Исследование сорбции мембран ОПМ-К, ESPA и МК-40 в водном растворе белофора ОБ-жидкого

УДК 544.726

ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ МЕМБРАН ОПМ-К, ESPA И МК-40 В ВОДНОМ РАСТВОРЕ БЕЛОФОРА ОБ-ЖИДКОГО

С.И. Лазарев, С.А. Вязовов

Lazarev S.I., Viazovov S.A. Research of the sorbtion of membranes OPM-K, ESPA and MK-40 in water solution belofora OB-liquid. The authors carried out the researches on the influence of concentration and temperatures on sorbtion capacity of a water solution OB-liquid in membranes. It is established, that sorbtion capacity of membranes increases with the growth of concentration of an initial solution, and decreases with the growth of temperature.

При расчете кинетических коэффициентов, используемых при математическом описании массо-переноса, необходимо знать сорбционную емкость растворенного вещества.

Исследования по изучению сорбционной емкости растворенного вещества в мембранах проводились по методике, описанной в [1]. Принятая методика была нами выбрана за счет своей доступности и простоты, хотя и не лишена недостатков, которые хоть и несущественно снижают точность экспериментальных данных, но все же следует учитывать и закладывать в расчеты при обработке экспериментальных данных. Наибольшие эти погрешности при исследовании могут быть вызваны следующими причинами, как проблема надежного и качественного удаления фильтровальной бумагой пленки раствора с мембраны, которая решается тщательностью и аккуратностью при проведении этих экспериментов и наличием одинаковых составляющих, а также использованием отработанных методов и устройств для данных опытов. Следующая причина возникновения погрешности измерений связана с малыми количествами сорбированного вещества (из-за ограниченного объема исследуемой мембраны), что может привести к неточности измерения концентраций в вымывающем растворе. Эта проблема решалась нами за счет применения при определении концентрации раствора белофора очень точных методов анализа, таких как спектрофотометрия. Концентрация раствора белофора ОБ-жидкого до и после проведения эксперимента определяется с помощью спектрфотометра для измерения спектров поглощения в УФ-области 300370 нм тип СФ-26.

Перечисленные причины погрешностей измерений, таким образом, несколько снижают точность экспериментальных данных по сорбции, и конкретно, по определению коэффициента распределения растворенного вещества между мембраной и растворителем. Однако для анализа механизма переноса и расчетов отдельных массопереносных характеристик мембран полученные экспериментальные данные вполне могут быть использованы.

Коэффициент распределения растворенного вещества в мембранах и растворителе рассчитывается по формуле:

к= См / Сисх ,

где к - коэффициент распределения; См - концентра-

ция растворенного вещества в мембране; Сисх - концентрация белофора ОБ-жидкого в исходном растворе.

Концентрацию растворенного вещества в исследуемой мембране определяли по формуле:

См = Шм / Км ,

где шм - масса растворенного вещества в исследуемой мембране (определяется экспериментально); Ум - объем исследуемого образца мембраны.

Объем исследуемого образца мембраны определяли по формуле:

Км = а • Ь • 8 ,

где а - длина исследуемого образца мембраны, Ь - ширина исследуемого образца мембраны; 8 - толщина исследуемого образца мембраны.

В исследованиях снимались изотермы сорбции белофора ОБ-жидкого, растворенного в воде, обратноосмотическими мембранами ЕБРЛ и ОПМ-К и ионообменной мембраной МК-40 при различных концентрациях и температурах.

Графики экспериментально полученных изотерм сорбции для мембран ЕБРЛ и ОПМ-К приведены на рис. 1а, 1б, а для мембран МК-40 - на рис. 1в.

Из этих графиков следует, что сорбционная емкость мембран ОПМ-К по белофору ОБ-жидкому значительно выше, чем мембран ЕБРЛ и МК-40. Данного эффекта следовало ожидать, исходя из различия физико-химических свойств мембран, различной пористости и заряда поверхностей (ацетатцеллюлозные мембраны несут отрицательный, а полиамидные - положительный заряды) и т. п. [2, 4]. Также это обусловлено природой материалов мембран, пористой структурой и строением матрицы мембран.

Как видно также из графиков, с ростом концентрации исходного раствора сорбционная способность исследуемых мембран по белофору ОБ-жидкому возрастает. Этот факт отмечается в [2] следующим образом: при сорбции из растворов атомы поверхности адсор-

19S

бента взаимодействуют с молекулами растворенных веществ и с молекулами растворителя. При этом установлено [2], что чем больше растворимость вещества в воде, тем слабее оно адсорбируется.

....Т=293К —-Т=303К й Т=313К

- х- Т=293К расчет   ж- - Т=303К расчет Т=31 ЗК расчет

а)

*—Т=293К —♦—Т=303К л Т=313К

- - -ж - - Т=293 расчет - - ж - -Т=303 расчет -Т=313 расчет б)

О ...... ...50_________100 Сисх 150 200

| —*— Т=293К —*~Т=303К Т=313К

- * - -Т=293К расчет - - ж- - Т=303К расчет - - - Т=313К расчет

в)

Рис. 1. Зависимости сорбционной способности мембран ESPA, ОПМ-К, МК-40 от концентрации и температуры: а) мембрана ESPA, б) мембрана ОПМ-К, в) мембрана МК-40

На сорбцию веществ из раствора влияет температура процесса. Как известно [2, 3], температура на адсорбцию может влиять как положительно, так и отрицательно, т. е. при адсорбции за счет заполнения объема пор сорбированными веществами, их сечение (через которое возможно протекание воды) может существенно снижаться. А наиболее узкие поры могут быть полностью заполнены адсорбированными молекулами и быть недоступными для воды - «блокированы».

Таблица 1

Значения коэффициентов b, n, m

Раствор Мембрана b n m

Вода ОПМ-К 2,74 0,34 12,57

+ ESPA 2,44 0,27 10,49

белофор ОБ-жидкий МК-40 2,31 0,3 12,86

Все это имеет большое значение для объяснения поведения отдельных кинетических характеристик массо-переноса при мембранном разделении. Так, сорбционная способность мембран Е8РЛ, ОПМ-К, МК-40 по белофору ОБ-жидкому убывает при росте температуры раствора.

Полученные экспериментальные данные для исследуемых мембран Е8РЛ, ОПМ-К и МК-40 описываются уравнением Фрейндлиха [2]. С учетом зависимости сорбции от концентрации и температуры, уравнение Френдлиха представили в виде:

См = Ь  Сисхп

где См, Сисх - концентрации растворенного вещества в мембране и в растворе, соответственно; ї0, ї - реперная (принимается 20 оС) и рабочая температуры; Ь, п, ш -экспериментальные коэффициенты.

С учетом уравнения (4) коэффициент распределения (к= См/Сисх) будет определяться зависимостью:

к= Ь  С„сх"-‘

Для исследованных систем значения коэффициентов Ь, п, Ш приведены в табл. 1.

ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования по влиянию концентрации и температуры на сорбционную емкость водного раствора ОБ-жидкого в мембранах Е8РЛ, ОПМ-К и МК-40.

2. Установлено, что сорбционная емкость мембран с ростом концентрации исходного раствора увеличивается, а с ростом температуры - уменьшается.

3. Аналитически сорбционная емкость в зависимости от концентрации и температуры описана уравнением Френдлиха.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения: пер. с англ. / под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1981.

2. Адсорбция растворенных веществ / А.М. Когановский, Т.М. Левченко, В. А. Кириченко и др. Киев: Наукова думка, 1977.

3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. Изд. 2-е. М.: Химия, 1976.

4. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. Киев: Наукова думка, 1989.

Поступила в редакцию 27 февраля 2006 г.