Методы мембранного разделения

Перенос веществ через мембраны может происходить под действием:

- разности концентраций;

- разности электрических потенциалов по обе стороны мембраны;

- разности давлений.

Метод мембранного разделения, использующий в качестве движущей силы процесса разность концентраций вещества на границах мембраны, называют диализом, а, метод, использующий разность электрических потенциалов по обе стороны мембраны, – электродиализом. Перепад давления по обе стороны мембраны лежит в основе баромембранных методов разделения: микрофильтрации, ультрафильтрации, обратного осмоса и нанофильтрации.

Диализ

Диализ (от греч. – отделение) основан на диффузионном транспорте веществ через мембраны. Для количественного описания диализа используют уравнения диффузии Фика.

Первый закон Фика позволяет описать стационарный процесс с помощью уравнения (1).

(1)

– плотность потока вещества через мембрану, – приращение количества вещества в приемной секции диализатора, – поверхность мембраны, – время, – коэффициент диффузии вещества в мембране, 1 и 2– концентрации вещества в мембране на границе с исходной и приемной секциями электродиализатора, – толщина мембраны.

Уравнение (1) показывает, что разделяемые при диффузии компоненты движутся от больших концентраций в исходной секции к меньшим концентрациям в приемной секции. Если диффузионный поток одного из компонентов значительно отличается от потоков других компонентов, то его легко выделить из их смеси.

Впервые диализ применил Нолле, установивший в 1748 году, что мембрана из свиного пузыря избирательно пропускает молекулы воды из водно – спиртового раствора. Избирательная диффузия воды через мембраны была им названа осмосом. Критическим моментом в становлении коллоидной химии стало применение Т. Грэмом в 1856 году пергаментных мембран из модифицированной целлюлозы для отделения и очистки коллоидных растворов от истинных растворов.

Молекулярная диффузия – медленный процесс, и для ее ускорения природа создала много дополнительных механизмов. Один из самых эффективных – процесс облегченной диффузии. При облегченной диффузии переносимое вещество вступает в реакцию с другим веществом – переносчиком, образует с ним комплекс, который имеет более высокий коэффициент диффузии. Особенность переносчика заключается в том, что он не покидает мембрану вместе с переносимым компонентом, а остается в ней и вновь используется для нового транспортного акта. Например, гемоглобин является переносчиком кислорода и увеличивает скорость диффузии в 80 раз. Технологическое использование явления облегченной диффузии только начинается, однако уже сейчас применяется процесс, в котором катионообменная перфторированная мембрана, имеющая в качестве подвижных ионов (противоионов) водородные, переносит аминокислоту почти в три раза быстрее, чем мембрана с ионами натрия в качестве противоионов. Причиной этого является образование аминокислотой катионного комплекса с подвижными водородными ионами, выполняющими функции переносчика. Образованный таким образом катион аминокислоты имеет большее преимущество при диффузии в катионообменной мембране, чем биполярный ион аминокислоты.

Диализ электролитов имеет свои особенности в связи с переносом заряженных частиц – ионов. Например, если катионы имеют более высокую подвижность, чем анионы, то они опережают их при диффузии. Стремление более подвижных катионов уйти от менее подвижных анионов (или наоборот) приводит к незначительному разделению в пространстве зарядов, создающему разность электрических потенциалов, называемую диффузионным потенциалом.

Диффузионный потенциал препятствует дальнейшему разделению ионов, и они диффундируют вместе. Диализ применяют для удаления кислот или оснований из сточных вод.

Поскольку молекулярная диффузия электролитов – медленный процесс, то для ее ускорения была использована взаимодиффузия катионов в катионообменной или анионов в анионообменной мембранах. Например, для ускорения транспорта катионов из раствора через мембрану в приемную секцию помещают раствор электролита с общим анионом, но с катионом, который не влиял бы на качество очистки раствора в исходной секции. Например, для умягчения воды можно в приемную секцию поместить раствор хлорида натрия. Противоположно направленные потоки катионов кальция и натрия через катионообменную мембрану не тормозятся потоками анионов, которые остаются при взаимодиффузии на месте. Мембранный метод, использующий взаимодиффузию, был назван доннановским диализом в честь Доннана, исследовавшего особенности равновесия на границах селективной мембраны и раствора. Доннановский диализ находит применение для удаления из разбавленных сточных и производственных растворов изотопов 137Cs, 90Sr, ртути, свинца, цинка, меди, серебра, никеля, кадмия, хрома.