1.2 Вплив в’язкості і температури на процес розділення

Для проведення баромембранних процесів найбільше застосування знайшли ацетатцелюлозні мембрани. Однак вони руйнуються при порівняно невисоких температурах (біля 60 ºС), тому в більшості випадків дані мембрани використовуються при кімнатних температурах, так як при підвищених температурах істотно збільшується швидкість гідролізу ацетатцелюлози.

В останні роки отримані мембрани, які можуть застосовуватися для роботи при значно більш високих температурах.

Аналіз даних впливу температури на селективність та проникність ацетатцелюлозних мембран для зворотного осмосу при розділенні розчинів неорганічних речовин (наприклад, NaCl) (рисунок 1) показує, що з підвищенням температури (приблизно до 50 ºС) проникність мембрани спочатку збільшується зворотно пропорційно в’язкості рідини.

Рисунок 1 – Залежність селективності (φ) та проникності (G) ацетатцелюлозної мембрани від температури та в’язкості (μ) 1%-го розчину NaCl при тиску 12 МПа

Далі залежність G = f(t) починає відхилятися від даної закономірності, проникність зменшується та при t 85 ºС падає до нуля. Цей ефект можна пояснити усадкою та повним стягненням пор мембрани в процесі структуроутворення полімеру, яке закінчується при вказаній температурі, що підтверджується, зокрема, необоротними змінами властивостей даних мембран після роботи при температурі більше 50 ºС. Селективність ацетат целюлозних мембран при підвищенні температури до 60 ºС збільшується в незначній мірі, а потім залишається практично постійною.

Для того щоб виключити вплив структурних змін мембран на результат досліджень дії температури на розділення водних розчинів органічних речовин, ацетат целюлозні мембрани термічно обробляли під тиском. При цьому температура та тиск обробки були вищі верхньої межі вимірювань даних в наступних дослідах. Питому проникність при розділенні водних розчинів електролітів та полярних органічних речовин в дослідженому інтервалі температур (рисунок 2) можна представити рівнянням, аналогічним рівнянню Арреніуса:

G = G₀·exp(-E_к/RT), (2)

де G – питома проникність мембрани, л/(м²·год);

G₀ – передекспоненційний множник, л/(м²·год);

E_к – уявна енергія активації проникнення рідини через мембрану, Дж/моль;

R – універсальна газова стала, 8,314 Дж/(моль·К);

Т – температура, К.

Для більшості рідин Е_к становить від енергії випаровування. Відносно високе значення Е_к властиві сильно асоційованим рідинам та обумовлене витратою додаткової енергії на розрив водневих зв’язків.

Для сумішей енергія активації складає приблизно 14 кДж/моль, що знаходиться у добрій відповідності з енергією активації в’язкої течії води.

1 – вода, 0,1 М розчин капролактаму та тетрагідрофурану; 2 – 0,17 М розчин NaCl; 3 – 0,005 М розчин толуолу.

Рисунок 2 – Залежність питомої проникності ацетатцелюлозної мембрани від температури

Підвищення температури в процесах мікро- та ультрафільтрації призводить звичайно до збільшення і проникності і селективності мембран. Це пояснюється тим, що зменшується в’язкість пермеату, а також значно знижується вплив концентраційної поляризації на характеристики мембран [1].

2 Опис лабораторної установки та послідовність виконання роботи

Схема лабораторної установки (рисунок 3) призначена для виконання лабораторних робіт пов'язаних з зворотноосмотичним розділенням однорідних рідких сумішей. Студенти вивчають вплив природи розчинених речовин, в’язкості розчинів та температури на питому продуктивність і селективність.

Рисунок 3 – Розділення сумішей на високонапірних комірках

Установка включає ємність куди заливають від 3 до 5 л розчину, що розділяється. Відцентровий насос засмоктує розчин з ємності і створює на виході тиск порядку 0,1 МПа, який заміряється манометром. Поєднання необхідного тиску і витрати встановлюється за допомогою регулюючого вентиля на лінії концентрату і регулюючих вентилів на байпасних лініях насосів. Концентрат і пермеат повертаються в ємність.

Мембранний апарат складається з трубчастого корпусу, в якому розміщується рулонний модуль, що складається з трьох спільно навитих елементів. Основною складовою частиною елемента є тришарова композитна мембрана з активним шаром з поліаміду, проміжним полісульфоновим шаром і підкладкою з поліефіру.

У даній лабораторній роботі студенти відкривають кран подачі водопровідної води в змійовик. Циркуляцію розчину без тиску здійснюють протягом деякого часу, за цей час відбувається охолодження рідини в ємності та одночасно вирівнювання концентрації в ній і напірному каналі апарату. Після цього відкривають запірний вентиль на лінії концентрату і відбирають на аналіз 20 – 30 мл розчину. Після цього за допомогою регулюючих вентилів установлюють задані викладачем витрати концентрату за ротаметром і робочий тиск по манометру, потім повністю відключають подачу водопровідної води і проводять вимірювання температури в ємності за допомогою термометру. Такі заміри проводять через визначений проміжок часу, а останній замір проводять при температурі в ємності 35 – 38 ºС.

Принципова схема баромембранного зворотньосмотичного процесу зображена на рисунку 4.

1 – насос для подачі вихідного розчину та створення потрібного тису в мембранному апараті; 2 – відділені розчинені речовини; 3 – напівпроникна мембрана; 4 – вентиль.

Рисунок 4 – Принципова схема баромембранного зворотньосмотичного процесу

Ефективність баромембранного зворотньосмотичного процесу розділення оцінюється селективністю та проникністю.

Селективність – здатність мембрани розділяти компоненти суміші. Селективність можна визначити за формулою:

, (3)