По структуре мембраны

а) непористые мембраны — неорганические аморфные и кристаллические стекла, фольга; полимерные пленки — аморфные и со смешанной аморфно-кристаллической структурой; жидкие пленки (обычно поверхностно-активные вещества) на границе раздела жидкость—жидкость или жидкость—газ;

б) пористые мембраны — микропористые мембраны с диаметром пор d₃ < 0,510~⁶ м (прессованные порошки из стекла, вольфрама, серебра и других металлов); микропористая керамика; пористые полимерные структуры (ацетилцеллюлоза, нуклеопоры и др.); макропористые мембраны с диаметром пор а\ > 0,510~⁶ м (ультрафильтры, миллипоровские фильтры и др.);

3. По областям применения мембраны:

а) газо(паро) фазные процессы разделения;

б) системы газ—жидкость — испарение через мембрану; селективная дегазация жидкостей; поглощение жидкостью газа, проникающего через мембрану (например, насыщение крови кислородом и выделение из нее СО2); отделение жидких аэрозолей от газового потока на волокнистых мембранах — войлоках;

в) системы жидкость—жидкость — диализ; осмос; электролиз; электроосмос; термодиффузия; диффузия с химическими реакциями в мембране, например облегченная диффузия, активный массоперенос "против градиента концентрации" (метаболический насос); разрушение устойчивых эмульсий на волок­нистых мембранах — войлоках;

г) системы газ—твердое — волокнистые мембраны для улавливания аэрозольных твердых частиц (фильтры Петрянова—Соколова); самоочищающиеся волокнистые мембраны для улавливания растворимых твердых аэрозольных частиц; мембраны для селективной десублимации через перегородку; мембраны для нанесения эпитаксиальных покрытий и выращивания кристаллов из газовой фазы, проникающей через мембрану;

д) системы жидкость—твердое — различные типы фильтровальных перегородок; капсулирующие покрытия для управляемого растворения (выщелачивания) капсулированных веществ;выращивание кристаллов из растворенных веществ, проникающих через мембрану.

-2-

Проницаемость отдельных компонентов через мембрану за­висит при прочих равных условиях от физико-химической природы мембраны.

Для непористых мембран это связано, как правило, с раз­личной скоростью адсорбции компонентов поверхностью мем­браны, различной растворимостью компонентов в материале мембраны (иногда с образованием химических соединений с материалом мембраны), разной скоростью диффузии этих компонентов в мембране и разной скоростью десорбционных явлений на обратной стороне мембраны.

Для пористых мембран это связано с различной скоростью молекулярного течения разных компонентов (кнудсеновская диффузия) в порах мембраны, а при вязком течении — с "застреванием" крупных частиц потока в пористой перегородке мембраны (или перед ней).

Совокупность названных выше явлений различной физи­ческой природы формально объединяется понятием "прони­цание (проникновение) через мембрану".

Для определения потока (потоков) "проникающих" компо­нентов используется основное уравнение массопередачи (см. разд.10.6, 10.8, 10.13). Согласно этому уравнению количество М_г (поток М,) перенесенного через мембрану компонента при неизменных условиях пропорционально площади мембраны F, продолжительности процесса х и его движущей силе Д„ где / — номер переносимого компонента:

М,= K_piFA.x; M_i=K_piFK_i, г = 1, (20.1)

причем черта над Д, — символ осреднения движущей силы по поверхности мембраны.

Коэффициент пропорциональности K_pi называется коэф­фициентом проницаемости для /-го компонента. В этом коэффи­циенте "спрятано" все наше незнание механизма "проницания". Численное значение K_pi определяется чаще всего экспериментально. По формальному подходу к решению проблемы переноса коэффициент проницаемости K_pj — аналог коэффициентов теплопередачи (в теплообмене) и массопередачи (в массообмене).

Механизм переноса вещества через непористые мембраны

Рассмотрим стационарный перенос компонента через непо­ристую мембрану, используя подходы пленочной модели массопереноса (см. разд.10.6).

Обозначим (рис.20.2): у_п — /wQ, x_n — mCj, у_а, л^ — пара рав­новесных с С[ и С₂ концентраций компонента — в пермеате и проходящем потоке; С\ и С₂ — соответствующие концентрации переносимого компонента, "растворенного" в материале мем­браны; т — константа растворимости (по смыслу — коэффи­циент распределения) этого компонента в материале мембра­ны; D — среднеинтегральный по диапазону концентраций (согласно теореме о среднем) коэффициент диффузии перено­симого компонента в мембране. Тогда для элемента мембраны площадью dF массовый поток dM переносимого компонента определяется выражениями:

Следуя методам, изложенным в разд.10.6.1, исключаем из рассмотрения трудноопределимые концентрации целевого ком-

Дата добавления: 2014-01-04