Исследование диффузионной проницаемости обратноосмотических мембран Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ISSN 1810-0198 Вестник ТГУ, т. 16, вып.5, 2011

УДК 66.081.6-278

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИХ МЕМБРАН

© O.A. Абоносимов, С.И. Лазарев, С.А. Вязовов, А.М, Акулиничев

Ключевые слови: диффузионная проницаемость; обратноосмот ическая мембрана; растворенное вещество. В статье приведены результаты исследования коэффициента диффузионной проницаемости обратноосмотиче-ских мембран МГЛ-95К, ESPA, ОПМ-К для водных растворов белофора ОБ-жидкого и КД-2. Проанализированы и объяснены зависимости коэффициента диффузионной проницаемости мембран от концентрации, температуры и вида растворенного вещества. Получены аппроксимационные зависимости коэффициента диффузионной проницаемости мембран от концентрации, температуры и вида растворенного вещества.

ВВЕДЕНИЕ

При инженерных методиках расчета процесса обратного осмоса необходимо иметь экспериментальные данные по кинетическим параметрам массопереноса. Одной из составляющих массопереноса при обратно-осмотическом разделении является диффузионная проницаемость мембран - это процесс переноса растворенных веществ через мембрану под действием градиента химических потенциалов [1, 2].

Для количественной оценки диффузионной проницаемости введен коэффициент диффузионной проницаемости РА, который зависит от типа мембраны, раствора, концентрации и температуры.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Для того чтобы проанализировать влияние температуры и концентрации растворов белофора ОБ-жидкого и КД-2 на коэффициент диффузионной проницаемости, были проведены эксперименты с мембранами МГА-95К, ESPA, ОПМ-К при различных температурах раствора (293...313 К) и различных концентрациях растворенного вещества (20,9...68,5 кг/м3).

Исследования по определению диффузионной проницаемости мембран проводились на установке, схема которой приведена на рис. 1.

Установка состоит из трехкамерной тсрмостати-руемой ячейки I—II—III, камеры которой разделяются мембранами 1 и 2, которые фиксируются с помощью решеток из оргстекла 15, емкостей для исходных 3-5 и отработанных 6-8 растворов, магнитных мешалок 9-11. Для поддержания необходимой температуры растворов в каждую камеру были встроены змеевиковыс теплообменники 19-21, в которых циркулировала вода из термостатов 25-27.

Контроль над температурой в камерах I-II-I1I осуществляется с помощью потенциометров 22-24, подключенных к термопарам 16-18 градуировки ХК. Объем камер ячейки - 0,4-10"3 м3.

Рабочая площадь мембран составляла 2,671 (Г6 м2.

22

23

"1

[ Г,

_1

V. 16

I

25

I 17

II

~ 14

X

Гг

19, : 15 20 21

Т~ .'-,- Г I ; I

2 18 III

л10-'

□ i

L

7 !

Рис. 1. Схема установки для исследования диффузионного потока: 1.2- мембраны; 3-5 - емкости для исходных растворов; 6-8 - емкости для отработанных растворов; 9-11 - магнитные мешалки; 12-14 измерительные капилляры; 15 -решетки; 16 18 термопары; 19-21 - змеевиковыс теплообменники; 22 24 - потенциометры; 25-27 - термостаты

Материал выполнения камер 1-11-111 - полимстилмс-гакрилат (ПММА).

Исследования по определению коэффициента диффузионной проницаемости осуществляются по следующей методике. Предварительно подготовленные мембраны размещаются в трехкамерной ячейке. Камеры 1-111 заполняются раствором необходимой концентрации. Для установления стационарного диффузионного потока растворы остаются в камерах продолжительное время (10... 14 ч), а затем сливаются. После этот камеры ячейки в течение 15 минут промываются дистиллированной водой. Затем проводят заполнение камер (1—111) раствором необходимой концентрации с помощью емкостей исходных растворов 3-5. После этого включают магнитные мешалки для интенсивного перемешивания растворов во время эксперимента.

После проведения эксперимента производят отбор проб из камер 1-Н-Ш через емкост и отработанных

ISSN 1810-0198 Вестник ГГУ, т. 16, вып.5, 2011

Сио<кг/м3)

а)

С„„(кг/м3)

б)

Рис. 2. Зависимость диффузионной проницаемости Р^ мембраны МГА-95К от исходной концентрации С„„ и температуры Г раствора белофора: а - белофор ОБ-жидкий; б - белофор КД-2.--эксперимент,----расчет. 1, 2 - Т = 313 К, 3,

4 - Т= 305 К, 5, 6 - Т= 298 К, 7. 8 - Т= 293 К

растворов 6-8. После определения концентрации растворов до и после эксперимента рассчитывают диффузионную проницаемость мембран.

Коэффициент диффузионной проницаемости Рд рассчитывали по формуле

* (С,-С2)-^. т'

где Уг - объем растнора в И камере; 8 - толщина набухшей мембраны; Рм - рабочая площадь набухшей мембраны; С, > - концентрации растворенного вещества в камерах I и II; т - время проведения эксперимента.

Зависимости диффузионной проницаемости от концентрации и температуры раствора белофора ОБ-жидкого и КД-2 представлены на рис. 2-4.

Для мембран ОПМ-К и МГЛ-95К с увеличением концентрации белофора ОБ-жидкого и КД-2 диффузионная проницаемость падает. Также видно, что для мембран МГА-95К диффузионная проницаемость несколько меньше, чем для мембран ОПМ-К, при прочих равных условиях. Это связано с тем, что на величину и на вид зависимостей диффузионной проницаемости от

Сйс<(кг/м3)

а)

СиеЛкг/м3)

б)

Рис. 3. Зависимость диффузионной проницаемости Л/ мембраны НБРА от исходной концентрации С'„„ и температуры Т раствора белофора: а - белофор ОБ-жидкий; б - белофор КД-

2.--эксперимент,----расчет. 1, 2 - Т = 313 К,

3,4 - Т- 305 К, 5. 6 - Т-298 К, 7. 8 7"= 293 К

концентрации внешнего раствора основное влияние оказывает природа мембран и распределение нор по радиусу в слое мембран. Анализируя зависимости диффузионной проницаемости от концентрации растворов, необходимо также иметь в виду, что эта величина зависит от большого числа факторов, таких, как характер взаимодействий растворенного вещества-растворителя, растворенного вещества-мембраны, растворителя-мембраны и, как уже отмечалось выше, природы мембран и растворов 13]. Для мембран ОПМ-К при небольших концентрациях, вероятно, преобладающее значение имеют сорбционные факторы. С увеличением концентрации внешнего раствора поровое пространство уменьшается, а т. к. проницание через мембраны осуществляется в основном вязким течением через поры, а проницание через материал мембраны вероятно пренебрежимо мало, то диффузионная проницаемость также уменьшается [4]

Одновременно с вышесказанным можно отметить, что, анализируя зависимость диффузионной проницаемости от концентрации, также необходимо иметь в виду, что растворимое вещество может диффундировать в мембране как через поровое пространство, заполненное раствором, так и через аморфные области набухшей мембраны.

ISSN 1S10-0198 Вестник ТГУ. тЛ6. вып.5, 2011

С„г,(КГ/М3)

а)

б)

Рис. 4. Зависимость диффузионной проницаемости Рц мембраны ОПМ-К от исходной концентрации С'иа и температу ры Т распюра белофора: а - белофор ОБ-жидкий; 6 - белофор КД-2.--эксперимент,----расчет. 1,2- 7"= 313 К,

3,4 - Т= 305 К, 5,6 - Т = 298 К, 7, 8 - Т- 293 К

где А. В.т- эмпирические коэффициенты; С - концентрация растворенного вещества, Та Г-репернам (принятая нами 293 К) и рабочая температура разделяемого раствора.

Формула для теоретического расчета коэффициента диффузии имеег следующий вид

= (3)

где С - концентрация вещества в мембране.

ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования коэффициента диффузионной проницаемости обратиоосмотических мембран в зависимости от типа мембран, растворов, концентрации и температуры.

2. Проанализированы и объяснены зависимости коэффициентов диффузионной проницаемости мембран МГА-95К, ESPA и OIIM-K от концентрации и температуры для водных растворов белофора ОБ-жидкого и КД-2.

3. Получены аггпроксимациоиные зависимости коэффициента диффузионной проницаемости мембран от концентрации и температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1- Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жндкМ смесей. М.: Химия. 1975 252 с,

2. Хваиг С.-Т., Канмермейер К. Мембранные процессы разделения I пер. с англ. под ред. Ю.И. Дыгнерского. М.: Химия, 1981. 464 с.

3. Николаев НИ. Диффузия в мембранах, М.: Химия, 10SÓ 232 с.

4 Чалых А.Е.. Злпбин В.К Современные предъявления о диффузии н полимерных системах // Успехи химии. 19ЯЯ. Т. 57. Вып. 6. С. 903928.

5. Ча*ых А.Е. Диффузия и полимерных системах. М.: Химия, 1987.

312 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-псдагогичсскис кадры инновационной России на2010-2012 гг.».

С повышением температуры раствора белофора ОБ-жидкого и КД-2 диффузионная проницаемость мембран ESPA, ОПМ-К и МГА-95К увеличивается [5]. С увеличением температуры вязкость растворов несколько падает, также происходит разрушение объемных структур раствора (димеров, тримеров) диффузионных и пограничных сдоев мембраны, что, в спою очередь, тоже влияет на увеличение диффузионной проницаемости мембран.

Для расчета коэффициента диффузионной проницаемости принята апп роке им анионная зависимость

Рд = А-ехр(В-С)

( j \

■о;

(2)

Поступила в редакцию 22 июля 2011 г. ■

Abonosimov OA., Lazarev S.I., Vyazovov S.A., Akulini-chev A.M. STUDY OF DIFFUSION PERMEABILITY OF REVERSE OSMOSIS MEMBRANES

The article presents the results of a study of the diffusion permeability coefficient of permeability of reverse osmosis membranes MGA-95 K, ESPA, OPM-1C for aqueous solutions Selofor OB-Liquid and KD-2. The diffusion coefficient of membrane permeability on the concentration, temperature and type of solute are analyzed and explained. The approximation coefficient of diffusion permeability of concentration, temperature and type of solute are obtained,

Key words; diffusion constant; reverse osmosis membranes; the solute.