Условие (12. 18) означает, что электролит (nacl) распределяется поровну по обе стороны мембраны.

Когда концентрация электролита незначительна, т.е. с₂ << с_г то

х/Сг^О. (12.19)

Согласно условию (12.19) электролит практически остается в исходном положении, и мембранное равновесие не проявляется.

Условия (12.18) и (12.19) подтверждаются экспериментально: так, при с₂/с₁ = 100 NaCl практически поровну (49 и 51% соответственно) распределя­ется между растворами. Когда с₂/с₁ = 0,01, то подавляющее большинство элек­тролита (99%) остается в правой части.

Мембранное равновесие, которое по имени первого иссле­дователя называют равновесием Доннана, имеет практическое значение для растворов ВМС, при набухании веществ и в раз­личных физиологических процессах.

Мембранная технология и ее применение в промышленности

Мембранная технология намного эффективнее других техно­логий и требует меньших энергетических затрат для осуществ­ления аналогичных процессов. Так, мембраны в обратном осмо­се и ультрафильтрации по сравнению с другими методами (ис­парение, замораживание, дистилляция) позволяют проводить обезвоживание и концентрирование продукта, освобождаться от примесей, выделять необходимые вещества и очищать раство­ры. При этом резко сокращается потребляемая энергия.

Опреснение морской воды при помощи мембран в 10—15 раз экономичнее по сравнению с перегонкой; по крайней мере 2440 кДж можно экономить в расчете на 1 кг воды. Обратный осмос способен удалять даже из самой соленой морской воды почти 99,9% примесей. Подобная экономичность обратного осмоса позволяет резко интенсифицировать опреснение морской воды и другие процессы.

В процессе разделения веществ мембраны играют роль своеобразного барьера. Мембранная технология универсальна. Она применяется для очистки и разделения газов, жидкостей, газов и жидкостей, граничащих с твердыми телами. При помощи мембран можно извлечь вещества из растворов, разделить их между собой, в том числе и такие, которые другими способами разделить невозможно или трудно (например, редкоземельные элементы). Мембранная технология дает возможность получить необходимые вещества из сточных вод (например, бор), выделить ПАВ, ВМС и многие другие вещества.

В технике применяют полимерные, ионообменные, ядерные, жидкие и динамические мембраны. В качестве материалов для мембран используют полимеры: полиуретан, поливиниловый спирт, поливинилкарбонат, полиамид, полиэтилен, сложные эфиры целлюлозы и др. Кроме того, мембраны могут быть изготовлены из пористого стекла.

Один из способов длительного хранения фруктов и овощей основан на применении газоселективных мембран. Такие мембраны ограничивают поступление кислорода в емкость, но пропускают диоксид углерода. Содержание кислорода в емкости снижается с 21 до 2%, а диоксида углерода — увеличивается с 0,03 до 3,5%. Под таким своеобразным наркозом фрукты могут храниться несколько месяцев. Газоселективные мембраны монтируются в полиэтиленовые мешки, крышки тары, трубы буртов и в различные емкости с продукцией.

Диализ и электродиализ применяют в промышленности для очистки различных веществ,например, при производстве искусственных волокон (отделение отмываемой щелочи от гемицеллюлозы), для очистки желатина, а так же при изготовлении лекарственных препаратов.

Ионообменные мембраны представляют собой композиции из высокодисперсного порошка и эластичного инертного наполнителя, который служит для фиксации порошка. Сама момбрана является дисперсной системой типа Т/Т. Ионит в мембране обеспечивает униполярную, т.е. по одному из видов иона — катиона или аниона, — проводимость мембраны. Такая мембрана обладает уникальной способностью избирательного извлечения ионов.

Динамические мембраны образуются при осаждении высокодисперсных раздробленных материалов (крахмал, желатин) на пористых перегородках, например из ацетата целлюлозы. Без высокодисперсных материалов перегородки не обладали бы свойствами мембран.

Жидкие мембраны составляют не смешивающуюся с водой органическую фазу, которая разделяет два водных раствора. Собственно органическая фаза и выполняет функцию мембраны. В качестве этой фазы могут быть полярные (нитробензол, хлороформ) и неполярные (бензол, предельные углеводороды керосин) жидкости.

В последнее время с использованием ядерной технологии можно получить ядерные фильтры — мембраны нового поколения. Ускорение, получаемое тяжелыми ионами, масса которых превышает массу ядра гелия, может быть использовано для изготовления калиброванных сит. Своеобразные микроиглы проходят сквозь пленку облучаемого вещества (слюда, стекло, полимер) и образуют каналы. Размеры их могут быть от 0,1 до 5 нм в зависимости от толщины пленки. Полученные таким образом мембраны называют ядерными фильтрами. При помощи ядерных фильтров можно получать сверхчистые вещества.

С помощью биологических мембран можно установить причины возникновения некоторых сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний и разработать методы их лечения, а так же совершенствовать технологию создания искусственных органов в трансплантологии, иммунологии, эмбриологии и др.; биологические мембраны способствуют развитию таких направлений как биоэнергетика и использование солнечной энергии.

Мембранный катализ основан на избирательном переносе через мембрану как катализатор вещества,участвующего в реакции. Он позволяет перейти к непрерывным и малостадийным процессам при производстве химических реактивов, душистых веществ, лекарственных препаратов и других продуктов высокой чистоты; при этом устраняются потери ценных метериалов, уменьшается число технологических операций и количество отходов.

Ультрафильтрация позволяет удалить избыток воды из фруктовых соков, сиропов и экстрактов; выход фруктовых соков из исходного продукта увеличивается до 95—99%. В молочной промышленности ультрафйльтрация дает возможность получать молочные концентраты и очищать их от примесей, ускорять процесс выделки сыров и улучшать их вкусовые качества. Ультрафильтрация широко применяется для получения творога, кисломолочных продуктов, молочных каш детского питания и других подобных продуктов. В пивоваренной промышленности при помощи ультрафильтрации извлекают из пива бактерии и ВМС.

В процессе приготовления виноградных вин при использовании обратного осмоса через мембрану проходят вода и этиловый спирт, а ионы калия и винная кислота остаются в концентрате, из которого выпадает осадок примеси — винного камня. После удаления винного камня смешивают фильтрат и концентрат, что повышает стабильность продукта и увеличивает срок его. хранения: В результате применения обратного осмоса происходит концентрирование яичного белка без денатурирования в нем протеинов, т.е. при сохранении необходимых качеств продукта с содержанием протеинов до 30%. Мембраны в пищевой промышленности используют для стабилизации соков биологических сред, выделения белка, очистки воды.

Мембранная технология — одно из ведущих направлений научно-технического прогресса.

Упражнения

1. Чему будет равна работа адгезии для самопроизвольного диспергирования одного вещества в другом, если работа когезии W_K диспергируемого вещества равна 120 мДж/м²?

В случае самопроизвольного диспергирования AS > О, а работа адгезии согласно равенству (12.2) составит W_a > 120 мДж/м², т.е. должна превышать работу когезии.

Определите линейную, поверхностную и объемную степени диспергирования при получении муки из зерна, считая, что размер частиц муки и зерна приведен к эквивалентному диаметру, равному 38 шкм и 2,27 мм соответственно. Согласно условию (12.4) находим

Раздел третий

Виды

ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

 

Степень диспергирования равна: линейная — 59,7; поверхностная — 3,518-10³; объемная - 2,13210⁵.

3. Определите давление, необходимое для обратного осмоса через мембрану раствора глюкозы концентрацией 0,5 кмоль/м, если перепад давления Ар составляет 4-10^s Па. Размер молекул глюкозы равен 1 нм, а ее плотность 1,2- 1(Р кг/м² при температуре 293 К.

Из условия (12,13} следует, что р = Д/> + я.

Осмотическое давление [см. формулу (9.13)] вычисляется так:

3-0,5-10³ -8,314-297. ₅

I 4-3,14(10-⁹)³-U-10³-6,022-10*

Р = 410⁵ + 4,08 10⁵ = 8,0810⁵ Па.

Несмотря на общность, которая изложена в первых двух раз­делах и присуща всем дисперсным системам, каждая из диспер­сных систем имеет свои особенности. Эти особенности опреде­ляются, во-первых, различным агрегатным состоянием диспер­сной фазы и дисперсионной среды (классификация подобных систем приведена в табл. 1.1.), а, во-вторых, размерами частиц дисперсной фазы (см. табл. 1.3). Специфические коллоидно-химические свойства характерны для высокомолекулярных со­единений (ВМС), к числу которых относятся и белки, а так же для коллоидных ПАВ.

Материал предыдущих разделов позволяет обобщить спосо­бы определения размера частиц, важнейшего количественного параметра дисперсных систем, и изложить характерные особен­ности различных типов этих систем.

Содержание раздела позволяет:

? уяснить, суть интегральных и дифференциальных кривых
распределения частиц по размерам [рис. 13.1 и 13.2, фор­
мулы (13.1)— (13.5)], способы приведения размера частиц
неправильной формы к среднему и эквивалентному раз­
меру [рис. 13.3, формулы (13.2)—(13.5)], особенности оп­
тических методов дисперсионного анализа [микроскопи­
ей, ультрамикроскопией, нефелометрией и турбидиметри-
ей; рис. 13.4—13.6, формулы (13.7)—(13.17)], а так же се­
диментацией [рис. 13.7, формулы (13.18)—(13.20)];

? представить отличительные признаки золей и суспензий
[рис. 14, формула (14.1)];

? рассмотреть эмульсии, а имейно: типы (рис. 15.1), выра­
жение для концентрации дисперсной фазы [формула (15.1)],
условия адсорбции ПАВ на границе M-4J [рис. 15.3, фор­
мула (15.5)], критерии устойчивости [формулы (15.2)—
(15.4)], устойчивость за счет ПАВ [рис. 15.2 и 15.3, форму­
ла (15.5)] и порошков (рис. 15.4), обращение фаз (рис. 15.5)
и гомогенизацию;

уяснить особенности пей — способы выражения концентра­ции газовых пузырьков [формулы (16.1) и (16.1, л)], их струк­туру (рис. 16.1 —16.3), причины незначительной устойчивос­ти [формулы (16.2) и (16.3)] вследствие подвижности грани­цы раздела фаз и действия гравитации, методы оценки [фор­мулы (16.4)—(16.6)], и пути увеличения устойчивости, в том числе и с помощью ПАВ [рис. 16.3, формулы (16.7) и (1.6.8)], роль пенообразователей и пеногасителей, определяющих вре­мя «жизни» пен, возможные источники образования (табл. 16.1); изучить свойства аэрозолей как систем с подвижной газо­вой средой, их классификацию (табл. 17.1), особенности образования и определения концентрации [рис. 17.1, фор­мулы (17.1)—(17.4)], силы, действующие на аэрозольные частицы [рис. 17.2 и 17.3, формулы (17.5) и (17.6)], причи­ны распространения аэрозолей (механика аэрозолей), а так же особенности пневмотраспорта, псевдоожижения [рис. 17.4, формула (17.6)] и применения аэрозолей; акцентировать внимание на системы с твердой дисперсион­ной средой и отсутствии у них ряда коллоидно-химических свойств с одновременным проявлением специфических для этих систем свойств [рис. 18, формулы (18.1) — (18.5)]; рассмотреть особенности растворов ВМС, структуру и кон-формационное состояние макромолекул [рис. 19.1 и 19.2, формулы (19.1) и (19.2)], специфические свойства их ра­створов, проявляющиеся в осмосе [формулы (19.3) и (19.4)], вязкости [рис. 19.3, формулы (19.5)—(19.8)], в определе­нии средней молекулярной массы и размеров макромоле­кул [формулы (19.4), (19.9)—(19.17)], набухании [рис. 19.3 и 19.4, формулы (19.18)— (19.23)], студнеобразовании [табл. 19.1, условие (19.24)] и синарезисе студней (рис. 19.6); уяснить структуру макромолекул белков [рис. 20.1 и 20.2, формула (20.1)], их свойства как полиэлектролитов [фор­мулы (20.2) и (20.3)], особенно электрофорез (рис. 20.3), вязкость (рис. 20.4), денатурацию и высаливание; классифицировать ПАВ по их способности к диссоциации [формулы (21.2)—(21.4)], по поверхностным и объемным свойствам, подчеркнув особенности коллоидных ПАВ — мицеллообразование [рис. 21.1 и 21.2, формулы (21.18) и (21.5)], солюбилизацию (рис. 21.3), критическую концен­трацию мицеллообразования (ККМ, рис. 21.2); четко представлять стадии моющего действия коллоидных ПАВ [рис. 21.4, формулы (21.6) и (21.7)] и их практическую значимость (табл. 21.1, рис. 21.5), композиций моющих J средств.

Глава 13

ОСНОВЫ ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА

Дисперсионный анализ проводится с целью определения размера, формы и концентрации частиц дисперсной фазы. Как уже отмечалось (см. рис. 1.2) размер частиц во многом опреде­ляет свойства дисперсных систетем (например, рассеяние света и броуновское движение, см. гл. 8 и 9, устойчивость, см. гл. 10, и другие).

Большинство систем относятся к полидисперсным, а сами частицы дисперсной фазы характеризуются не только размера­ми, но и формой, отличной от сферической. После ознакомле­ния со свойствами дисперсных систем появилась возможность приступить к рассмотрению особенностей дисперсионного ана­лиза.

Современная наука располагает разнообразными методами, позволяющими осуществить дисперсионный анализ, к числу этих методов можно отнести: оптические под действием света, рент­геновского и лазерного излучения, седимейтационный и другие.