Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
IV.4.1. Методы проницаемости
Измерения проницаемости можно проводить, используя простое экспериментальное устройство, схема которого представлена на рис. IV-26. Ячейка с гомогенной мембраной подсоединена к баллону с испытуемым газом. Количество газа, проникшего через мембрану, определяется с помощью того или иного расходомера, например бюретки с мыльной пленкой. Более совершенные или чувствительные установки включают калиброванный объем, присоединенный к ячейке после мембраны. В этом случае небольшие увеличения давления в этом объеме измеряют с помощью датчиков давления. Проницаемость или коэффициент проницаемости Р могут быть определены по стационарному потоку газа через мембрану с толщиной t.
J = P/l (IV-14)
где проницаемость J или поток, отнесенный к единице перепада парциального давления, имеет размерность см3(н. у.)/см2 • с • смрт.ст., а толщина i выражена в см. Коэффициент проницаемости Р имеет следующую размерность: см3(н. у.) • см/см2 • с • смрт.ст. или м3(н. у.) • м/м2 • ч • бар. Удобная единица коэффициента проницаемости 1 баррер = Ю-10 см3 (н. у.) • см/см2 • с • см рт.ст. По начальному участку кривой проницаемости можно также определить коэффициент диффузии (имеющий размерность см2/с. — Перев.). Для этого
Рис. IV-26. Установка для измерения газопроницаемости.
Конденсатор
Рис. IV-27. Установка для изучения первапорации.
используется так называемый метод запаздывания или метод Дэйне-са — Баррера. Он рассмотрен ниже в гл. V*.
Имеется огромное количество данных о коэффициентах проницаемости, так как проницаемость различных полимеров была измерена по отношению к самым разнообразным газам. Аналогичные приемы можно использовать для определения проницаемости полимеров по отношению к жидкостям (первапорации). Схема простой первапора-ционной установки показана на рис. IV-27. В резервуар над мембраной помещают чистую жидкость, температура ее контролируется с
* Физический смысл коэффициента проницаемости — это количество газа, прошедшее через единицу поверхности мембраны (пленки) единичной толщины в единицу времени при единичном перепаде парциального давления (данного газа) через мембрану. Поэтому в числителе размерностей Р и J стоит величина см3, которая характеризует объем газа в стандартных («нормальных») условиях (н. у.), т. е. 273 К, 1 атм. (В англоязычной литературе это выражается как cm3(STP), т. е. при стандартных температуре и давлении.) В системе единиц СИ размерность проницаемости J и коэффициента проницаемости должна иметь вид: моль/см2 • с • Па и моль • см/см2 • с • Па, соответственно. — Прим. ред.
помощью нагревательной спирали. В камере под мембраной поддерживается вакуум, который контролируют с помощью вакуумметра (термопарной лампы Пирани или манометра Маклеода). Для того чтобы обеспечивать максимальную движущую силу в процессе пер-вапорации, давление после мембраны должно быть меньше чем одна десятая давления насыщенных паров чистой жидкости при^ температуре опыта (подробнее см. раздел, посвященный первапорации, в гл. VI). Проникшая через мембрану жидкость испаряется и конденсируется в коллекторе, охлаждаемом жидким азотом или каким-либо другим хладагентом. Количество собранной жидкости можно определить простым взвешиванием.
IV.4.2. Физические методы
Как уже отмечалось, важные физические свойства полимерных материалов мембран, например, температура стеклования, кристалличность, плотность и т. д., могут быть определены с использованием разнообразных методов. Рассмотрим некоторые из них, чтобы получить лучшее представление о процессе массопереноса через непористые полимерные пленки и мембраны.
IV.12.1. Методы ДСК и ДТА
Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) и дифференциальный термический анализ (ДТА) являются родственными методами, позволяющими изучать термические переходы и химические реакции в полимерном образце. В методе ДСК измеряется энергия или, точнее, мощность (dQ/dt), которую необходимо подвести, чтобы противодействовать различиям температуры между образцом и эталоном, тогда как в методе ДТА регистрируются различия температуры АТ между образцом и эталоном в процессе нагрева или охлаждения. Схематическая кривая ДСК для частично-кристаллического полимера, показанная на рис. IV-28, иллюстрирует различные тепловые эффекты.
По таким кривым можно определить температуру стеклования и степень кристалличности, поскольку на ней обнаруживаются переходы как первого, так и второго рода. Переходы первого рода (кристаллизация и плавление) проявляются как узкие пики, причем площадь пика пропорциональна изменению энтальпии в результате перехода в полимере. Изменение же энтальпии в свою очередь обусловлено количеством присутствующей кристаллической фазы, т. е. можно определить степень кристалличности. Стеклование является фазовым переходом второго рода. Он проявляется в сдвиге базовой линии, вызванном изменением теплоемкости. Более детально область стеклования
Рис. IV-28. Кривая ДСК для частично-кристаллического полимера.
