Вплив концентраційної поляризації
Концентраційна поляризація – це явище збільшення концентрації у тонкому примембранному шарі внаслідок того, що швидкість підведення речовини у розчині вище швидкості його дифузії.
Явище концентраційної поляризації, а у випадку ультрафільтрації – гелеутворення – негативно впливає на затримуючу здатність та проникність мембран через наступні причини:
1. зменшується ефективна рушійна сила процесу;
2. утворюються осади малорозчинних солей та селевих шарів, що призводить до зменшення проникності та терміну експлуатації мембран.
Концентраційна поляризація пов’язана з гідродинамікою в потоці над мембраною. Чим більша швидкість потоку і його турбулентність, тим менша товщина концентраційного шару біля поверхні мембрани.
Сучасні мембранні технології
Каталітичні мембранні реактори
У каталітичних мембранних реакторах процеси мембранного розділення суміщені з каталітичними реакціями розкладу речовини. Дія каталітичних мембранних реакторів основана на тому, що при фільтруванні суспензії, яка містить потенційні каталітично-активні добавки. На пористій мембрані, розмір пор якої менше каталізаторних частинок, що утворюють шар із цих частинок. При певних умовах, наприклад, при опроміненні УФ-випромінюванням такий шар володіє каталітичною дією. Такі каталітично активні мембрани можуть забезпечити очищення води не лише за рахунок мембранного розділення, а й окислення органічних речовин. При цьому мембраною затримуються як проміжні, так і продукти каталітичної деструкції.
Матричні мембрани
Технологія матричних мембран передбачає створення мембрани, яка володіє контрольованою селективністю до конкретної речовини. Такі мембрани отримують із молекулярно-інтегрованих матричних полімерів. Тут використовують полімеризацію функціональних мономерів в присутності цільового компоненту, що вилучається і над матрицею. Молекула матриці «вмерзає» в полімерну сітку, навколо неї формується особлива впорядкованість функціональних груп. При наступній екстракції матриця вимивається і залишає порожнину, яка за своїми розмірами, специфічним розташуванням функціональних груп повністю відповідає молекулі матриці. Відбувається формування так званої «полімерної пам’яті» - мембрана на молекулярному рівні здатна ефективно розпізнавати і вилучати молекули матриці навіть із багатокомпонентного розчину. Часто матричні мембрани використовують для вилучення пестицидів, гербіцидів, амінокислот, нуклеотидів для отримання високочистої води, звільненої від токсичних речовин.
Елетродіаліз
Це процес переносу йонів через селективно іонообмінні мембрани під дією постійного електричного струму. Швидкість переносу визначається силою струму, щоб перенести його із менш концентрованого розчину у більш концентрований необхідно прикласти до мембрани різницю потенціалів.
Під час проходження струму через мембрану на границі розчин-мембрана виникає скачок потенціалу, що призводить до поляризації мембрани. При цьому енергія затрачається на перенос йонів, на подолання стрибка потенціалу, що викликається концентраційною поляризацією, на компенсацію джоулевої теплоти, яка виділяється при проходженні струму через розчин з великим опором і на протікання приелектродних реакцій. На катоді відбувається утворення лугу, а кислоти – на аноді. При наявності хлоридів у воді біля аноду виділяється хлор. На рисунку 1 збражена схема електродіалізного апарату.
1 – вирощувальна камера; 2 – ділюатна камера; 3 – відведення аноліту; 4 – анод; 5 – приелектродна камера; 6 – катод; 7 – відведення католіту; 8 – прокладки турбілізатору
Рисунок 1 – Схема елктродіалізного апарату.
В ділюатних камерах відбувається знесолювання, а в розсільних – концентрування. Розсільні та ділюатні камери утворюють комірку. Герметичність камери забезпечується спеціальними прокладками. В промислових апаратах між електродами розміщують від 200 до 500 комірок. Всі комірки послідовно живляться постійним електричним струмом і паралельно або послідовно – водою, що знесолюється. В такому апараті два електрода обслуговують велику кількість камер.
В роботі електродіалізного апарату основним вважається перенос протилежно заряджених йонів, а в значно меншій степені – перенос однойменно заряджених йонів. Крім основного переносу, є ще наступні:
1)дифузійна проникність. В процесі електродіалізу може відбуватись зворотня дифузія через мембрану. Це зменшує ефективність процесу. Кількість електроліту, що про дифундувало через 1 см2 поверхні мембрани за 1 секунду називається її проникністю.
2)осмотична проникність. Це самочинне проникнення води через мембрану в розсіл. Доповнює осмотичні проникність і електроосмос. Електроосмотична проникність – це перенос води через іонітну мембрану із знесолюваної води в розсіл під дією електричного струму.
Зазвичай електроосмотична проникність характеризується числом переносу розчинника подібним числом переносу йонів.