ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Проникновение газообразных и жидких веществ через пористые и непористые мембраны из "Молекулярные сита и их применение" В предыдущих главах рассматривались свойства пористых кристаллов цеолитов как молекулярных сит. Термин сита в данном случае является оправданным в том смысле, что происходит разделение смесей по принципу молекулярно-ситового действия. Однако общий характер этих процессов несколько иной, чем это обычно представляется, когда мы говорим о ситах. [c.142] Разделительное действие пористых кристаллов цеолитов связано, с одной стороны, с адсорбционными явлениями, а с другой стороны, —со способностью тех или иных веществ проникать внутрь полостей цеолита, где осуществляется адсорбция. [c.142] В настоящее время разрабатываются и частично применяются другие способы разделения смесей, при которых в качестве молекулярных сит используются мембраны и пленки из различных неорганических и органических материалов. Молекулы одних веществ проходят через эти мембраны или пленки, а молекулы других веществ задерживаются. Для этих случаев термин молекулярные сита более соответствует обычным представлениям о ситах и о просеивании , чем в случаях применения пористых кристаллов. [c.142] Каждое вещество в той или иной степени проницаемо для других веществ (особенно для легких, газообразных). Если какое-либо вещество является пористым, в обычном понимании этого слова, т. е. если оно имеет сообщающиеся поры и каналы, размеры которых велики по сравнению с размером молекул, то через такое вещество может происходить свободное движение газов. Предположим, что мы имеем такое вещество в виде тонкой перегородки или, иначе говоря, мембраны. Если с одной стороны мембраны давление газа больше чем с другой, то под действием этой разницы давлений газ будет проходить через мембрану в направлении от большего давления к меньшему. Какое-либо разделение газовой смеси при прохождении через такую мембрану обычно не происходит. [c.142] Изложенные представления о разделительном действии таких мембран и пленок просты и понятны, однако на практике мы встречаемся с большими трудностями при получении мембран или пленок, которые имели бы одинаковые и часто расположенные поры молекулярных размеров и могли бы эффективно разделять газовые и жидкие смеси. Тем не менее, определенные успехи в этой области уже достигнуты. [c.143] Мембраны из твердых или пластичных материалов можно рассматривать как молекулярные сита, поскольку они имеют жесткий скелет с определенным размером межмолекулярных промежутков. Возникает вопрос, имеется ли при диффузии через твердые тела —стекло, металлы, пластмассы и т. п. —какая-либо избирательность, аналогичная той, которая наблюдается у цеолитовых молекулярных сит. [c.143] Говоря об избирательности диффузии, мы имеем в виду способность мембраны данного вещества пропускать молекулы определенного размера и не пропускать более крупные. Многочисленные исследования показали, что у большинства твердых тел этой избирательности нет. Это объясняется тем, что у таких тел нет упорядоченной структуры со строго определенным размером пор. Поэтому для подбора мембран, действующих как молекулярные сита, следует использовать материалы с упорядоченной структурой, какая может быть у кристаллических тел и полимеров. [c.143] Следует отметить еще одно обстоятельство. [c.143] Чтобы мембрана, действующая как молекулярное сито, могла иметь практическое применение, она должна обладать большой пропускной способностью. Если отверстия и каналы, пропускающие молекулы определенных размеров, будут расположены в мембране очень редко, то количество смеси, которое способно разделить мембрана, будет ничтожным и подобные материалы не будут иметь практического значения. Всякие мембраны, которые могут быть предложены как молекулярные сита, следует сравнивать в этом отношении с цеолитами, которые, имея большую избирательность вследствие строго определенных размеров отверстий, обладают в то же время и большой пропускной способностью, обусловленной сотообразным строением цеолита. Как это видно из ранее приведенных схем строения цеолитов, полости, соединяющиеся друг с другом через окна, сплошь заполняют весь объем кристалла. [c.143] Представим, что разделяемая смесь направляется на мембрану, как на сито, и что при этом мелкие молекулы проходят через мембрану, а крупные остаются на ней. Чтобы такая мембрана действовала непрерывно, нужно удалять эти крупные молекулы, иначе их накопление перед мембраной будет тормозить процесс разделения. Во избежание этого нужно, чтобы разделяемая смесь направлялась не на мембрану, а протекала бы вдоль ее. Удобнее всего, чтобы мембрана имела вид трубы. Разделяемая газовая смесь двигается вдоль этой трубы, и мелкие молекулы проходят через нее, а крупные не проходят (рис. 67). [c.144] Задача изготовления мембран в виде пластинок или трубок, которые действовали бы как молекулярные сита, является трудной. Известны попытки получения различных сеток с очень малыми отверстиями. Из тончайших нитей можно сплести сетку, у которой размер отверстий составит 0,1 мм и менее. Существуют также способы изготовления тонких медных листов с часто расположенными правильными отверстиями, имеющими очень незначительные размеры — малые доли миллиметра. У всех таких сит размер отверстий во много раз превышает размер молекул и такие сита не могут действовать как молекулярные сита. [c.145] Ждановым и Д. П. Добычиным. Оказалось возможным получать плоские мембраны из пористых стекол и мембран в виде трубок. [c.145] В Институте нефтехимического синтеза АН СССР В. А. Соколовым и Г. Н. Сельяновой проводились исследования проницаемости этих плоских мембран и трубок и возможность их использования для разделения газовых смесей. Была поставлена задача выяснить, в какой мере подобные пластинки и трубки могут действовать как мембранные молекулярные сита. Получение плоских или трубчатых мембран из пористого стекла с самыми малыми размерами пор оказалось более трудным, чем получение кристаллических порошков. Удавалось получать кристаллы, поры которых имели размер в несколько ангстрем. Размер пор пластинок и трубок из пористого стекла в большинстве исследованных образцов составлял несколько десятков ангстрем. [c.145] В одних опытах газовая смесь направлялась в камеру, где имелась пластинка из пористого стекла и наблюдалось разделение смеси при прохождении ее через пластинку. В других опытах газовая смесь двигалась по трубке в соответствии со схемой, представленной на рис. 67. Трубки из пористого стекла, подвергавшиеся испытанию, имели длину 120—200 лш и диаметр 7—15 мм при толщине стенок 0,4—0,8 мм. [c.145] Можно надеяться, что будут найдены способы изготовления плоских и трубчатых мембран из пористого стекла или из иных материалов с еще меньшими порами. Для этого предстоит очень большая работа, по она вполне оправдана, так как этот способ будет наиболее дешевым и в конце концов возможно станет одним из основных способов разделения смесей. [c.147] Действие мембран как молекулярных сит проявляется при проникновении гелия через кварцевые трубки. Гелий гораздо быстрее проникает через кварц, чем даже водород. Практически можно считать, что кварц проницаем для гелия, но при повышенных температурах наблюдается и некоторое небольшое проникновение водорода. Молекулы других газов практически не способны проникать через кварц. Если бы происходила обычная фильтрация или диффузия, то водород должен был бы быстрее проникать через кварц, чем гелий, поскольку вес его молекулы в два раза меньше, чем вес одноатомной молекулы гелия. В то же время размер атома гелия составляет 2 А, а размер молекулы водорода 2,4 А. Размер молекулы водорода, следовательно, значительно больше размера атома гелия. [c.147] Некоторое проникновение водорода через кварц объясняется описанными в I главе явлениями, согласно которым возможно проникновение через отверстие молекул, имеющих несколько больший размер, вследствие упругости ионов по краям входного окна. Повышение температуры может способствовать этому проникновению. [c.147] Гелий проникает через кварц, имеющий определенное строение. Скорость проникновения его при обычной температуре невелика при повышении температуры она сильно увеличивается. На рис. 69 показано, как растет скорость нроникновения гелия через кварц по мере повышения температуры. При 400° С скорость проникновения гелия приблизительно в 100 раз выше, чем при комнатной температуре. По мере дальнейшего повышения температуры, скорость проникновения гелия через кварц резко увеличивается. На рис. 69 видно также, что при повышенных температурах начинает заметно проникать в кварц и водород. [c.147] Чтобы кварц можно было использовать более эффективно как молекулярное сито, целесообразно повышать температуру и применять трубки с очень тонкими стенками. [c.148] Описанные свойства кварца дали возможность использовать его для выделения гелия из природных газов. Проведенные в США опыты показали реальность подобного способа разделения газовой смеси. Трубчатые кварцевые мембраны действуют в данном случае как молекулярные сита. [c.148] Вернуться к основной статье