2.4. Термомембранные процессы

Если мембрана разделяет две фазы, имеющие разную температуру, тепло будет переходить от нагретой фазы к холодной. Но над зеркалом жидкости всегда существует пар этой жидкости, и парциальное давление пара зависит от температуры, летучести. Если мы испаряем смесь жидкостей, то состав пара будет отличаться от состава жидкости в зависимости от различий в летучести компонентов. На этом основано разделение смесей дистилляцией и ректификацией.

Если же процесс испарения проводить в сочетании с мембраной, то возникают новые условия протекания процесса, приводящие к иным результатам разделения. Рассмотрим варианты таких мембранных процессов.

1. Мембранная дистилляция

Процесс протекает на пористых мембранах. Для начала определим, что если материал мембраны гидрофильный, а мы имеем дело с водными растворами, то за счет капиллярных сил поры мгновенно заполнятся жидкостью. Даже если с другой стороны мембраны создать вакуум, то мы получим резко ухудшенный вариант обычной дистилляции за счет сокращения площади зеркала испаряемой жидкости.

Значит, материал мембраны должен быть гидрофобный, тогда процесс можно представить схемой на рисунке 2.18.

Рис. 2.18. Схема процесса мембранной дистилляции

Если Т₁ > Т₂, то парциальные давления паров испаряемого компонента создают градиент, под действием которого происходит перенос из фазы 1 в фазу 2. Связь между давлением пара и температурой определяется уравнением Клаузиуса-Клапейрона:

P₁ΔH1 1

ln── = ── (── - ── ) (2.17)

Р₂RT₁ T₂

где ΔН – теплота испарения.

Мембрана нужна гидрофобная, но, как известно, проникновение воды через поры зависит от размера пор: чем больше радиус поры, тем легче воде в нее проникнуть, что выражается уравнением Лапласа:

2σ

Δр = − ── ∙ cosθ (2.18)

R

где σ – поверхностное натяжение воды, θ – угол смачивания материала мембраны.

Установлено, что оптимальными являются поры диаметром 0,2–0,3 мкм . При этом общая пористость мембраны должна быть высокой – 60-70%.

Когда все это соблюдено, процесс мембранной дистилляции можно проводить на установке, схема которой представлена на рисунке 2.19.

Рис.2.19. Схема противоточной установки мембранной дистилляции

В заключение надо отметить следующее:

1 – мембранная дистилляция – это единственный мембранный процесс, в котором мембрана непосредственно в акте разделения не участвует. Ее главная функция – служить разделительным барьером между двумя фазами;

2 – селективность процесса разделения целиком определяется различием в летучестях компонентов, как и в обычной дистилляции;

3 – преимуществом мембранной дистилляции перед обычной является возможность использования низкопотенциального тепла, а также резкое увеличение удельной площади испарения (площадь на единицу объема разделяемой смеси).