ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Расчет систем обратного осмоса и ультрафильтрации. Метод Кимуры и Сурираяна из "Мембранные процессы разделения жидких смесей" В общем случае селективность полупроницаемых мембран можег обусловливаться рядом факторов различием в коэффициентах диффузии и растворимости компонентов раствора в материале мембраны, электрическими силами, формой и размерами молекул и т. д. [c.87] Для более полного понимания физической сущности явлений, приводящих к различиям в проницаемости и селективности мембран по отношению к различным растворам при разделении обратным осмосом, как это следует из рассмотренного выше экспериментального материала по влиянию внешних факторов на характеристики процесса разделения, следует учитывать термодинамические характеристики растворов солей, их строение и стерические факторы. Исходя из современных представлений о строении растворов электролитов [17, 127, 128] и результатов экспериментов [12], можно утверждать, что на селективность и проницаемость мембран влияет гидратирующая способность ионов. [c.87] Молекулы воды, расположенные в непосредственной близости от ионов растворенных веществ, образуют гидратную оболочку [128]. Различают первичную, вторичную и т. д. гидратные оболочки. Число молекул воды в первичной гидратной оболочке называют координационным числом гидратации. Координационные числа можно определить по данным работ [128—130]. [c.88] Приближенный расчет для растворов с относительно низкой концентрацией (0,1—0,5 М) дает размер вторичной гидратной оболочки 1,5—2,0 нм (15—20 А), что соизмеримо с размерами пор полупроницаемых мембран. [c.88] Электростатическое взаимодействие не является единственной причиной гидратации — последняя может обусловливаться и химическими силами. Химическое взаимодействие является преобладающим в случае, если центральная частица — сильный комплексообразователь, т. е. ион с незаполненной электронной оболочкой. Для ионов, обладающих структурой инертного газа, преобладает кулоновая составляющая сил взаимодействия, зависящая от кристаллографического радиуса иона и его заряда [17]. [c.88] Учитывая сказанное выше и основываясь на современных представлениях о связанной жидкости, развитых в работах Б. В. Дерягина, Н. В. Чураева и сотр. [131, 132], процесс селективной проницаемости мембран по отношению к водным растворам электролитов может быть рассмотрен следующим образом. На поверхности и внутри пор (капилляров) лиофильной мембраны (рис. 1-46), погруженной в раствор электролита, возникает слой связанной воды [131, 132]. [c.88] Рассмотренная модель, названная нами капиллярнофильтрационной, позволяет заключить, что обессоливание водных растворов электролитов обратным осмосом есть не что иное как дегидратация ионов — отбор наименее прочно связанной с ионами воды мембраной под воздействием приложенного давления. [c.89] Отсюда становится понятнее и явление прямого осмоса, которое можно представить следующим образом. При разграничении воды и водного раствора гидрофильной полупроницаемой мембраной на поверхности и внутри пор мембраны образуется слой связанной воды. Тепловое движение ионов в растворе приводит к тому, что они захватывают воду у поверхности мембраны, включая ее в свои гидратные оболочки, и переносят в объем раствора, где вода перераспределяется между остальными ионами. Уменьшение концентрации воды на поверхности мембраны, обращенной к раствору, компенсируется переходом чистой воды через мембрану. Переход воды, обусловленный работой подобного гидратного насоса, происходит до тех пор, пока силы, определяемые притяжением воды к ионам, не будут уравновешены силами гидростатического давления со стороны раствора. [c.89] Поскольку работа гидратного насоса должна интенсифицироваться с увеличением содержания ионов в растворе и ростом абсолютной температуры, это, по-видимому, и приводит к кажущейся аналогии выражения для расчета осмотического давления с уравнением Вант-Гоффа. [c.89] Капиллярно-фильтрационная модель механизма селективной проницаемости позволяет объяснить влияние внешних факторов на процесс разделения электролитов обратным осмосом и получить некоторые расчетные зависимости для определения основных характеристик процесса. [c.89] Подобный метод учета влияния концентрации электролита на селективность дает удовлетворительную сходимость с результатами эксперимента во всем возможном диапазоне концентраций, за исключением области, близкой к прямой 7, где часто наблюдается сравнительно плавный переход от области постоянной селективности к области ее быстрого снижения. [c.91] Следует отметить, что характер изменения селективности, по-видимому, не связан со степенью насыщения раствора. Например, для малорастворимого Са804 селективность оставалась постоянной вплоть до выпадения его в осадок на мембране (см. рис. 1-44). [c.91] Величина проницаемости определяется также близостью концентрации раствора к ГПГ. Именно на ГПГ проницаемость высокоселективных мембран обращается в нуль, независимо от рабочего давления. Для остальных мембран небольшая остаточная (но уже неселективная) проницаемость наблюдается и за ГПГ, что, вероятно, объясняется присутствием в этих мембранах определенного числа крупных малоселективных пор. [c.91] Таким образом, ГПГ является пределом обратноосмотического концентрирования водных растворов неорганических солей. Следует отметить, что работа ацетатцеллюлозных мембран при концентрациях, близких к ГПГ, недопустима еще и по той причине, что при этом происходит обезвоживание мембран, обусловленное, очевидно, отходом БОДЫ от мембраны в гидратные оболочки ионов сильных электролитов, поскольку свободной воды в растворе уже нет, и это вызывает необратимое ухудшение свойств мембраны. Практическое использование обратного осмоса становится невозможным уже задолго до достижения ГПГ из-за невысоких значений селективности и проницаемости. [c.91] Выше уже отмечалось влияние гидратирующей способности ионов на их задержание мембраной. Поэтому в качестве основной характеристики природы электролита естественно выбрать энергию (теплоту) гидратации составляющих ее ионов (АН), которая характеризует степень взаимодействия между ионами и его гидратной оболочкой. [c.91] Эти результаты полностью соответствуют рядам, построенным на основании величия теплот гидратации [128] и позволяют распространить обнаруженные закономерности на другие растворы. [c.92] После этого с помощью соотношений (1,42) и (1,43) можно рассчитать селективность данной мембраны по отношению к другим электролитам. [c.94] Известно, что селективность мембраны по KNO3 в разбавленном растворе-составляет 0,89 и по aSOj — 0,998. Требуется определить селективность этой мембраны по Na l во всем возможном диапазоне концентраций. [c.94] Подставляя сюда / (ДЯ)J a(,, = 883, получаем, что селективность мембраны по Na l в разбавленных растворах ф = 0,960. [c.94] Рассчитываем критические концентрации для Na I, исходя из координационных чисел = 6 и = 8. [c.94] Вернуться к основной статье