CC BY
13УДК 661. 842. 532
С.И. Лазарев, В.В. Мамонтов, С.В. Ковалев, К.С. Лазарев
КОЭФФИЦИЕНТЫ ДИФФУЗИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ КАЛЬЦИЯ СЕРНОКИСЛОГО ЧЕРЕЗ МЕМБРАННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРУБЧАТОГО ВИДА
(Тамбовский государственный технический университет) E-mail: [email protected]
В данной работе получены и проанализированы экспериментальные данные по коэффициенту диффузионной проницаемости кальция сернокислого на мембранном элементе трубчатого вида. Установлено, что с увеличением исходной концентрации кальция сернокислого в исходном растворе значение коэффициента диффузионной проницаемости уменьшается, а с повышением температуры раствора значение коэффициента диффузионной проницаемости увеличивается.
В расчетах мембранных аппаратов трубчатого вида используют коэффициент диффузии вещества в мембране. Однако данные величины экспериментально определить сложно, поэтому в расчетах используют коэффициенты диффузионной проницаемости. Зная коэффициент диффузионной проницаемости, можно оценить вклад диффузионного потока в массоперенос. Коэффициент диффузионной проницаемости можно определить экспериментальным путем. Наиболее простой является плоскокамерная ячейка [1]. Недостатком данной ячейки является то, что в ней не отражается гидродинамика реальных аппаратов, например аппарата трубчатого типа. Этого недостатка лишена установка трубчатого вида, приведенная на рис. 1.
Рис. 1. Схема проточной установки трубчатого типа. 1,4 - потенциометры; 2 - мембранный модуль; 3 - термопары градуировки ХК; 5,6 - термостатированные емкости с насосами; 7 - вентили. Fig. 1. Pipe-type flowing set-up. 1, 4 - potentiometers; 2 -
membrane module; 3 - calibration thermocouples; 5,6 -temperature-controlled tanks containing pumps; 7 - valves.
Установка трубчатого вида включает в себя мембранный модуль 2, термостатированные емкости 5 и 6 с насосами для исследуемого раствора и дистиллированной воды, систему вентилей 7. Контроль над температурой растворов в трубном и межтрубном пространстве осуществля-
ется с помощью термопар 3 градуировки ХК, подключенных к потенциометрам 1 и 4.
Данная установка предназначена для исследования диффузионной проницаемости полимерных мембран для двух, трех и многокомпонентных растворов. На ней можно проводить эксперименты по изучению влияния различных видов турбулизаторов на гидродинамику кольцевого канала и наложения, полей различной физической природы.
Трубчатый модуль представлен на рис. 2. Он состоит из цилиндрического корпуса (1) с фланцами (3), пористой трубки (6), на которую снаружи нанесена мембрана (2), опирающейся на трубные решетки (5) зажатые между фланцами (3) и (4), штуцеров для ввода и вывода исходного раствора (7, 10) и дистиллированной воды (8, 9).
Рис. 2. Схема мембранного модуля трубчатого типа. 1 - цилиндрический корпус; 2 - мембрана; 3,4 - фланцы;
5 - трубные решетки; 6 - пористая трубка;
7,8,9,10 - штуцера. Fig. 2. Pipe-type membrane module. 1 - cylindrical body; 2 - membrane; 3, 4 - flanges; 5 - pipe lattices; 6 - porous lattice; 7, 8, 9, 10 - connecting pipes
Эксперименты по исследованию коэффициентов диффузионной проницаемости (Р д ) проводились на фторопластовой мембране для водного раствора кальция сернокислого с исходными концентрациями соли в растворе 0,25; 0,5; 1; 2 кг/м3 при температурах 295; 300; 305; 318 К.
По концентрациям растворенного вещества определяли коэффициент диффузионной проницаемости по формуле [2]:
Ра=1(С2.У2-т (С^-С^-Ят)], (1)
где Рд - коэффициент диффузионной проницаемости, м2/с; С\ - концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м3; С2 - концентрация растворенного вещества перешедшего через мембрану, кг/м3; У2 - объем исследуемого раствора, м3; ё - толщина мембраны, м; - рабочая площадь мембраны, м2; т - время проведения эксперимента, с.
Полученные экспериментальные данные приведены на рис. 3. Анализируя зависимость коэффициента диффузионной проницаемости от концентрации, необходимо иметь в виду, что растворимое вещество может диффундировать в мембране как через поровое пространство, заполненное раствором, так и через аморфные области набухшей мембраны. С увеличением концентрации раствора кальция сернокислого протекает процесс сужения и далее закупоривания пор мембраны, вызванный сорбционными процессами, что приводит к снижению коэффициента диффузионной проницаемости [3]. Очевидно, раствор кальция сернокислого не пластифицирует мембрану или пластифицирует ее незначительно, поэтому снижение коэффициента диффузионной проницаемости наблюдается на всем исследуемом интервале изменения концентрации раствора кальция сернокислого.
Pd х 10-10, 1,2 м2/с
0,6
0,4
0,2
\
л к
N 1
2,5 Сисх, кг/м3
-Т=295К -Т=305К
-Т=300К -Т=318К
Рис. 3. Зависимость коэффициента диффузионной проницаемости от исходной концентрации соли в растворе
при Т (295, 300, 305, 318 К) Fig. 3. Dependence of diffusion permeability factor upon initial salt concentration at 295, 300, 305, 318 K
Г) Ш"10
Pd х 10 , м2/с
0,8 0,6 0,4 0,2 0
0
- Т=295К рас ■
0,5
1,5
2,5 , кг/м3
- Т=300К рас -
- Т=305К рас ■
-Т=318К рас
Рис. 4. Аппроксимационная зависимость коэффициента диффузионной проницаемости от исходной концентрации соли в растворе при Т (295, 300, 305, 318 К) Fig. 4. . Approximation dependence of diffusion permeability factor upon initial salt concentration at 295, 300, 305, 318 K
Кроме перечисленных причин на изменение коэффициента диффузионной проницаемости от концентрации внешнего раствора, вероятно, влияют и другие факторы: нелинейный характер коэффициента распределения растворенного вещества от концентрации, возможность образования ассоциатов, заряд мембран и т. д.
Установлено, что с повышением температуры раствора кальция сернокислого значение коэффициента диффузионной проницаемости увеличивается, это объясняется изменением структуры матрицы полимера. Что соответствует общепринятым представлениям о влиянии температуры на коэффициент диффузионной проницаемости воды [2,4].
Для аналитического описания зависимости диффузионной проницаемости от концентрации раствора целесообразнее рассмотреть аппрокси-мационное выражение вида:
Pö=A-expC5-C2C/T0 (2)
где Ра - коэффициент диффузионной проницаемости, м2/с; С - концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м3; Т- рабочая температура, К; Т0 - начальная температура, К; A , B , m - эмпирические коэффициенты, подобранные в результате расчета.
Таблица
Значения коэффициентов A , B, m в уравнении (2) Table The values of A , B , m factors in the equation (2)
0
0
2
Раствор А В m
Водный раствор кальция сернокислого 0, 70161 -1,1187 6,80883
Сравнение экспериментальных и расчетных значений диффузионной проницаемости раствора кальция сернокислого, приведенных на рис. 4, показало, что погрешность расчета находится в допустимых пределах (+ 15).
ЛИТЕРАТУРА
1. Лазарев С.И., Коробов В.Б. Диффузионная, осмотическая и электроосмотическая проницаемость обратноос-
мотических мембран // Журнал прикл. химии. 2001. Т. 74. Вып. 2. С. 244-249.
2. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М.: Химия. 1980. 232 с.
3. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения /Пер. с англ./ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия. 1981. 464 с.
4. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов. М.: Химия. 1974. 272 с.
УДК 66.074
А.Е. Дуанбекова, Г.С. Кенжибаева, А.С. Наукенова
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ ПОТОКОВ ПРИ АКТИВНОМ ПЕРЕНОСЕ ПРИМЕСИ
(Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова)
Представлена экологическая модель адсорбционной очистки водных потоков при активном переносе примеси. Получено выражение для потока примеси через слой адсорбента. Выявлена зависимость безразмерной проницаемости от комплекса, характеризующего отношение интенсивности внутренней диффузии к интенсивности обратного потока. Дана оценка константы комплексообразования и получено выражение для коэффициента адсорбционной проницаемости по компоненту, образующему комплексное соединение с носителем. Проведенный анализ и полученные зависимости позволяют учесть особенности активного переноса примеси через адсорбционный слой и выделить основные управляющие параметры этого процесса.
Процессы адсорбционного переноса можно разделить на пассивные и активные. Пассивный перенос вещества осуществляется по градиенту физико-химического потенциала. Во многих случаях влияние различных факторов на физико-химический потенциал растворенного вещества сводится к зависимости от концентрации и тогда обычно считают, что вещество переходит из областей с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, причем поток вещества пропорционален величине градиента концентрации.
Основное практическое значение имеет более распространенный случай активного переноса примеси, связанный с переносом вещества в состояние соединения с носителем. Нами отмеченный процесс рассмотрен более подробно и разработаны упрощенные инженерные методы расчета проницаемости пористых слоев и потока примеси через них.
Высокая проницаемость по отношению к отдельным компонентам обеспечивается главным образом распределением адсорбционного потенциала. При этом проницаемость определяется не только подвижностью ионов внутри поры, но и
