Электроосмотическая проницаемость ультрафильтрационных мембран

УДК 66. 067. 38+66. 087. 92

ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕМБРАН

© А.Ю. Комова, П. А. Чепеняк, В. Л. Головашин, С.И. Лазарев

Ключевые слова: электроосмотическая проницаемость; электроосмос; мембрана; массоперенос.

Были проведены экспериментальные исследования электроосмотической проницаемости ультрафильтрационных мембран. По результатам экспериментов была выявлена зависимость коэффициента электроосмотической проницаемости мембран от различных параметров и получена эмпирическая формула.

ВВЕДЕНИЕ

Электроосмос является одним из основных элек-трокинетических явлений. Электроосмосом называется перенос растворителя (воды), возникающий при пропускании электрического тока через раствор, в котором расположена пористая мембрана. Это явление вызывается образованием положительных и отрицательных ионов, одни из которых задерживаются на мембране, а другие движутся к противоположному электроду.

Мерой переноса растворителя является электроос-мотическая проницаемость мембран. Электроосмоти-ческая проницаемость мембран является важным кинетическим коэффициентом, поскольку позволяет оценить вклад электроосмотического потока в общий перенос растворителя через мембрану, и необходима при проектировании электробаромембранных аппаратов и установок.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для изучения электроосмотической проницаемости мембран, а как следствие, изучения и расчета электро-мембранных аппаратов использовалась следующая элекромембранная установка (рис. 1).

За основу была взята двухкамерная установка для изучения осмотических свойств мембран, состоящая из двух камер и выполненная из оргстекла.

Установка состоит из двух камер (I, II), между которыми герметично закреплен образец мембраны (1) и зажат двумя перфорированными пластинами (13) из диэлектрического материала для обеспечения жесткого положения мембраны. Для подвода исходного раствора и удаления отработанных растворов имеются емкости (2-4). Ячейка снабжена электродами (10), к которым подводится электрический потенциал, и электромагнитными мешалками для обеспечения равномерного перемешивания растворов в камерах ячейки. Для подвода электрического потенциала электродов служит источник постоянного тока (9), для измерения и контроля напряжения и значения электрического тока в цепь замкнуты вольтметр (7) и амперметр (8). Для определения изменения уровня жидкости ячейка снабжена капиллярами (11, 12).

Рис. 1. Установка для изучения электроосмотической проницаемости мембран

Для исследования электроосмотической проницаемости мембран на данной установке была примененная следующая методика.

Отобранные образцы мембран внимательно изучались на выявление дефектов. Затем образцы замачивались в исследуемых растворах для установления равновесия в мембранах в течение 4-6 часов. После этого образцы закреплялись между решетками и камеры ячейки заполнялись исходными растворами, причем в обе камеры заливались растворы одинаковой концентрации.

На электроды подавали постоянное напряжение и устанавливали необходимую плотность тока. Эксперимент проводили в течение 10 мин. Количество воды (растворителя), прошедшее через мембрану, и интенсивность электроосмотического переноса определяли изменением объема в измерительном капилляре.

Коэффициент электроосмотической проницаемости рассчитывали по формуле:

Р =

эо

V

где Рэо - коэффициент электроосмотической проницаемости мембраны; V - объем воды, прошедшей через мембрану, м3; F - рабочая площадь мембраны, м2; I -плотность тока, А/м2; т - продолжительность эксперимента, с.

Эксперименты проводились при варьировании концентраций исходного раствора и плотности тока.

РЕЗУЛЬТАТЫ

По итогам эксперимента можно сделать следующие выводы.

Увеличение концентрации исходного раствора, для всех исследованных нами растворов и мембран, приводит к уменьшению коэффициента электроосмотиче-ской проницаемости, что связано со следующими эффектами: с увеличением концентрации растворов увеличиваются их вязкость и электропроводность, кроме

того, в результате сорбции мембранами растворенных веществ снижается пористость мембран. Исходя из этих соображений, происходит снижение коэффициента электроосмотической проницаемости, при увеличении концентрации растворенного вещества.

Проведенные эксперименты также выявили, что объемный электроосмотический поток растворителя практически линейно зависит от плотности тока, однако коэффициент электроосмотической проницаемости мембран является величиной постоянной и при изменении плотности тока не меняется.

В результате после обработки экспериментальных данных по коэффициентам электроосмотической проницаемости была получена для расчета следующая эмпирическая формула:

Р = В ехР(п Щ-ехР| А

где С - концентрация раствора, кг/м3; Т - температура, К; А, В, п - эмпирические коэффициенты.

Результаты эксперимента и расчетные данные представлены на рис. 2.

Ло-10

м3/А*с

2,90

2,30

2,00

а)

і \і

10

15 С, кг/м

5

Рис. 2. Зависимости электроосмотической проницаемости мембран от концентрации и плотности тока для раствора тринатрийфос-фата: а - УАМ-50П; в - УПМ-100; г - УФМ-100; и триполифосфата натрия: б - УАМ-50П; д - ПМ-100; е - УФМ-100; температура -313К плотность тока г = 2,73 А/м2, сплошная линия - эксперимент, штриховая - расчет по формуле

В результате данного экспериментального исследования было рассмотрено влияния концентрации и плотности тока на коэффициент электроосмотической проницаемости мембран для растворов тринитрийфос-фата натрия и триполифосфата натрия. По итогам экспериментов построены графики и получена эмпирическая формула для расчета. Также результаты работы позволяют выбрать наилучшую мембрану для выделения из растворов тринитрийфосфат натрия и триполи-фосфат натрия, что незаменимо при проектировании электробаромембранных аппаратов и установок.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., по теме «Теоретико-экспери-

ментальные исследования влияния поверхностных явлений на сорбционные и проницаемые коэффициенты пористых тел», ГК № 02.740.11.0272 07.07.2009 г.

Поступила в редакцию 12 ноября 2010 г.

Komova A.Yu., Chepenyak P.A., Golovashin V.L., Lazarev S.I. Electric and osmotic penetration of ultra-filter membranes

In the given work the experimental researches of electric and osmotic penetration of ultra-filter membranes are made. According to the experiment results the dependence of the coefficient of electric and osmotic penetration of ultra-filter membranes from various parameters were outlined and the empiric formula was received.

Key words: electric and osmotic penetration; electric osmotics; membrane; mass transfer.