Основные типы мембранной фильтрации 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Основные типы мембранной фильтрации



Как обсуждалось выше, процессы мембранной фильтрации могут быть разделены на три основных типа -- микрофильтрация, ультрафильтрация и диализ и обратный осмос. В основу такого разделения положены размеры отделяемых от жидкости элементов — частиц, включая микроорганизмы и вирусы, макромолекул и молекул низкомолекулярных веществ и небольших ионов.

Микрофильтрация имеет дело с отделением от фильтруемой жидкости твердых частиц с размерами 10-1 — 10 мкм. Тот факт, что в этот диапазон размеров попадает большая часть бактерий, делает процессы микрофильтрации незаменимыми в медицине, биологии, микробиологии и многих других областях. Можно привести только несколько примеров использования микрофильтрации в медицине и биологии — получение стерильной воды и физиологических растворов, фильтрация сыворотки крови и питательных сред для культуры тканей, фильтрация при производстве лекарственных препаратов, получение стерильных растворов термолабильных материалов.

Этих примеров достаточно для понимания важности данного типа мембранной фильтрации.

Микрофильтрация по своему механизму близка к обычной фильтрации. Главное отличие связано с возможностью сорбции фильтруемых частиц как на наружной поверхности мембраны, так и на внутренней поверхности ее пор. Как уже отмечалось, это связано с увеличением роли поверхности в поведении частиц при уменьшении их размеров. Такая сорбция может реализоваться за счет ионных и гидрофобных взаимодействий, водородных связей и других слабых нековалентных сил. Поэтому очень важно знать заряд поверхности мембраны и располагать возможностями его контролировать.

Особое значение вопросы сорбции приобретают при использовании мембранных фильтров для микрофильтрации в процессах выделения вирусов. Частицы вирусов значительно меньше бактерий и соизмеримы с размерами пор фильтров для ультрафильтрации. Однако поскольку длина поры составляет примерно 500 диаметров частицы вируса, последний может сорбироваться на стенках поры. Поверхность частицы вируса обычно имеет отрицательный заряд. Если стенки пор мембраны тоже заряжены отрицательно, вероятность сорбции вирусов невелика, и большая их часть проходит через поры микромембранных фильтров. Если же перезарядить поверхность пор мембраны, создав на них положительный заряд, большая часть вирусных частиц на них сорбируется за счет сил электростатического взаимодействия. При изменении заряда мембраны удается провести десорбцию вирусов. Таким образом, в этом случае мембрана выступает в роли ионообменника.

В других процессах мембранной фильтрации — ультра-фильтрации, диализе и обратном осмосе — главным фактором, определяющим протекание процесса, становится в большей степени не механический и гидродинамический (как в обычной и в микрофильтрации), а в большей степени диффузионный. При этом, чем меньше размер пор и фильтруемых частиц, тем больше возрастает роль данного фактора.

Ультрафильтрация представляет собой процесс мембран-ного разделения, при котором макромолекулы отфильтровываются от раствора, содержащего низкомолекулярные соединения. То есть, в отличие от обычной и микрофильтрации, это процесс молекулярного разделения.

Диализ представляет собой процесс, при котором вещества, находящиеся в растворе, разделяются благодаря разным скоростям их диффузии через мембрану.

Осмос также представляет собой процесс молекулярной диффузии, но в этом случае происходит перенос растворителя, а не растворенного вещества. Такой перенос в ячейке для осмоса происходит до тех пор, пока давление столба жидкости (осмотическое давление) не компенсирует разницу химических потенциалов системы по разные стороны полупроницаемой перегородки. Если к более концентрированному раствору приложить давление, превышающее осмотическое, то процесс пойдет в обратном направлении, против градиента концентрации (рис.). Такой процесс называется обратным осмосом.

 

 

Рис. Схематическое изображение процессов осмоса (а)

и обратного осмоса (б).

 

Используется обратный осмос главным образом для того, чтобы понизить концентрацию растворенных веществ в жидкости.

 

Газоразделительные мембраны

Газопроницаемость полимеров и некоторых других мате-риалов представляет собой способность пропускать газы при перепаде давления или температуры (в общем случае разности химических потенциалов) по разные стороны газопроницаемой мембраны. В зависимости от природы и структуры полимерного материала протекание газов через мембрану может реализоваться по разным механизмам — в виде диффузионного потока, путем молекулярной диффузии, вязкостного течения и истечения через отверстия. Последний способ переноса газов через пористые мембраны используется для фильтрации воздуха от частиц микронного и субмикронного размера.

Для газоразделительных мембран, позволяющих отделять молекулы одних газов от других, используются однородные и не имеющие отверстий полимерные материалы. В этом случае перенос газов обусловлен диффузионной газопроницаемостью, которая представляет собой растворение газа в материале мембраны с одной ее стороны, диффузии молекул растворенного газа в полимере и выделение их с другой стороны мембраны.

Соотношение объема газа, прошедшего через мембрану, с параметрами процесса может быть представлено формулой

 

 

где: Q — объем газа, прошедшего при перепаде давления Dp через мембрану толщиной Dx и площадью s за время t,

P — коэффициент газопроницаемости полимера

 

P = D . s,

 

где D — коэффицент диффузии (см2/с); s — коэффициент растворимости (кгс/cм2)-1.

Таким образом, коэффициент газопроницаемости Р соответствует объему газа при нормальных условиях, прошедшего в единицу времени (с) через мембрану площадью 1 см2 и имеющей толщину в единицу длины (1 см) при единичной разности давлений газа в 1 кгс/см2. При использовании других единиц размерности размерность Р может быть выражена в м2/с Н/м2. В табл. приведены коэффициенты газопроницаемости некоторых полимеров [ Р. 108, см2/(сек.кгс/см2)] при 20 о С для различных газов

 

Таблица

 

Полимер N2 O2 H2 CO2
Каучук диметилсилоксановый изопреновый бутадиеновый хлоропреновый Полиэтилен низкой пл. Полистирол Поликарбонат Полипропилен Полиамид-6 Поливинилхлорид Полиэтилентерефталат 5,7 3,7 0,7 1,05 0,3 0,22 0,22 0,008 0,006 0,005 15,4 11,5 2,4 2,6 1,3 1,4 0,87 0,02 0,034 0,024 33,5 26,1 7,9 5,7 6,7 10,2 4,1 0,7 — 0,48 14,8 12,2 5,9 5,6 3,00 0,044 0,10 0,14

 

Как видно из данных таблицы, коэффициенты газопроница-емости очень сильно зависят и от природы газа, и от химической природы полимера мембраны. Наибольшей газопроницаемостью обладают полимеры, находящиеся в высокоэластическом состоянии — каучуки. При этом чем ниже температура стеклования полимера, связанная с гибкостью его макромолекул, тем выше коэффициент газопроницаемости. В целом, коэффициенты газопроницаемости возрастают с увеличением гибкости макромолекул и уменьшением межмолекулярных взаимодействий.

Переход полимера из высокоэластического в стеклообразное состояние сопровождается изменением характера зависимости коэффициента газопроницаемости от температуры (перелом прямой, характеризующей линейную зависимость lg P от 1/T). Фазовые переходы в полимерах (плавление, кристаллизация) сопровождаются скачкообразным изменением коэффициента газопроницаемости — значительным его уменьшением при кристаллизации и возрастанием при плавлении кристаллических областей. В аморфно-кристаллических полимерах перенос молекул газа реализуется главным образом через аморфные области. Кроме фазовых и физических состояний полимера на газопроницаемость могут влиять и другие факторы — ориентация, наличие надмолекулярных структур, механических напряжений в образце.

Вообще различие коэффициентов газопроницаемости газов означает различие скоростей протекания разных газов через газоразделительную мембрану при прочих равных условиях. Результатом этого является значительное различие в составе смеси газов, протекающих через мембрану, по разные стороны мембраны. Смесь газов, прошедших через мембрану, оказывается обогащенной тем газом, коэффициент газопроницаемости для которого больше. Это свойство полимерных газоразделительных мембран определило их широкое использование в областях, где необходимо регулирование состава газовой смеси. В частности, газоразделительные мембраны широко используются в узлах медицинских аппаратов типа “искусственное легкое”, а также в замкнутых системах обитания человека, где необходима регенерация воздуха (подводные лодки, космические корабли). Кроме того, знание коэффициентов газопроницаемости для различных пар газ — полимер необходимо при разработке новых полимерных материалов различного назначения — надувных конструкций, упаковочных материалов, шин. С газопроницаемостью связаны защитные свойства полимерных покрытий, скорость окисления полимеров. Большую роль гаопроницаемость полимеров играет в обмене веществ в живых организмах — это явление лежит в основе процессов дыхания.

Изучение процессов протекания газов через полимерные мембраны имеет огромное практическое и научное значение. Это объясняется не только тем значением, которое оно имеет для понимания газообмена в живых организмах, разработки новых направлений создания полимерных материалов с заданными свойствами, но и для изучения структуры полимерных материалов, характера движения макромолекул, вопросов диффузии и растворимости газов в полимерах.

В последние годы проблема разработки новых газо-разделительных мембран приобрела особое значение в связи с требованиями современной техники. Внимание исследователей привлекают новые полимеры, в частности, жидкокристаллические. В связи с тем, что эти полимеры имеют больше фазовых и структурных переходов, чем обычные, их использование в качестве газоразделительных мембран открывает возможности точного и тонкого разделения газовых смесей сложного состава.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-01-20; просмотров: 402; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.211.91.23 (0.012 с.)