Исследование сорбции пористых полимерных мембран в водных натрийсодержащих растворах Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 544.726

П.А. Чепеняк, О.А. Абоносимов, С.И. Лазарев, С.В. Ковалев

ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ ПОРИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН В ВОДНЫХ НАТРИЙСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРАХ

(Тамбовский государственный технический университет) E-mail: [email protected]

В статье приведены экспериментальные данные влияния температуры и концентрации растворов тринатрия фосфата и натрия триполифосфата на концентрацию растворенного вещества в полимерных мембранах УФМ-100, УАМ-50П. Исследования проведены при изменении концентраций растворов от 5 до 20 кг/м3 и при температурах 293, 303, 313, 323К. Установлено изменение концентрации растворенного вещества в мембране при изменении концентрации исходных растворов и температуры.

Ключевые слова: тринатрий фосфат, натрия триполифосфат, полимерные мембраны, сорбция

Для определения коэффициентов массопе-реноса при ультрафильтрационном разделении растворов, таких как коэффициент распределения в пористой полимерной мембране и в растворе, необходимы данные по сорбционной емкости мембран.

Нами исследовались сорбционные характеристики полимерных мембран УФМ-100, УАМ-50П по отношению к водным растворам тринат-рия фосфата и натрия триполифосфата в зависимости от концентраций и температур раствора.

Коэффициенты распределения рассчитываются по концентрациям растворенного вещества в образцах мембран и в исходных растворах по следующей зависимости [1]:

К См / Си

(1)

где к - коэффициент распределения; См - концентрация растворенного вещества в полимерной мембране; Сисх - концентрация растворенного вещества в исходном растворе.

Концентрацию растворенного вещества в полимерной мембране определяли по следующей зависимости:

См = :Шм / Vм, (2)

где тм - масса растворенного вещества в полимерной мембране (определяется экспериментально); Ум - объем опытного образца мембраны.

Объем опытного образца мембраны определяли следующим образом:

Vм = а ■ Ь ■ 5, (3)

где а и Ь - длина и ширина опытного образца мембраны; 5 - толщина образца мембраны.

Исследования по сорбции растворенных веществ мембранами проводились на установке, основными элементами которой являлись сушильный шкаф, принадлежности для измерения линейных размеров образцов мембран и стеклянная тара.

В качестве стеклянной тары применяли бюксы (V = 50 мл), в которые помещали исследуемые образцы мембран и раствор, и колбы (V = 250 мл) с раствором различной концентрации растворенного вещества.

Измерительные принадлежности использовались для измерения линейных размеров - это длина, ширина и толщина исследуемого образца мембраны. Для этих целей применялась линейка с миллиметровой ценой деления и микрометр.

Исследования по сорбции растворенного вещества мембранами проводили по методике [1]. Методика определения сорбционной способности мембран сводилась к следующему. Из листов полимерных мембран вырезали образцы размером (14 ■ 4) ■ 10-2 м. После предварительной подготовки мембран к работе и замера толщины мембраны микрометром мембраны помещали в герметичные бюксы и заливали приготовленными заранее водными растворами тринатрия фосфата и натрия триполифосфата различных концентраций. В случае обнаружения различного рода дефектов: повреждений, сжатия или утолщений мембраны и отклонений размеров образцов мембран они подлежали замене. Далее бюксы с растворами и образцами мембран помещали в предварительно выведенный на заданный температурный режим термостат. После достижения равновесия (не менее чем через 24 часа при периодической смене раствора) мембраны извлекали из бюкс, снимали пленки раствора с поверхности мембраны фильтровальной бумагой и измеряли ее геометрические размеры: длину, ширину и толщину. Затем образцы мембран помещали в герметичные бюксы с дистиллированной водой для вымывания растворенного вещества из мембран. Через каждые 24 часа воду в бюксах обновляли и при этом старую воду сливали в отведенные для этого колбы. Как

правило, четырехкратной смены воды было достаточно для полной десорбции растворенного вещества из мембран. Далее замеряли объем промывной воды и концентрацию в ней десорбированно-го вещества из мембраны в каждой колбе.

По объемам промывной воды, концентрациям в них десорбированного вещества и по объемам образцов мембран рассчитывали концентрации растворенного вещества в образцах полимерных мембран.

Как отмечается в работе [2], при сорбции из растворов атомы поверхности адсорбента взаимодействуют с молекулами растворенных веществ и с молекулами растворителя. При этом установлено [2], что чем выше растворимость вещества в воде, тем слабее оно адсорбируется.

На сорбцию веществ из раствора существенно влияет температура процесса. Как известно [2,3], температура на адсорбцию может влиять как положительно, так и отрицательно.

Кроме того, 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». Все это имеет большое значение для объяснения поведения отдельных кинетических характеристик массопере-носа при мембранном разделении.

На графиках 1-4 приведены зависимости концентрации растворенного вещества в мембранах УФМ-100 и УАМ-50П от концентрации исходных растворов тринатрия фосфата, натрия триполифосфата и температуры (точки - эксперимент, тире - расчет).

Как видно из графиков, с ростом концентрации исходного раствора сорбционная способность полимерных мембран по тринатрию фосфата и натрию триполифосфата возрастает.

СМ, кг/м3

0,18

0,14 ■

0,1 ■ 0,06 ■ £

0,02 ■

0 5 10 15 20 Сисх, кг/м3

♦ Т=2ЭЗ К ■ Т=303 К i Т=313 К ♦ Т=323 К Рис. 1. Зависимость сорбции мембраны УФМ-100 от концентрации и температуры раствора тринатрия фосфата Fig. 1. Dependence of sorption of ОТМ-100 membrane on concentration and temperature of a tri sodium phosphate solution

СМ, кг/м3 0,14 п

0,1 -

0,06 -

0,02

2 Г

5 10 15 20 Сисх,

>-Т=293 К ■ Т=303 К аТ=313 К ♦ Т=323 К

кг/м3

Рис. 2. Зависимость сорбции мембраны УАМ-50П от концентрации и температуры раствора тринатрия фосфата. Fig. 2. Dependence of membranes иАМ-50Р sorption on concentration and temperatures of tri sodium phosphate solution

СМ, кг/м3

0,26

0,21 ■

0,16 ■ >

0,11 ■ С- " *

0,06 ■ -,- -1—

o

10

15

20 Сисх, кг/м

+ Т=2ЭЗ К ■ Т=303 К *Т=313 К * Т=323 К Рис. 3. Зависимость сорбции мембраны УФМ-100 от концентрации и температуры раствора натрия триполифосфата. Fig. 3. Dependence of membranes ОТМ-100 sorption on concentration and temperatures of sodium tri poly phosphate

СМ, кг/м3

0,16

0,12

0,08

0,04

^ — ♦

♦ ,

w»' ■

f

0

10

Сисх, кг/м3

♦ T=293 К ■ T=303 К aT=313 К *T=323 К Рис. 4. Зависимость сорбции мембраны УАМ-50П от концентрации и температуры раствора натрия триполифосфата. Fig. 4. Dependence of membranes иАМ-50Р sorption on concentration and temperatures of solution of sodium tri poly phosphate

Сорбционная способность полимерных мембран возрастает при росте температуры раствора.

Из данных графиков следует, что мембрана УФМ-100 обладает большей сорбционной емкостью по сравнению с мембраной УАМ-50П по отношению к водному раствору тринатрия фосфата и натрия триполифосфата.

Данного эффекта следовало ожидать, ис-

ходя из различия физико-химических свойств мембран, различной пористости и заряда поверхностей (ацетатцеллюлозные мембраны несут отрицательный, а полиамидные - положительный заряды) мембран и т.п. [2,4].

При теоретической обработке полученных сорбционных экспериментальных данных для мембран УФМ-100 и УАМ-50П выяснилось, что изотермы сорбции для этих мембран и данных растворов хорошо описываются уравнением Фрейндлиха [2,3].

С учетом зависимости сорбции от концентрации и температуры, уравнение Фрейндлиха представляется в виде:

См = 0 ■ СИСхП ■ (Т0 / T)m, (4)

где См, Сисх - концентрации растворенного вещества в мембране и в растворе, соответственно; Т0, T - реперная (принятая нами 293 К) и рабочая температуры; 0, п, т - экспериментальные коэффициенты.

Из уравнения (4) следует, что коэффициент распределения (к = См/Сисх) будет определяться зависимостью:

к = 9 • СисхпЛ • (Т0 / Т)т (5)

Для исследованных систем значения коэффициентов 0, п, т приведены в таблице.

Таблица

Значения коэффициентов 0, n, m в уравнениях (4) и (5) Table. Values of coefficients of 0, n, m in the equations

(4) and (5)

Раствор Мембрана 0 n m

тринатрия фосфат УФМ-100 0,022 0,508 2,787

УАМ-50П 0,038 0,486 4,150

натрия трипо-лифосфат УФМ-100 0,068 0,424 4,346

УАМ-50П 0,053 0,346 4,577

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

ЛИТЕРАТУРА

1. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. Пер. с англ. Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия. 1981. 464с.

2. Адсорбция растворенных веществ / А.М. Когановский, Т.М. Левченко,В.А. Кириченко и др. Киев: Наукова думка. 1977. 223с.

3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. Изд. 2-е. М.: Химия. 1976. 512с.

4. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. Киев: Нау-кова думка. 1989. 288с.

Кафедра прикладной геометрии и компьютерной графики

УДК 621.867.4-492.2

А.Б. Капранова, А.В. Дубровин, А.И. Зайцев

К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ ВНЕШНЕГО ДАВЛЕНИЯ В ЗАЗОРЕ ВАЛКОВОГО ДЕАЭРАТОРА ПОРОШКОВ СО СФЕРИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ

(Ярославский государственный технический университет) E-mail: [email protected]

Поиск распределения внешнего давления в зазоре валкового деаэратора порошков со сферической матрицей проведен с помощью уравнения движения дисперсной смеси в декартовых координатах при ее уплотнении. Результаты могут быть использованы при создании инженерных методов расчета новых деаэраторов тонкодисперсных сред валкового типа для получения уплотненных гранул-сфер.

Ключевые слова: валковый деаэратор, сферические гранулы, расчет

Задача поиска распределения внешнего давления от горизонтальной координаты и времени Р = Р(х, t) при движении тонкодисперсного материала в зазоре валкового аппарата является одной из основных для описания процесса механического уплотнения порошков в деаэраторе, которая осложняется условием получения в качестве конечного продукта дегазированных гранул-

сфер. Считается, что на поверхности вала радиусом Я и горизонтальной ленты, в зазор между которыми поступает сыпучий материал для дегазации и формования, присутствуют полусферические углубления радиуса г . Используемый в работе метод «обращенного движения» предполагает неподвижность данной горизонтальной ленты и плоское движение сечений полусферических ячеек, расположенных на поверхности вала [1] (рис. 1).