CC BY
10УДК 66. 083. 3
С.В. Ковалев, К.С. Лазарев, М.С. Селезнева, И.В. Котельникова
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСМОТИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАН В ВОДНОМ
РАСТВОРЕ СУЛЬФАТА ЖЕЛЕЗА
(Тамбовский государственный технический университет) e-mail: sslldd@rambler.ru
В настоящей работе разработана методика и установка для проведения экспериментальных исследований осмотической проницаемости мембран в мембранных аппаратах с плоскими каналами в проточном режиме в зависимости от концентрации и температуры раствора.
Ключевые слова: мембрана, осмос, проницаемость
При математическом моделировании работы мембранного аппарата в расчетах используют коэффициент самодиффузии воды и коэффициент диффузии вещества в мембране. Однако данные величины экспериментально определить сложно, поэтому в расчетах используют коэффициент осмотической проницаемости. Зная коэффициент осмотической проницаемости, можно оценить вклад осмотического потока в массопе-ренос. Коэффициенты осмотической проницаемости можно определить экспериментальным путем. Для этой цели существуют мембранные ячейки различных типов. Наиболее простой является плоскокамерная ячейка [1]. Недостатком данной ячейки является то, что в ней не отражается гидродинамика реального аппарата, хоть и поддерживается режим перемешивания. С целью устранения недостатков ранее разработанной конструкции ячейки [1] решены вопросы проектирования и монтажа проточной установки оснащенной мембранным элементом с плоскими каналами, приведенной на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Схема экспериментальной проточной установки для исследования диффузионной и осмотической проницаемости мембран
Fig. 1. Scheme of the experimental setup for studying the diffusion and osmotic permeability
Рис. 2. Экспериментальная проточная установка для исследования диффузионной и осмотической проницаемости мембран Fig. 2. Experimental flow system for the study of diffusion and osmotic permeability
Установка состоит из диффузионно-осмотической ячейки с плоскими каналами 1, термо-статируемой емкости дистиллированной воды 2, термостатируемой емкости исходного раствора 3, термометра 4, контактного термометра 5 (рис. 1).
Экспериментальные исследования проводились на промышленно выпускаемых мембранах, типы и рабочие характеристики которых приведены в таблице.
Основным элементом установки (рис. 2) является ячейка 1, показанная на рис. 3. Она состоит из двух камер с плоскими каналами, образованными фланцами 2 и средней частью диффузионной ячейки 1. Для придания жесткости конструкции диффузионно-осмотическая ячейка снабжена пластинами 3, которые стягиваются шестью болтами 7 с гайками 8 и шайбами 9. На нижней и верхней средней части диффузионно-осмотической ячейки 1 имеются штуцер 5 для ввода исходного раствора и штуцера 4 вывода раствора. Также на внешней поверхности фланца 2 вмонтированы на резьбе два штуцера 6. Фланцы, средняя
часть диффузионной ячейки, штуцера были изготовлены из капролона.
Таблица
Рабочие характеристики мембран Table. The performance of membranes
Тип мембраны МГА-95 1МГА-80П ОПМ-К 1 ESPA
Материал мембраны ацетатцеллюлоза полисульфонамид
Рабочее давление, МПа 5,0 5,0 5,0 5,0
Удельная производительность, м3/м2-с 1ДЫ0-5 1,75-10-5 1,410-5 1,25-10-5
Коэффициент задержания по 0,15% №С1, не менее 0,95 0,80 0,92 0,98
Рабочий диапазон, рН 3 - 8 2 - 11 2 - 11 3 - 10
Максимальная температура, °С 50 45 45 45
Производитель «Владипор», г. Владимир «Hydranautics», США
ливали три литра дистиллированном воды соответственно. Включали экспериментальную установку и задавали определенную температуру в обеих емкостях с помощью контактного термометра 5, затем выводили установку на рабочий режим, постоянная температура в термостатируе-мых емкостях и ячейке поддерживалась с помощью нагревателей, встроенных в емкости. Дополнительно за температурой растворов осуществлялся визуальный контроль с помощью термометров 4. Циркуляция и перемешивание растворов в камерах осуществлялась насосами. Рабочая площадь мембран составляла 0,0088 м2.
Подача раствора в ячейку с плоскими каналами из разных термостатируемых емкостей осуществлялась прямотоком (рис. 4).
Бход
"дистиллирово
Выход
дистиллированной
б_
Вход
дистиллированное воды
Вход сходного аствора
Рис. 3. Двухкамерная диффузионно-осмотическая ячейка Fig. 3. Two-chamber diffusion-osmotic cell
При экспериментальном исследовании осмотической проницаемости обратноосмотическая мембрана 11, во избежание прогиба под действием температурных напряжений, зажималась между сеткой турбулизатором 10 и сеткой турбулиза-тором 12, упираясь в прокладку 13, которые соответственно были зажаты между поверхностью средней части диффузионной ячейки 1 и фланцами 2.
Методика проведения экспериментов по определению осмотической проницаемости мембран заключалась в следующем.
В термостатируемую емкость, снабженную насосом и мешалкой исходного раствора 3 (рис. 1) заливали три литра исследуемого раствора с определенной концентрацией, во вторую термо-статируемую емкость 2 с насосом и мешалкой за-
Рис. 4. Двухкамерная диффузионно-осмотическая ячейка с
прямоточной подачей растворов Fig. 4. Two-chamber diffusion-osmotic cell with a straight-feed solutions
Циркуляция и перемешивание растворов в камерах осуществлялись насосами. Эксперимент проводился с продолжительностью 2 - 5 часов. По окончании эксперимента отбирались пробы и подвергались анализу.
Осмотический поток растворителя через мембрану рассчитывали по следующей формуле:
P
J = росм (С - С ) ,
осм ^ ' 1 2 / '
(1)
где Зосм - осмотический поток растворителя, м/с; Роем - коэффициент осмотической проницаемости, м5/кг-с.
Коэффициент осмотической проницаемости рассчитывался по объему перенесенного растворителя и рабочим параметрам [1, 3]:
Р , (2)
осм (С -С2) • Бм-г где АУ - объем перенесенного растворителя, м3.
В работе были проведены эксперименты по определению коэффициентов осмотической проницаемости обратноосмотических мембран
Po™*1013. МГА-95
м5/кг с
1 -I-1-1-1-1-,
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1
С„п„ кг/м3
РосрЛО13, ОПМ-К
м5/кг с
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1
Смех, кг/м3
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1
Сиси, кг/м3
Ро™*1013, МГА-80П
м5/кг с
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1
Сим, кг/м3
Рис. 5. Зависимость коэффициента осмотической проницаемости мембраны МГА-95, ОПМ-К, ESPA и МГА-80П от концентрации и температуры водного раствора сульфата железа Fig. 5. Dependence of the osmotic permeability of the membrane MGA-95, OPM-K, ESPA, and MGA-80P on the concentration and temperature of aqueous solution of ferrous sulfate
МГА-95, ОПМ-К, ESPA, МГА-80П для водного раствора FeSO4 с исходными концентрациями соли в растворе 0,2; 0,3; 0,5; 0,75, 1,0 кг/м3 при температурах 295; 303; 311; 318 °К. Полученные экспериментальные данные приведены на рис. 5.
На рис. 5 представлена экспериментальная зависимость коэффициента осмотической проницаемости от концентрации. С увеличением концентрации из-за сорбции мембранами растворимых веществ происходит процесс изменения пористости структур (из-за набухаемости мембран, сужения диаметра пор) и как следствие - снижение коэффициента осмотической проницаемости.
Из экспериментальных зависимостей коэффициента осмотической проницаемости от исходной концентрации соли в растворе (рис. 5) видно, что при увеличении температуры осмотическая проницаемость увеличивается.
Данная экспериментальная установка предназначена для исследования осмотической проницаемости полимерных мембран для одно-компонентных и многокомпонентных растворов. Также на ней можно проводить эксперименты по изучению влияния изменения гидродинамики потоков (прямоток, противоток), использования тур-булизирующих вставок и наложения электрических и температурных полей на разделяемый раствор.
ВЫВОДЫ
1. В настоящей работе разработана установка и методика для исследования осмотической проницаемости в мембранных аппаратах с плоскими каналами.
2. Из экспериментальных данных, представленных в работе, видно, что осмотическая проницаемость падает с ростом исходной концентрации соли в растворе. Также анализируя экспериментальные данные, можно сделать вывод о том, что осмотическая проницаемость по раствору сульфата железа возрастает с ростом температуры раствора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Коновалов В.И. Исследование диффузионной и осмотической проницаемости полимерных мембран / Тамб. Ин-т хим. Машиностр. Тамбов. 1989. 12 с. Деп. В ОНИИТЭХИМа № 807-хп 89. Lazarev S.I., Korobov V.B., Konovalov V.I. Investigation of diffusion and osmotic permeability of polymeric membranes / Thumb. Institute of Chemical Engineering. Mashi-nostr. Tambov. 1989. 12. Dep. in ONIITEHIMa № 807-hp 89.
2. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М.: Химия. 1980. 232 с.
Nikolaev N.I. Diffusion in membranes. Moscow: Chemistry. 1980. 232 p.
3. Лазарев С.И., Горбачев А.С. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2005. Т. 48. Вып. 2. С. 113-115. Lazarev S.I., Gorbachev A.S. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2005. V. 48. N 2. P. 113-115.
4. Рейтлингер С. А. Проницаемость полимерных материалов. М.: Химия. 1974. 272 с.
Reitlinger S.A. The permeability of polymeric materials. Moscow: Chemistry. 1974. 272 р.
УДК 541.В:546.76:549.76
Г.К. Шурдумов, Ю.Л. Карданова
СИНТЕЗ ВОЛЬФРАМАТА МЕДИ В РАСПЛАВАХ СИСТЕМЫ (Li2WO4-Na2WO4^T.-CuSO4
(Кабардино-Балкарский государственный университет) e-mail: shurdumova_m@mail.ru, kyl.85@mail.ru
В работе приводятся экспериментальные данные по разработке рационального способа получения вольфрамата меди и его синтезу и идентификации в расплавах системы (Li2WO4-Na2WO4)эвт,-CuSO4.
Ключевые слова: синтез, вольфрамат меди, термический анализ, диаграмма плавкости
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИНТЕЗА ВОЛЬФРАМАТА МЕДИ В РАСПЛАВАХ СИСТЕМЫ (Li2WO4-Na2WO4)эвт.-CUSO4
Вольфрамат меди обладает рядом практически полезных свойств (катализатор в неорганической и органической химии, низкоразмерный антиферромагнетик др.) [1-3]. Его способность давать ионно-ассоциативные комплексы с органическими основаниями в кислой среде в присутствии поливинилового спирта лежит в основе высокочувствительного спектрофотометрического метода определения меди в природных водах и биологических объектах [4]. Наряду с его регулируемым восстановлением смесями водяных паров и водорода удалось получить серию составов типа Cu-WO2 и Си-^ имеющих значения для металло-керамической технологии и пригодных для порошковой металлургии [5]. Представляют интерес также некоторые фазы - производные от вольфра-мата меди, среди которых укажем Си^Об - основной вольфрамат меди, впервые синтезированный авторами работы [6], обладающий смешанной ионно-электронной проводимостью с преобладанием электронной составляющей [7]. Другая группа подобных фаз - оксидные вольфрамовые бронзы меди типа Си^Об (х=0,26; 0,34; 0,77), полученные электролизом расплавов смеси CuWO4 и WOз, при 800°С [8] и др.
В то же время, несмотря на приведенные интересные сведения о применении вольфрамата меди, он, как показывает всесторонний анализ проблемы, остается малоизученным объектом химии и физики вольфраматов d-блока, что в определенной степени связано с отсутствием рацио-
нальных методов его получения в высокочистом состоянии. В связи с этим отметим, что известен ряд способов синтеза вольфрамата меди, основанных на обменных реакциях в водных растворах Си804-5Н20 с Na2WO4 и H2WO4 с Си2(ОН)2СОз[9] и твердофазном взаимодействии оксида меди с оксидом вольфрама(У1) [10], которые, однако, страдают рядом недостатков. В частности, как показывает эксперимент, при жидкофазном синтезе вольфрамата меди получается плохо фильтруемый мелкокристаллический осадок CuWO4, с низким содержанием основного вещества (около 98%). Явление это общее и характерное для водной технологии синтеза вольфраматов элементов d-блока и связано с гидролитическими процессами [11, 12], вытекающими из химической природы реагентов - растворимых солей d-элементов -производных от т-кислотных слабых оснований и п-основных сильных кислот и вольфраматов щелочных металлов - солей от сильных однокислот-ных оснований и слабой двухосновной вольфрамовой кислоты.
В соответствии с этим, указанные соли подвергаются гидролизу - первые по катиону (повышение концентрации ионов водорода), вторые -по аниону (повышение концентрации гидроксоа-нионов), что наглядно иллюстрируется приводимыми ниже уравнениями гидролитических процессов в водных растворах CuSO4 и №^04:
2Си804 + 2Н2О = [Си (0Н)^04 + ^804 (1) Na2W04+H20 = NaHW04+ №0Н (2)
Вследствие этого, например, рН 1М растворов CuSO4 и Na2W04 имеют значения 5 и 9,4 соответственно. При этом при сливании растворов Си804 и в процессе синтеза CuWO4 на
