24.1.3. Жидкие мембраны

В мембранах, получивших название жидких, основное сопротивле­ние

переносу вещества связано с диффузией этого вещества через жидкую пленку, сформированную следующими способами:

1. тонкую жидкую пленку располагают свободно либо заклю­чают в отверстиях стенки или сетки сепараторов, отделяющих две жидкости, подлежащие разделению;

2. тонкий слой жидкости (или пленку) заключают между двумя параллельными полимерными пленками;

3. создают жидкую пленку, связанную с материалом подложки и перекрывающую ее поры;

4. «мембранная» жидкость охватывает капли жидкости (дисперсная фаза), распределенные в другой жидкости (сплошная, или дисперсионная фаза), т.е. система представляет собой эмульсию.

Поверхность жидких мембран, полученных первыми двумя спо­собами, сравнительно невелика ( м² в 1 м³ объема аппарата). Наибольшая поверхность жидких мембран (порядка нескольких тысяч квадратных метров в 1 м³ объема аппарата) достигается при четвертом способе. Поэтому для промышленной реализации наи­более перспективны жидкие мембраны в эмульсионной системе. Применение жидких мембран может быть эффективным при разде­лении как водных, так и неводных систем. Широко исследуется их применение для выделения из растворов ионов тяжелых металлов, фенола, аммиака и других соединений.

Вещество, проходящее через жидкую мембрану, растворяется в ней, в растворенном состоянии диффундирует через мембрану и затем переходит в другую жидкую фазу. Чем тоньше мембрана, тем быстрее протекает перенос вещества.

На практике часто сталкиваются с необходимостью образования эмульсии со следующим чередованием фаз: вода – масло – вода . Для стабилизации этой системы применяют поверхностно-активные ве­щества-эмульгаторы, в частности, эмульгаторы неионогенного характера. Снижение поверхностного натяжения между двумя несмешивающимися жидкостями благоприятствует образованию эмульсии. Эмульгаторы должны взаимодействовать как с водой, так и с маслом, т. е. они должны представлять собой амфотерные молекулы, одна часть которых имеет полярную структуру (гидро­фильная часть), а другая неполярную (гидрофобная часть). Гидро­фильная часть молекул эмульгатора находится в воде, а гидрофоб­ная—в масле. При механической обработке системы, например при перемешивании, фаза с более высоким поверхностным натяжением переходит в дисперсное состояние, а фаза с меньшим поверхност­ным натяжением остается сплошной.

Процесс разделения с помощью жидких мембран может быть осуществлен в аппаратах для проведения жидкостной экстракции, например в распылительной колонне или в роторно-дисковом экстракторе. Разрушение эмульсии после завершения процесса раз­деления с целью выделения из внутренней (дисперсной) фазы перенесенного вещества может быть осуществлено термическим или электростатическим методом.

24. 2 Физико-химические основы мембранных процессов

Единый механизм, справедливый для всех мембранных процессов, еще не разработан, поэтому каждый мембранный процесс нужно рассматривать отдельно, так как механизмы этих процессов могут резко различаться. Однако при изучении и анализе механизма любого мембранного процесса необходимо учитывать три основ­ных фактора и их взаимосвязь:

1. структуру мембраны по толщине (пористая, непористая, изотропная);

2. физико-химические свойства разделяемой системы (для растворов очень важно учитывать их основные термодинамические свойства);

3. взаимодействие разделяемой смеси с материалом мембраны.

В случае, если хотя бы один из этих факторов не будет учтен, это

может привести к принципиальной ошибке при анализе и разработ­ке модели механизма того или иного мембранного процесса.

Силы взаимодействия разделяемых веществ с полимерными мембранами могут меняться в широких пределах. Слабое взаимо­действие наблюдается, например, при проницании через мембрану газа, которое в основном определяется диффузией. Этим объясня­ются небольшие различия в скоростях проницания различных газов через однотипные полимерные мембраны. Скорость же проницания через полимеры, различные по свойствам, может различаться на пять порядков. Такая большая разница обусловлена различиями в подвижности и гибкости полимерных цепей, которые, в свою очередь, связаны с полярностью и размерами молекул.

На перенос разделяемых веществ через мембрану большое влияние оказывают структурные свойства растворителей (напри­мер, воды) и взаимодействие их с мембраной. Вода содержит связанные водородной связью молекулярные группы, состоящие примерно из сотни молекул каждая. Устойчивость таких молеку­лярных групп зависит не только от температуры, но и от природы растворенных в ней веществ, и от физико-химических свойств мембраны.

Гидрофобные мембраны стремятся оттолкнуть молекулы воды; группы со средней полярностью (СООН, NH₂, ОН, СНО) могут противодействовать тенденции молекул воды к связыванию, что приводит к разрушению групп молекул и способствует увеличению потока воды через мембрану. В гидрофильных мембранах (напри­мер, из ацетатов целлюлозы) значительная часть воды находится в связанном состоянии и не замерзает при охлаждении мембраны до — 80 °С. Подвижность этой воды ограничена, чем объясняется особенность поведения воды, находящейся в сольватной оболочке молекул полимера, образующих поры мембраны: капиллярная вода легче удаляется из мембраны, чем связанная. Это очень важно для объяснения селективности мембраны, поскольку связанная вода не может сольватировать ионы растворенных солей, а капиллярная в состоянии сольватировать эти ионы и увлекать их через мембра­ну. Повышая гидрофильность мембран с учетом особой роли воды как растворителя и проникающего через мембрану компонента раствора, можно увеличить селективность и проницаемость мемб­ран. Повысить гидрофильность полимерных мембран можно путем увеличения числа гидрофильных и снижения числа гидрофобных групп в макромолекулах полимера, из которого получают мембрану.

В зоне контакта жидкости и твердого тела действуют поверх­ностные силы (адгезия, поверхностное натяжение, молекулярное притяжение). Поэтому поверхностный (граничный) слой жидкости, связанный с материалом мембраны, по структуре и физико-хими­ческим свойствам может значительно отличаться от жидкости в объеме. Для смесей жидкостей поверхностный слой отличается от раствора в объеме еще и по составу, что играет определяющую роль при разделении смесей органических веществ.

При изменении структуры и состава раствора в поверхностном слое значения показателей некоторых его физико-химических свойств (например, вязкости, диэлектрической проницаемости) отклоняются от соответствующих значений для раствора в объеме. При этом резкое снижение диэлектрической проницаемости воды свидетель­ствует о снижении подвижности молекул воды, что приводит к снижени о растворяющей способности связанной воды. Для непо­лярных жидкостей заметного отличия от свойств в граничном слое не наблюдается.