frostchem

ПВ можно применять как самостоятельный способ очистки, как способ очистки, совмещенный с чем-либо ещё (например, совмещенный процесс "дистилляция + первапорация"). Если совместить ПВ с проведением реакции, то открываются широкие горизонты. Например, всем известная реакция этерификации (образование сложного эфира из спирта и кислоты) сейчас крайне распространена в промышленности (и Россия (как и СНГ в целом) не исключение). Применение первапорации приводит к значительному увеличению конверсии (степени превращения исходных веществ в продукты) в этой реакции.
Схематично реакция этерификации выглядит так:

Спирт + кислота = сложный эфир + вода

Вспоминаем школьный курс по химии эдак за 8й класс. Наверное, слышали что-то о химическом равновесии? Так вот есть некоторый предел конверсии реакции, когда скорость прямой реакции равна скорости обратной (актуально для обратимых реакций). А если из реакционной смеси забирать какой-то продукт, то реакция пойдет дальше, равновесие смещается. Изымаем из смеси воду или эфир и спирт с кислотой продолжают реагировать. Круто!

Фиолетовый прямоугольник слева - ячейка для реакции образования эфира. Справа - первапорационная ячейка, где отделяется вода или эфир от реакционной смеси. Потом ретентат (то, что не прошло через мембрану) возвращается обратно в реактор и реакция продолжается.

Наконец дошли до примеров различных материалов, из которых делаются мембраны. Существуют коммерческие мембраны на основе поливинилового спирта (PERVAP 1000, 1005), полиэфиримида (селективный слой мембраны UltemR-1000), альгината натрия, которые способны забрать воду; а также мембраны на основе полидиметилсилоксана и производных полифениленоксида, селективные к органическим эфирам. Конкретно полидиметилсилоксановые мембраны проявляют значительную селективность к этилацетату.
Мембраны перед использованием подвергаются модификации, но об этом в следующих постах

На этом пока всё, небольшой пост. При написании использовались открытые источники, но сам текст напечатан моими ручками, поэтому тег [моё] все-таки уместен. Дальше будет больше, поэтому интересуйтесь мембранами. Они могут показаться какими-то простенькими на фоне простоты написанного, но поверьте, здесь лежит очень много всего порой крайне не очевидного, сложного и в то же время интересного.

Пористые мембраны разделяют частицы в зависимости от их размера. Крупные частицы не пройдут сквозь мелкие поры, логично.

Непористые мембраны способны разделять частицы близких размеров. Проще говоря, пример: есть два вещества – одно растворяется в мембране и проходит сквозь нее, а второе – нет.

Жидкие мембраны работают сугубо за счет курьера переносчика. Молекула-переносчик крайне избирательно поглощает вещество (забирает ТОЛЬКО свой заказ) и уносит его сквозь мембрану (заказчику).

По форме мембран.

Существуют мембраны жидкие и твердые. Твердые разделяются на плоские, рулонные, трубчатые, половолоконные (полые волокна) и капиллярные мембраны. Жидкие - на свободные, импрегнированные (ну и что за странные слова опять появились?) и эмульсионные.

Рассмотрим твердые мембраны.

Плоские мембраны выглядят как лист бумаги (глянцевой или матовой) или полотно. Исходная смесь подается с одной стороны плоскости листа, а пермеат (напомню, пермеат - это то, что мы получаем на выходе, после разделения) с другой стороны плоскости.

Рулонные мембраны собраны в рулоны (логично, да?). В них разделение происходит вдоль этого рулона. Представь себе стержень, вдоль которого проходит смесь, или просто посмотри на картинку, которую я взял из просторов интернета (Рулонные мембранные элементы (фото Е. Зубковой)). Так вот это оно самое.

Трубчатые мембраны - это по сути толстые цилиндры с диаметром 5-15 мм и длиной 1-2 м. Фото тоже нагло взято из сети (на сайте Membrane Engeneering Systems)

Капиллярные мембраны - те же трубчатые, но цилиндры очень тонкие, диаметр трубочек 0,5-5,0 мм.

Половолоконная мембрана - это мембрана, которая состоит из полых волокон (спасибо, кэп). Опять же трубочки диаметром 1 мм, но уже с пористыми стенками, через которые и происходит разделение. Применяется два режима очистки с помощью этих мембран: погружение колонки с этими волокнами в исходную смесь и пропускание этой жидкости сквозь колонку. Фото взято с сайта Аквафор.

Теперь рассмотрим формы жидких мембран.

Укажу, что переносчики тут не рассматриваются, но без них разделение жидкими мембранами неэффективно и не селективно. Оставлю на будущее.

Свободные жидкие мембраны - просто жидкости (растворители), у которых плотность отлична от плотности разделяемой смеси. Если очень просто и схематично, то выглядит это как показано на рисунке снизу. Красная область снизу - свободная жидкая мембрана, которая специфично переносит только желтые квадраты. Объем мембраны сильно утрирован, в среднем толщина слоя мембраны составляет 1 мм.

Импрегнированные жидкие мембраны - это пропитанные жидкостью пористые пленки или волокна. По сути те же твердые мембраны, но с особой пропиткой. В этом случае толщина жидкой мембраны составляет примерно 100 мкм.

Эмульсионные жидкие мембраны - образования, которые вводят в исходную смесь, например, в воду. Эти образования - это капли некоторого органического растворителя, в которых заключены еще более мелкие капли, например, воды. Чтобы эти "большие" капли не распадались, при их приготовлении вводится ПАВ (поверхностно активное вещество). Приготовление этих жидких мембран осуществляется отдельно.

И наконец по структуре мембран.

Мембраны подразделяются на симметричные (изотропные) и ассиметричные (анизотропные, композиционные).

Симметричные мембраны отличаются равномерностью и отсутствием градиентов плотности, размеров пор (при наличии). На рисунке снизу идеализировано изображена пористая симметричная мембрана. Толщина мембраны прямо пропорциональна сопротивлению и обратно - производительности, соответственно, необходимо придумать способ уменьшить толщину мембраны, но не потерять ее прочность, иначе она попросту развалится.

Ассиметричная мембрана (чаще композиционная) состоит из нескольких неоднородных слоев. Один выполняет роль селективного слоя (кондуктор, проверяющий билеты), а второй - подложки, придающей механической прочности мембране (охранник за спиной). За счёт такой поддержки можно уменьшать толщину селективного слоя до 0,5-5 мкм, благодаря чему значительно увеличивается производительность мембран.

На этом пока всё.

Надеюсь, не отнимут тэг "Моё" за то, что взял из интернета несколько фотографий реальных мембран для демонстрации. Всё-таки текст написан полностью мной + иллюстрации 6 шакалов из 10 и сделанные местами через пятую точку тоже мои.

Когда я задумывал этот пост, предполагалось, что здесь вместится классификация, получение и даже применение. Но на середине написания мне показалось, что этого будет достаточно пока. Я постарался учесть все комментарии прошлого моего поста, получилось как получилось. Возможно, к третьему часу написания этого поста глаз замылился.

Прошу ваши комментарии, я все еще не определился с тем, чтобы однозначно продолжать рассказывать о мембранах.