых полимеров температура стеклования и степень кристалличности общеизвестны. Если же они неизвестны, их можно определить с помощью простых методов. Значения Тст определяют с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) или дифференциального термического анализа (ДТА). Ряд других методов, в том числе хроматография и дилатометрия, могут также использоваться с этой целью. Для определения степени кристалличности можно применять широкий набор методов: ДСК, ДТА, методы рентгеновской дифракции (или рассеяния), измерение плотности полимера, а также спектральные методы (ИК- и ЯМР-спектроскопия). Ниже эти методы описаны очень кратко. Далее в этой главе представлены другие методы, применяемые для характеристики композиционных мембран.
