2.Калибровка по задержанию частиц определенного размера.
Продавливая через мембрану раствор, содержащий частицы определенного размера, можно по результатам задержания охарактеризовать размеры пор исследуемой мембраны. Обычно для этого используют суспензии латексов или растворы ВМС. Между молекулярной массой и размером частиц в растворе существует соотношение, которое иногда выражают уравнением Стокса:
rs=0,528М0.39 (4.37)
В свою очередь размер частиц связан со средним размером пор и с наблюдаемой селективностью уравнением Ферри:
R = [ λ (2- λ )]2 (4.38)
где λ = rs/rп
Уравнение Ферри относится к сферическим частицам и порам, не учитывает возможной адсорбции частиц на материале мембраны, но, тем не менее, его можно использовать для первоначальной оценки мембран.
Соединяя уравнения Стокса и Ферри, можно получить характеристику мембраны в виде зависимости селективности R от молекулярной массы М, т.е. калибровочную кривую.
Глава 5. Мембранная техника
Реально осуществить мембранный процесс разделения можно только в некотором устройстве, которое должно обеспечить выполнение следующих требований и пожеланий:
1 – создать и стабилизировать движущую силу процесса;
2 – сохранить целостность мембраны под действием движущей силы;
3 – обеспечить несмешиваемость и раздельный вывод образовавшихся продуктов – пермеата и концентрата;
4 – обеспечить условия интенсификации процесса, т.е. снижение влияния поляризационных эффектов и невысокое гидравлическое сопротивление протекающим потокам;
5 – иметь максимально большую компактность, что выражается в площади мембраны, размещенной в единице объема устройства, м2/м3;
6 – гарантировать безопасность работы.
Начнем строить такое устройство с мембраны. С точки зрения сохранения целостности под действием движущей силы мембраны делятся на поддерживаемые и самоподдерживаемые. К первым относятся мембраны плоские и трубчатые, они не могут сопротивляться движущей силе самостоятельно и требуют некоторой прочной основы, обеспечивающей их функционирование. Основа должна принять на себя воздействие движущей силы и без заметного сопротивления пропустить через себя поток пермеата. Отсюда требования к материалу основы: несжимаемость, гладкость поверхности и пористость. Основу называют также дренаж, подложка, суппорт. Среди материалов основы – ткани из синтетических ненабухающих волокон, нетканые материалы, пористый металл, пористая пластмасса.
Вторая группа мембран – капиллярная и половолоконные. В силу малого размера и круглого сечения они самостоятельно выдерживают рабочее давление, причем как наружное, так и внутреннее.
Элементарной ячейкой разделительного устройства является мембранный элемент, в котором конструктивно соединены мембрана, дренаж и герметик, позволяющий защитить внутреннее пространство от немембранного проникновения в него исходного раствора (рис. 5.1, а)
Несколько мембранных элементов, объединенных общей камерой сбора пермеата, называются мембранный модуль (рис.5.1, б). В состав модуля входят также дистанционирующие проставки, предотвращающие слипание мембран соседних мембранных элементов, турбулизирующие вставки в межмембранных камерах, узлы ввода исходного раствора в межмембранные камеры.
Сочетание мембранного модуля, одного или нескольких, с корпусом, который выдерживает рабочее давление, называется мембранный аппарат (рис. 5.1, в). На корпусе размещены штуцеры ввода исходного раствора и вывода пермеата и концентрата. На нем имеются крышки и разъемы для извлечения и замены мембранных модулей.
Наконец, сочетание мембранного аппарата, одного или нескольких, с насосом, приборами контроля и управления, арматурой и трубопроводами, формирует мембранную установку (рис. 5.1, г). Это и есть устройство, на котором можно осуществить процесс разделения.
Различия между конструкциями проявляются на уровне мембранных элементов и модулей и обусловлены формой мембраны и способом ее размещения.
Рис. 5.1. Конструкционная иерархия мембранных устройств –
а – мембранный элемент; б – мембранный модуль; в – мембранный аппарат;
г – мембранная установка:
1 – мембрана; 2 – дренаж; 3 – слой герметика; 4 – камера сбора пермеата; 5 – корпус аппарата; 6 – насос; 7 – дроссель; 8 – манометр; 9 – расходомер