Кинетика процесса разделения растворов методом обратного осмоса с использованием ацетатцеллюлозных и боросиликатных мембран (1095032), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Для этого использовались аппараты с керамическимитрубчатыми элементами.Выявлено [50], что образование осадка на поверхности микропористогослоя наноматериала в наибольшей степени зависит от природы этого материалаи конструкции аппаратов, в которых задействованы эти материалы. Однаковопросвыборатипаконструкцииаппаратанеоднозначен.Трубчатыеконструкции признаны энергетически неэффективными вследствие большоготранзитного потока, проходящего через поперечное сечение аппарата. Ваппаратах рулонной конструкции, которые признаны, оптимальными втехническом и конструктивном плане, при регенерациях нередко происходитотслаивание микропористого наноматериала от подложки.

Этот отрицательныйфакт снижает конкурентоспособность аппаратов рулонной конструкции.221.1.2.Изменениеструктуры микропористогослоя полимерныхмембран под воздействием рабочего давленияВо время эксплуатации микропористые слои полимерных мембран меняютсвои транспортные характеристики не только вследствие необратимогозабивания пор наноматериала, как отмечалось ранее. На изменение основныххарактеристик пористых микрослоев оказывают влияние [51, 52] и ряд другихявлений, в числе которых значится воздействие рабочего давления разделяемойсреды на структуру микропористых слоев полимерных микропористыхматериалов. В долгосрочном периоде изменение структуры полимерныхмембранврезультатевоздействиярабочегодавленияможетменятьпроизводительность аппаратов и установок в несколько раз.Осуществлено исследование [53] влияния давления исходного раствора наструктуруирабочиехарактеристикиполимерныхмикропористыхнаноматериалов на основе поли(дифенилоксидамидо-N-фенилфтальимид)а.Данный материал обладает высокой термической и химической устойчивостью[54, 55], однако структура микропористых слоев изучаемых наноматериаловостаѐтся стабильной только при превышении давления выше атмосферного неболее 0,2 МПа.

При повышении рабочего давления свыше 2 МПамикропористая структура пористого поверхностного слоя наноматериаланеобратимо уплотнялась, снижая проницаемость.Выявлено [56], что под воздействием постоянных механических нагрузоктонкослойная составляющая наноматериала с мелкопористой структурой можетзначительно и необратимо менять структуру. При этом на данный момент неустановлена однозначная связь между типом мелкопористой структурынаноматериала и его устойчивостью [57]. По мнению авторов работы [56] этосвязано с влиянием природы разделяемой среды на структуру поверхностноактивного слоя применяемого в данном аппарате наноматериала.231.1.3.Изменениеструктурыповерхностноактивныхслоевполимерных мембран в результате релаксацииВ ряде случаев большаягидрофильностиполимерногозначимостьпридавалась степени учетаматериала,изкоторогоизготовленыприменяемые в аппаратах мембраны.

Это связано с возможными процессаминабухания и релаксации пористой структуры.Как отмечается в работе [56], пористые наноматериалы для микро- иультрафильтрации зачастую выпускаются в сухом виде. В результате чего приэксплуатации исходный раствор будет оказывать пластифицирующие действияна структуру рабочего слоя наноматериала, меняя его основные рабочиехарактеристики.Аналогичные выводы были сделаны при применении не водных растворов,а органических растворителей [57, 58].Данные изменения производительности [56] можно объяснить следующимобразом.

Общая пористость используемых в высоконапорных процессахнаноматериалов рассматривается как сумма двух видов пористости:1) пористости пустот между элементами полимерного каркаса;2) пористости самого полимера, составляющего структуру исследуемогонаноматериала.Следует заметить, что в случае с гидрофильными полимерныминаноструктураминепредставляетсявозможнымпренебрегатьвторымслагаемым.

При этом происходит изменение соотношения двух видовпористости в общей пористости мембран.Замечено, что при изготовлении целлюлозно-пористых нанопленокпроисходит частичное схлопывание пор в результате капиллярной контракции,снижающее пористость мембраны. В результате сушки полимер переходит втвѐрдое состояние, удерживая внутренние напряжения от изменения пористойструктуры первичного геля. При контакте с разделяемой средой, являющейсяпластификатором для полимера, происходит частичное раскрытие пор и24восстановление исходной пористой структуры наноматериала (рис. 1.5) [56,59].

Причѐм, чем меньше размер пор, тем интенсивнее будет протекать процесс.Проведѐнные исследования [56] также показали, что одна и та же пористаяструктура наноматериала может вести себя под действием одинаковогорабочего давления в разной разделяемой среде как идеально жѐсткая, так иуплотняющаяся.Проведенные исследования [60] проницаемости этанола через полимерныемембраны при повышении концентрации этанола в исходном растворепоказали, что при поэтапном повышении концентрации этанола с 50% до 100%проницаемость была в 1,5 раза выше, чем при снижении концентрации до 0% споследующим повышением до 100%.Показано, что в случае использования в качестве исходных раствороворганических сред важно учитывать предысторию работы мембран [53].Существует и ряд других причин, в разной степени способных влиять наэффективность изучаемых процессов.

К таким причинам можно отнестиизменение структуры пористых наноматериалов под воздействием моющихсредств [61], в результате климатического старения [62] релаксация структурынаноматериалов в выходные и праздничные дни. Исследовано влияниеотдельных факторов на изучаемый процесс. Прогнозирование изменениярабочих характеристик мелкопористого наноматериала осложняется также тем,что в реальных условиях приведенные причины действуют одновременно. Вэтой связи, даже в условиях постоянных внешних факторов (давление,температура, pH, концентрация исходной среды и т.д.) создание эффективнойаналитической прогнозирующей модели процесса становится практическиневозможным.25Рис.

1.5. К объяснению процесса схлопывания пор мембраны в результатекапиллярной контракции с последующей релаксацией в рабочей среде.261.2. Модели переноса компонентов раствора через мембрануПроведѐнный анализ моделей селективной проницаемости показал, чтоосновноевлияниенапроцессыразделенияоказываетвзаимодействиеразделяемой системы с активным слоем мембраны. При этом разделительнаяспособностьединицыповерхностимикропористыхнаноматериаловопределяется термодинамическими характеристиками раствора, соотношениемразмеров пор в активном слое поверхности наноматериала, степеньюгидратированности растворителем компонентов исходных растворов в видеионов, молекул, ассоциатов, комплексонов и т.д.Следует заметить, что актуальность использования таких моделей связанас тем фактом, что изменение режимов движения разделяемой среды надрабочей поверхностью микропористого наноматериала может приводить кзначительному увеличению характеристик разделения мембран.Кнастоящемумоментубылопредложенобольшоеколичествоматематических моделей процесса разделения, однако существенного прорывав изучении механизма процесса разделения пока не произошло.

В этой связиостаѐтся востребованным качественно новое, экспериментально выверенноекомпьютерное моделирование селективной проницаемости через мембраны.Представляет интерес условное разделение на гомогенные и гетерогенныемодели мембраны. В гетерогенной модели учитываются селективные свойствакаждой поры мембраны, чтобы при помощи экспериментальных функцийраспределения пор по размерам производить интегрированный расчѐт по всемэтим порам. В случае с гомогенной моделью активный слой мембраны,который используется при изучении баромембранных процессов разделения,представляет собой «чѐрный ящик» с определѐнными параметрами разделения.Поры в такой модели условно имеют одинаковый размер и форму ранееопределѐнные экспериментально.Следует отметить, что и в том, и в другом случаях для эффективногоприменения математических моделей на практике необходимы качественно27новые, экспериментально выверенные методы исследования распределенияселективных пор по их размерам.В свою очередь применение машинной техники позволяет в настоящеевремя работать со значительно более сложными моделями.

Особый интересвызывает развитие САD/CAE-систем, а так же модели на основе теорииперколяции, клеточных автоматов, метода Монте-Карло и др.Одной из наиболее приемлемых моделей, соответствующих механизмуполупроницаемого разделения с помощью пористых наноматериалов являетсямодель капиллярно-фильтрационнойсоответствии с этой модельюселективной проницаемости.

Вна поверхности и внутри пор смачиваемыхжидкостью образуется слой связанной воды с особыми физическимисвойствами, отличающимися от свойств исходного раствора. В силуосмотического давления растворитель из исходного раствора постоянноподпитывает этот слой связанной воды, не позволяя проникать в порумолекулам или ионам более крупным по размерам, чем размеры ионов илимолекулрастворителя.Процессосуществляетсяврезультатетакогоизбирательного действия при наличии движущей силы в виде разностиосмотических давлений растворов «до» и «после» мембраны. При этомучитываетсягидратирующаяспособностьионов.Главнымвыводомкапиллярно-фильтрационной модели селективной проницаемости [2]являетсянеравенство,связывающееселективностьполупроницаемойповерхности по отношению к компонентам исходного раствора с теплотамигидратации ионов следующим соотношением:lg(1  и )  A  B lgHСГ,zМ(1.1)где А и В – константы для данного нанопористого материала при данныхдавлении и температуре; ΔНСГ – среднее геометрическое значение теплотгидратации ионов, образующих соль; zм – заряд иона, имеющего меньшуютеплоту гидратации (|zм| – валентность); υи – истинная селективность мембраныпо отношению к растворѐнному веществу.28Рис.1.6.Кобъяснениюмеханизмаполупроницаемостипористогонаноматериала.Из представленного на рисунке 1.6 графического изображения моделивидно, что для селективного разделения компонентов исходного растворадиаметр пор мембраны не должен превышать сумму удвоенной толщины слоясвязанной воды и диаметра гидратированного иона.Для успешного использования модели капиллярно - фильтрационнойселективнойпроницаемостинеобходимыдальнейшиеисследованияструктурных характеристик мембран.В основе модели переноса ионов электролита через мембрану [3]заложена система уравнений, позволяющая при помощи концентрациикомпонентов в растворе получить представление о конвективном потоке черездиффузионный слой:jn  CnG  DndCnd znCn Dndydyz C  0i  F z jnnn n(1.2)(1.3)(1.4)29где jn – поток ионов сорта n через слой; Сn – концентрация иона сорта n; y –координата, перпендикулярная потоку; zn и Dn – соответственно заряд иона икоэффициент диффузии иона сорта n;  F– безразмерный электрическийRTпотенциал; F – число Фарадея; R – универсальная газовая постоянная;T – температура.Следует отметить, что модель имеет узкий диапазон применения и скорееперспективна для разделения растворов диффузионным способом.

Характеристики

Список файлов диссертации