Физико-химические основы мембранных процессов

Единый механизм, справедливый для всех мембранных процессов, еще не разработан, поэтому каждый мембранный процесс нужно рассматривать отдельно, так как механизмы этих процессов могут резко различаться. Однако при изучении и анализе механизма любого мембранного процесса необходимо учитывать три основ­ных фактора и их взаимосвязь:

1) структуру мембраны по толщине (пористая, непористая, изотропная);

2) физико-химические свойства разделяемой системы (для растворов очень важно учитывать их основные термодинамические свойства);

3) взаимодействие разделяемой смеси с материалом мембраны.

В случае, если хотя бы один из этих факторов не будет учтен, это

может привести к принципиальной ошибке при анализе и разработ­ке модели механизма того или иного мембранного процесса.

Силы взаимодействия разделяемых веществ с полимерными мембранами могут меняться в широких пределах. Слабое взаимо­действие наблюдается, например, при проницании через мембрану газа, которое в основном определяется диффузией. Этим объясня­ются небольшие различия в скоростях проницания различных газов через однотипные полимерные мембраны. Скорость же проницания через полимеры, различные по свойствам, может различаться на пять порядков. Такая большая разница обусловлена различиями в подвижности и гибкости полимерных цепей, которые, в свою очередь, связаны с полярностью и размерами молекул.

На перенос разделяемых веществ через мембрану большое влияние оказывают структурные свойства растворителей (напри­мер, воды) и взаимодействие их с мембраной. Вода содержит связанные водородной связью молекулярные группы, состоящие примерно из сотни молекул каждая. Устойчивость таких молеку­лярных групп зависит не только от температуры, но и от природы растворенных в ней веществ, и от физико-химических свойств мембраны.

Гидрофобные мембраны стремятся оттолкнуть молекулы воды; группы со средней полярностью (СООН, NH₂, ОН, СНО) могут противодействовать тенденции молекул воды к связыванию, что приводит к разрушению групп молекул и способствует увеличению потока воды через мембрану. В гидрофильных мембранах (напри­мер, из ацетатов целлюлозы) значительная часть воды находится в связанном состоянии и не замерзает при охлаждении мембраны до — 80 °С. Подвижность этой воды ограничена, чем объясняется особенность поведения воды, находящейся в сольватной оболочке молекул полимера, образующих поры мембраны: капиллярная вода легче удаляется из мембраны, чем связанная. Это очень важно для объяснения селективности мембраны, поскольку связанная вода не может сольватировать ионы растворенных солей, а капиллярная в состоянии сольватировать эти ионы и увлекать их через мембра­ну. Повышая гидрофильность мембран с учетом особой роли воды как растворителя и проникающего через мембрану компонента раствора, можно увеличить селективность и проницаемость мемб­ран. Повысить гидрофильность полимерных мембран можно путем увеличения числа гидрофильных и снижения числа гидрофобных групп в макромолекулах полимера, из которого получают мембрану.

В зоне контакта жидкости и твердого тела действуют поверх­ностные силы (адгезия, поверхностное натяжение, молекулярное притяжение). Поэтому поверхностный (граничный) слой жидкости, связанный с материалом мембраны, по структуре и физико-хими­ческим свойствам может значительно отличаться от жидкости в объеме. Для смесей жидкостей поверхностный слой отличается от раствора в объеме еще и по составу, что играет определяющую роль при разделении смесей органических веществ.

При изменении структуры и состава раствора в поверхностном слое значения показателей некоторых его физико-химических свойств (например, вязкости, диэлектрической проницаемости) отклоняются от соответствующих значений для раствора в объеме. При этом резкое снижение диэлектрической проницаемости воды свидетель­ствует о снижении подвижности молекул воды, что приводит к снижени о растворяющей способности связанной воды. Для непо­лярных жидкостей заметного отличия от свойств в граничном слое не наблюдается.