Влияние поверхностного заряда и структурных изменений воды в тонких порах мембран на обратно-осмотическое разделение растворов электролитов

• Автор: Айткулиев, Курбанкули
• Шифр специальности: 02.00.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 161 c. : ил

1.1. Мембраны для обратного осмоса.

1.2. Изменение структуры воды в тонких

порах мембран

1.3. Физикохимический механизм

обратного осмоса

1.4. Теория обратного осмоса .

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Выбор модельной системы

2.2. Экспериментальная установка .

2.3. Определение концентраций растворов

электролитов и их смесей

2.4. Измерение потенциала течения и электропроводности растворов электролитов
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА
ОЕРАТНООСМОТМЕСКИХ МЕМБРАН.
3.1. Методика обработки результатов электрокинетических измерений .
3.2. Измерение электропроводности раствора
в порах мембран
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ РАСТВОРОВ ЧЕРЕЗ
ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
4.1. Скорость фильтрации растворов
через стеклянные мембраны
4.2. Изменение вязкости растворов з
порах мембран
4.3. Зависимость селективности мембран
от скорости течения раствора
4.4. Расчеты параметров мембранного
разделения К , Ф0 и X ц.
ГЛАВА. 5. МЕХАНИЗМ СЕЛЕКТИВНОСТИ ОБРАТНО
СО,ГОТИЧЕСКИХ МЕМБРАН.
5.1. Зависимости селективности от концентрации растворов электролитов .
5.2. Селективность обратноосмотических мембран по отношению к растворам
сахарозы
5.3. Физикохимический механизм мембранного
разделения. НО
5.4. Обратноосмотическое разделение многокомпонентных растворов
В ы в о д ы.
Л и т е р а т у р а.
Приложение
ВВЕДЕНИЕ
Одной из задач современной химической технологии является разделение компонентов растворов и жидких смесей. Для решения этой задачи используются такие традиционные методы как ректификация, экстрагирование, дистилляция и т.др. Эти методы основаны на различии физикохимических параметров разделяемых компонентов температуры кипения, растворимостей и используют явление фазовых превращений. Поэтому аппаратурное оформление этих процессов довольно сложно и энергоемко 1,2 .
С ростом народонаселения и развитием промышленности встали новые проблемы обеспечение пресной водой населения, концентрирование продуктов в пищевой промышленности, очистка биологически активных веществ в медицине, очистка сточных вод и т.др. 2 . Для получения пресной воды используются дистилляция, вымораживание, при этом около половины опресняемой воды в мире приходится на дистилляцию 1 . Решение комплекса возникших проблем традиционными методами химической технологии становится все более затруднительным. Весьма перспективным в этом отношении оказались методы мембранного разделения.
Мембранное разделение водных растворов находит в настоящее время все более широкое применение для опреснения воды и очистки сточных вод различных производств. Мембранные методы являются весьма перспективными практически во всех отраслях народного хозяйства. Например, применение полупроницаемых мембран открывает широкие возможности в решении важнейшей технической и экологи ческой проблемы современности охраны окружающей среды 1
К мембранным методам относятся обратный осмос , ультрафильтрация УФ, электродиализ и ионный обмен 4,3 . Метод находит применение для опреснения солоноватых вод, очистки сточных вод промышленных предприятий, концентрирования и извлечения редких ценных компонентов из сточных вод 2. .
Накопленный экспериментальный материал и технологическое применение мембран привело к формированию новой научной дисциплины мембранологии. Однако, до сих пор полностью не раскрыт меха низм мембранных процессов. Хотя число экспериментов с обратноосмотическими мембранами велико и продолжает расти, до настоящего времени не проводилось систематических исследований, целью которых было бы направленное изучение различных физикохимических механизмов солезадержания.
Целью работы является выяснение механизма селективности об ратноосмотических мембран, т.е. выяснение вклада в суммарный эффект разделения растворов электролитов заряда поверхности пор мембраны и пониженной растворяющей способности жидкости в тонких порах, связанной с действием полей поверхностных сил на гранич ные слои растворителя, приводящего к изменению его структуры.
Актуальность


Широкое применение находят также мембраны из пористого стекла. Гидрофильность поверхности, стойкость к химическому воздействию, постоянство пористой структуры основные достоинства этих мембран. Пористые мембраны получают из натриевоборосиликатного стекла, в котором одна из фаз удаляется растворением. Эти мембраны не изменяют своих свойств в широком интервале от I до , обладают высокой прочностью на сжатие до 0 кгссм. Большее распространение получили стеклянные мембраны в виде
капилляров со внутренним диаметром около 0,5 мм и внешним приблизительно I мм. Для разделения растворов применяются мембраны
со средним радиусом пор около А и узким распределением пор по размерам. Еще более узким распределением пор по размеру отличаются ядерные мембраны, получаемые в результате облучения пленочных материалов тяжелыми ионами. К сожалению, пока удается получать ядерные
мембраны только со средним размером пор более 0 А. В таблице I приводятся основные характеристики отечественных и некоторых зарубежных обратноосмотических мембран. Эффект обратноосмотического разделения водных растворов основан на том, что растворитель вода лучше проникает через тонкие поры мембраны, чем растворенные молекулы или ионы. Это связано не только с тем, что различна энергия взаимодействия молекул растворителя и растворенного вещества с поверхностью пор мембраны, но также с особым состоянием воды в тонких порах гидрофильных обратноосмотических мембран, отличающимся от ее состояния в объеме раствора. Пониженная растворяющая способность воды в тонких порах также может являться одной из причин снижения концентрации раствора при его продавливании через тонкие поры мембраны. Изменение структуры воды в тонких порах и граничных слоях происходит в результате взаимодействия ее молекул с активными цент рами на твердой гидрофильной поверхности. Таблица 1. Стеклянная Натриевоборосиликатное стекло 0, 0,5
прослеживаются методом молекулярной динамики, позволяющим полу нить распределения плотности кислородных и водородных атомов молекулы воды в тонких прослойках, ориентации дипольных моментов, энергии и среднего числа межмолекулярных связей 6 . А и более. Результаты численных экспериментов хорошо согласуются с экс периментальными исследованиями различных физических свойств воды в тонкопористых телах и отдельных тонких капиллярах. Прямые измерения вязкости воды в тонких кварцевых капиллярах радиусом менее 0,5 мкм ,. В наиболее тонких гидрофильных порах вязкость оказывается повышенной в 1,5 т 2 раза. ЯМР 4, . Измерения теплового расширения воды в тонких порах между частицами спрессованного аэросила позволили обнаружить повышенную при
мерно на I 1,5 плотность воды в тонких 7. А порах , . Г , . А, что свидетельствует об укреплении структуры воды в одиночных граничных слоях , . В случае тонких пор, когда граничные слои, принадлежащие сближающимся поверхностям, перекрываются, из наблюдений направления термоосмотического течения воды в тонкопористых стеклах в горячую сторону следует вывод об ослаблении энергии межмолекулярных связей в тонких гидрофильных порах. Как известно, при разрушении ажурной структуры объемной воды обязанной существованию сети направленных водородных связей, например, при ее нагревании растворяющая способность воды снижается. Ослабление структуры воды в тонких гидрофильных порах, следующее из термоосмотических опытов, может объяснить понижение растворяющей способности воды в тонких порах гидрофильных обратноосмотических мембран. Механизм обратноосмотического разделения водных растворов пока изучен недостаточно. Существует несколько гипотез, не объясняющих однако всей совокупности известных экспериментальных результатов С 4 , 2, . Эта гипотеза в настоящее время признана несостоятельной ввиду того, что размеры пор обратноосмотических мембран много больше радиуса молекул и гидратированных ионов. Тем не ме нее обратноосмотическая мембрана обладает очень высокой задерживающей способностью. Более обоснованной является диффузионная гипотеза, учитывающая различную подвижность растворенного вещества и растворителя в порах мембран.