1.4 Зворотній осмос

Сутність процесу полягає в фільтруванні розчинів під тиском, який перевищує осмотичний, через напівпроникну мембрани, які пропускають розчинник і затримують молекули або іони розчинених речовин. В основі зворотного осмосу лежить явище осмосу – самовільного переходу розчинника через напівпроникну мембрану в розчин, по досягненню рівноваги. Тиск, при якому він встановлює, називається осмотичним. Якщо з боку розчину прикласти тиск, що перевищує осмотичний, то перенос розчинника буде відбувається у зворотному напрямку, що знайшло своє відображення в назві процесу «зворотний осмос». На рис. 2 показана схема проходження води через мембрану.

Рисунок 2 – Схема проходження води через мембрану

Робочий тиск в зворотно осмотичних установках повинен бути значно більший за осмотичний тиск розчинів, оскільки їх продуктивність визначається рушійною силою процесу – різницею між робочим і осмотичним тисками. Він складає 6-10 МПа. Зворотному осмосу підлягають розчини з діаметром часток:

(3)

де П₂ – осмотичний тиск пермеату;

П₃ – осмотичний тиск у поверхні мембрани розчину, що розділяється.

Так як визначення величини осмотичного тиску біля поверхні мембрани П₃ часто ускладнено, тому його прирівнюють до осмотичного тиску П₁ в розчині, що розділяється, тобто П₃ = П₁. По капілярно-фільтраційній моделі селективної проникності на поверхні та в середині пор ліофільної мембрани, яка занурена в розчин електроліту, утворюється поверхневий шар зв’язаної води товщиною t_з. Зв’язана вода має знижену розчину здатність, тому її присутність в порах мембрани – одна з основних причин того, що іони (або молекули), для яких зв’язана вода практично не є розчинником, не проходить через мембрану. Якщо діаметр пор мембрани (де d_г.і. – діаметр гідравлічного іону),то через пори буде проходити лише вода, що і зумовлює селективність таких мембран.

За звичай мембрани мають пори різного діаметра, в тому числі і великі , а зв’язана вода, хоча і в малих кількостях, але все ж таки розчиняє неорганічні солі. Тому селективність мембран тим вища, чим більша товщина зв’язаної води і чим більша здатність до гідратації іону, що визначається енергією або теплотою гідратації.

Таким чином, мембрана, що використовується в процесі зворотного осмосу, повинна володіти селективною сорбцією по відношенню до проникаючого компонента; діаметр пор не повинен перевищувати суму подвоєної товщини шару зв’язаної води і діаметра гідравлічного іону (так як розділення відбувається на межі розділу мембрана – розчин, вказаний розмір пор необхідний лише в поверхневому шарі мембрани, який повернений до розчину); мати анізотропну структуру по товщині для зниження гідравлічного опору.

1.5 Ультрафільтрація

Ультрафільтрація – це процес розділення розчинів високомолекулярних та низькомолекулярних з'єднань, а також фракціонування та концентрування високомолекулярних з'єднань. Він протікає під дією різниці тисків до та після мембрани.

Ультрафільтрацію на відмінну від зворотного осмосу використовують для розділення систем, в яких молекулярна маса розчинних компонентів набагато більша за молекулярну масу розчинника. Оскільки осмотичні тиски високомолекулярних з’єднань невеликі (як правило, вони не перевищують десятих часток мега Паскаля), тому ультрафільтрацію проводять при невеликих тисках (0,2 – 1,0 МПа), а при розрахунках рушійної сили осмотичними тисками часто можна знехтувати. Якщо ж ультрафільтрації піддають розчин достатньо високої концентрації або якщо відбувається відкладення на мембрані речовини, що затримується, то при розрахунках рушійної сили процесу слід враховувати осмотичний тиск розчину високомолекулярної речовини біля поверхні мембрани. Ультрафільтрації підлягають розчини з діаметром часток – 0,005-0,05 мкм. На рис. 3 показана мембранна установка для глибокого очищення питної води.

Рисунок 3 – Мембранна установка для глибокого очищення питної води

Для досягнення селективності φ = 100% в ультрафільтрації при діаметрі часток в системі, що розділяється, порядку декількох мікрометрів та менше достатньо дотримання умови:

(4)

де R – радіус пори;

r – радіус часток.

Це відношення дозволяє у першому наближені підбирати мембрани з раціональним розміром пор для ультрафільтрації, якщо відомо значення r.

2 ПОСУД, РОЗЧИНИ ТА ОБЛАДНАННЯ

Посуд:

піпетки ємкістю: 1, 2, 5 см³;

колби мірні ємкістю: 1 дм³, 50 см³;

стакан ємкістю 250 см³;

піпетка Мора ємкістю 20 см³.

Розчини:

кислота ортофосфорна H₃PO₄ 17%-ий розчин;

дифенілкарбазид (С₆H₅)₂C(NH)₄ 0,25%-ий розчин;

розчин з вмістом Cr⁶⁺ – 1 мг/см³;

дистильована вода.

Обладнання:

КФК-2;

мембрана УАМ – 100;

мембранна установка;

балон з стиснутим аргоном.

3 ПРИГОТУВАННЯ МОДЕЛЬНОГО РОЗЧИНУ

В колбу ємкістю 1 дм³ вносимо 10 см³ розчину, що містить Cr⁶⁺ – 1мг/см³, та доводимо об'єм до мітки дистильованою водою.

Таким чином отримуємо модельний розчин, який містить 10 мг/дм³ іонів Cr⁶⁺.

4 ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Лабораторна установка для проведення іонообмінного очищення моделі стічної води зображена на рис. 4.

Лабораторна установка складається з мембранної установки (1), (в ній розміщена напівпроникна мембрана, над якою знаходиться попередньо залитий модельний розчин , що містить іони хрому), балона із стиснутим аргоном (2), який створює тиск у мембранній установці необхідний для проведення процесу зворотного осмосу. Та приймальної колби (3), у яку стікає очищена вода.

1 – мембранна установка;

2 – балон з стиснутим аргоном;

3 – приймальна колба.

Рисунок 4 – Схема лабораторної установки для проведення зворотного

осмосу.

5 ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Модельний розчин, що містить 10 мг/дм³ іонів Cr⁶⁺ заливаємо в мембранну установку. Під’єднуємо шланг від балону та потроху відкриваємо вентиль балону, створюючи у мембранній установці тиск. Після появи перших порцій перміату, відкидаємо його перші 50 см³. Далі відбираємо три проби перміату по 100 см³. Після цього розкручуємо мембранну установку, та відбираємо пробу ретанту.

Для визначення концентрації іонів Cr⁶⁺, у 3 мірні колби ємкістю 50 см³ відбираємо по 1 см³ очищеної води (перміату)із кожної проби, у четверту колбу – 1 см³ ретанту. Додаємо у кожну колбу 1 см³ розчину, 4 каплі розчину фосфорної кислоти, 2 см³ розчину дифенілкарбазиду, доводимо дистильованою водою до мітки і перемішуємо. Паралельно робимо розчин порівняння, у який додаємо всі розчини окрім очищеного розчину і доводимо дистилятом до мітки. Видержуємо 15 хвилин і визначаємо оптичну густину розчинів по відношенню до розчину порівняння на КФК-2 при λ = 540 нм у кюветі з шириною поглинаючого шару l = 50 мм та чутливістю приладу – 2. За виміряною оптичною густиною по калібрувальному графіку визначаємо концентрацію іонів Cr⁶⁺ у пробах перміату, та у ретанті.

Вміст іонів хрому у пробі, з урахуванням розведення обчислюємо за формулою:

(5)

де α – вміст Cr⁶⁺, визначений за допомогою калібрувального графіку,

мг/дм³;

γ – об'єм води, взятої для аналізу, см³.

Ефективність очищення визначаємо за формулою:

(6)

де С_П – концентрація Cr⁶⁺ у модельному розчині, мг/дм³;

С_К – концентрація Cr⁶⁺ після очищення, мг/дм³.