Осмотическая проницаемость полимерных мембран в водном растворе, содержащем ионы железа

УДК 66.083. 3

ОСМОТИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН В ВОДНОМ РАСТВОРЕ, СОДЕРЖАЩЕМ ИОНЫ ЖЕЛЕЗА

© К.С. Лазарев, С.В. Ковалев, А.А. Арзамасцев

Ключевые слова: мембрана; осмотическая проницаемость.

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.

ВВЕДЕНИЕ

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 проницаемостей. Зная коэффициент осмотической проницаемости можно оценить вклад осмотического потока в массоперенос [1, 2]. Коэффициенты осмотической проницаемости можно определить экспериментальным путем. Для этой цели существуют мембранные ячейки различных типов. Наиболее простой является плоскокамерная ячейка. 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.

Целью данной работы является разработка методики и одномодульной осмотической установки для исследования коэффициента осмотической проницаемости.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из диффузионно-осмотической ячейки с плоскими каналами - 1, термостатируемой емкости дистиллированной воды - 2, термостатируемой емкости исходного раствора - 3, термометра - 4, контактного термометра - 5.

Экспериментальные исследования проводились на промышленно выпускаемых мембранах (МГА-95, МГА-80П, ОПМ-К, ББРА), типы и рабочие характеристики которых приведены в табл. 1.

Основным элементом установки (рис. 2) является ячейка 1, изображенная на рис. 3.

Рис. 1. Схема экспериментальной проточной установки для исследования диффузионной и осмотической проницаемости мембран

Таблица 1

Рабочие характеристики мембран

Тип мембраны МГА-95 МГА-80П ОПМ-К ББРА

Материал мембраны ацетатцеллюлоза полисульфоноа- мид

Рабочее давление, МПа 5,0 5,0 5,0 5,0

Удельная производительность, м3/м2-с 1,1110- 5 1,75-10-5 1,4 • 10-5 1,25-10-5

Коэффициент задержания, по 0,15% №01, 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 (фирма или НПО) «Владипор», г. Владимир «Нуіігап аи1іс8», США

Рис. 2. Экспериментальная проточная установка для исследования диффузионной и осмотической проницаемости мембран

Рис. 3. Двухкамерная диффузионно-осмотическая ячейка

Диффузионно-осмотическая ячейка 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 и штуцера были изготовлены из капролона.

Рис. 4. Двухкамерная диффузионно-осмотическая ячейка с прямоточной подачей растворов

При экспериментальном исследовании осмотической проницаемости обратноосмотическая мембрана

11, во избежание прогиба под действием температурных напряжений, зажималась между сеткой турбулиза-тором 10 и сеткой турбулизатором 12, упираясь в прокладки 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 термостатируемую емкость 2 с насосом и мешалкой заливали три литра дистиллированной 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 термостатируемых емкостях и ячейке поддерживалась с помощью нагревателей, встроенных в емкости. Дополнительно температура растворов визуально контролировалась с помощью термометров 4. Циркуляция и перемешивание растворов в камерах осуществлялись насосами. Рабочая площадь мембран составляла 0,0088 м2.

Подача раствора в ячейку с плоскими каналами из разных термостатируемых емкостей осуществлялась прямотоком (рис. 4).

Циркуляция и перемешивание растворов в камерах осуществлялись насосами. Эксперимент проводился с продолжительностью 2-5 часов в зависимости от исследуемого раствора. По окончании эксперимента отбирались пробы и подвергались анализу.

Осмотический поток растворителя через мембрану рассчитывали по следующей формуле:

Рос

8

-(С: - С2),

где ^см - осмотический поток растворителя, м/с; Росм -коэффициент осмотической проницаемости, м5/кг с.

Коэффициент осмотической проницаемости рассчитывался по объему перенесенного растворителя и рабочим параметрам [1, 3]:

(С - С2) • Бм т

где АУ - объем перенесенного растворителя, м3

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В работе были проведены эксперименты по определению коэффициентов осмотической проницаемости обратноосмотических мембран МГА-95, ОПМ-К, ББРА, МГА-80П для водного раствора ЕеБ04 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.

1 -I----------------------1--------------------1---------------------1--------------------1--------------------,

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1

Сю. кг/м3

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1

Сю, КГ/М3

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1,1

Сю, КГ/М3

Рис. 5. Зависимость коэффициента осмотической проницаемости мембраны МГА-95, ОПМ-К, Б8РЛ и МГА-80П от концентрации и температуры водного раствора сульфата железа

Таблица 2

Значения эмпирических коэффициентов

Водный раствор Мембрана z1 z2^10+1 zy10+1 Z4•10-3

МГА-95 7,94-10-10 -4,1 З -З,0З -2,З8

сульфата ОПМ-К 2,З2-10-10 -б,З9 1,0З -2,18

железа ESPA 2,79•10-J0 -4,71 1,1З -1,84

МГА-80П 1,2З^10-11 -0,107 8,З5 -1,41

Рассматривая зависимости коэффициентов осмотической проницаемости от концентрации водного раствора сульфата железа, приведенные на рис. 5, можно заметить, что осмотическая проницаемость снижается с ростом исходной концентрации раствора для всех типов мембран, это связано с сорбцией мембранами растворенных в растворе веществ (набухание, сужение диаметра пор) [4].

Также установлено, что с повышением температуры раствора сульфата железа осмотическая проницаемость мембран рис. 5 увеличивается. Это объясняется тем, что с увеличением температуры вязкость растворов несколько падает и, как следствие, раствор легче проходит через поры мембраны. Также с увеличением температуры происходит разрушение объемных структур раствора диффузионных и пограничных слоев мембраны, что, в свою очередь, тоже влияет на увеличение осмотической проницаемости мембран.

Так как характер зависимости коэффициента осмотической проницаемости от исходной концентрации соли в растворе имеет плавный характер, то для расчета коэффициента осмотической проницаемости нами предложена зависимость:

Росм = Z1 •С 2 • exP

где Zj, z2, z^, z4 - эмпирические коэффициенты, зависящие от мембраны и раствора; Т - температура разделяемого раствора.

Значения эмпирических коэффициентов представлены в табл. 2.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений коэффициентов осмотической проницаемости рис. 5 дало удовлетворительный результат. (Расхождение не превышает ±10 %).

Данная экспериментальная установка предназначена для исследования осмотической проницаемости полимерных мембран для однокомпонентных и многокомпонентных растворов. Также на ней можно проводить эксперименты по изучению влияния изменения гидродинамики потоков (прямоток, противоток), использования турбулизирующих 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. Получены экспериментальные зависимости коэффициента осмотической проницаемости мембран МГА-95, МГА-80П, ОПМ-К, ESPA от концентрации исходного раствора.

3. Представлено теоретическое описание зависимостей коэффициента осмотической проницаемости мембран МГА-95, МГА-80П, ОПМ-К, ESPA от концентрации исходного 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 ОНИИ-ТЭХИМа № 807-хп 89.

2. 2. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М.: Химия, 1980. 232 с.

3. Лазарев С.И., Горбачев А.С. Исследование диффузионной и осмотической проницаемости водного раствора сульфанилата натрия через обратноосмотические мембраны // Изв. вузов. Химия и хим. техн. Иваново, 2005. Т. 48 Вып. 2. С 113-115.

4. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов. М.: Химия, 1974. 272 с.

БЛАГОДАРНОСТЬ: Научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и

научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Поступила в редакцию 12 ноября 2010 г.

Lazarev K.S., Kovalev S.V, Arzamastsev A.A. Osmotic permeability of polymeric membranes in the water solution containing iron ions

In this study the method and system for experimental studies of osmotic permeability of the membrane apparatus with a flat channel in the flow mode, depending on the concentration and temperature of the solution, is developed.

Key words: membrane; оsмоs; permeability.