2. Физико - химические свойства

В зависимости от температуры и состава мембраны могут существовать в различных физических фазах. При понижении температуры мембраны обнаруживают свойства твердых тел, при повышении температуры они переходят в жидкокристаллическое состояние, которое характеризуется большей подвижностью молекул в плоскости мембраны. В жидкокристаллическом состоянии найдено, что коэффициенты латеральной диффузии почти так же высоки, как и в воде. Как правило, в таком состоянии находятся биологически активные мембраны при физиологических условиях.

Проникновение газа или пара через непористую полимерную или нанокомпозитную мембрану, как правило, описывается моделью «раствор—диффузия». Согласно этой модели считается, что газ по обеим сторонам мембраны находится в состоянии термо­динамического равновесия с соответствующими поверхностями, и процесс граничного поглощения сравним по скорости с про­цессом диффузии через мембрану. Диффузия в газах определятся законом Фика, выраженным следующим уравнением:

(1)

где Р — коэффициент проходимости нормализованного по дав­лению и толщине потока через мембрану, N — объемный поток на единицу площади мембраны, l — толщина мембраны, ∆р — разница в давлении на поверхности мембраны.

Проходимость мембраны зависит от коэффициента раство­римости в материале мембраны газа или пара S, а также от коэф­фициента проходимости диффузии в мембране D.

Для данного материала мембраны идеальная селективность газов А и В определяется как отношение коэффициентов про­ходимости газов:

(2)

где Р_А и Р_В — коэффициенты проходимости соответственно газов А и В, определяемые для изотропных пленок известной толщины. Как показано в уравнении 2, идеальная селектив­ность может быть выражена как результат селективности рас­творимости и селективности диффузии. Селективность диф­фузии учитывает молекулы малых размеров, а селективность растворимости учитывает только большие размеры.

Влияние малых неорганических наночастиц на проницаемость (молекулярный транспорт) в полимерных мембранах прежде всего зависит от структуры этих частиц (пористые или нет). Пористая частица, такая как цеолит, позволяет молекулам пе­редвигаться внутри себя самой и просеивает молекулы. Непо­ристая частица, наоборот, является непроницаемым объектом, вокруг которого проходят молекулы. Для объяснения прони­цаемости композитных полимерных систем были разработаны количественные теоретические выражения. Наиболее простой и часто используемой моделью для анализа потен­циальных диэлектрических свойств разбавленной суспензии твердых сфер является модель Максвелла. Эта модель ис­пользуется для бинарных композитных систем, в которых обе фазы являются проходимыми, и описывается следующим вы­ражением:

(3)

где Р_eff — проходимость композита, Р_с — проходимость непре­рывной (полимерной) фазы,

Р_D - проходимость рассеянной фазы (фазы пористых частиц), — содержание рассеянных частиц. В ходе недавно проведенных исследований по сопоставлению теоретических моделей было доказано, что модель Максвеллаявляется наиболее приемлемой для прогнозирования транспортных! свойств композитных мембранных материалов.

Если частицы, рассеянные на непрерывную полимерную матрицу, не пористые, а непроницаемые, модель Максвелла упрощается до следующего выражения:

(4)

В соответствии с уравнением 4 проходимость наполненного полимера всегда меньше, чем ненаполненного (она уменьшается при увеличении концентрации наполнителя). Это уменьшение проходимости связано с увеличением кривизны диффузной до­рожки, а также с уменьшением проникающей растворимости, вызванной смещением полимера, которое поглощает проходя­щую частицу, но не поглощает частицу наполнителя. Уравне­ние 4 успешно используется для описания воздействия непористого наполнителя на проходимость различных наполненных полимеров.

Решение задачи обратноосмотического разделения состоит в получении выражения для коэффициента селективности исходя из физических свойств системы мембрана – раствор и внешних условий скорости течения, температуры и интенсивности перемешивания раствора на входе в мембрану, способа сбора вытекающего раствора. Если растворимое вещество, например сахар, привести в соприкосновение с водой, оно диспергируется в жидкости, образуя физически гомогенный раствор, свойства которого указывают на то, что сахар разбился в жидкости на отдельные молекулы . Если тонко измельченный кварц внести в воду, он также диспергируется в жидкости. Но в этом случае, в противоположность сахару, ничто не указывает на то, что после соприкосновения с водой частицы кварца испытывают дальнейшее диспергирование. Частицы кварца в суспензии сохраняют все свои физические свойства, в то время как диспергированные частицы сахара получают свойства, резко отличающиеся от свойств твердого тела, например значительно увеличенную способность к диффузии через мембраны с малой проницаемостью.