Модельне уявлення про механізм мембранного розділення

Залежно від структури мембрани існує три моделі мембранного переносу.

Модель дифузії-розчиненння. Ця модель створена для мембран з розміром пор від 1 до 3 нм або непористих мембран. Для таких мембран характерна незначна проникність та висока затримуюча здатність Rc.

Основні положення моделі:

Кожний компонент розчину розчиняється в мембрані і дифундує з нього. Конвекційні потоки через мембрану відсутні. Перенос компонентів розчину обумовлений закономірностями молекулярної дифузії. Взаємодія між потоками розчиненої речовини та розчинника відсутня. Ця модель добре описує властивості мембран з вузькими порами, високим значенням Rc і характерна для зворотно-осмотичних мембран з розміром пор 1-3 нм, не придатна для широко пористих мембран.

Модель тонкопористої мембрани. Ця модель передбачає існування мембрани, об’єм якої пронизаний порами діаметром близько 5 нм. Проходження речовини через таку мембрану є кооперативним процесом, який включає як конвективну так і молекулярну дифузію. Ця модель добре описує масоперенесення через нанофільтраційні мембрани, мілко пористі ультрафільтраційні мембрани та крупно пористі зворотно-осмотичні мембрани.

Модель крупнопористої мембрани. Використовується для ультра- та мікрофільтраційних мембран. В мембрані рівномірно розташовані циліндричні пори одного діаметру. Загальний потік складається із потоків розчиненої речовини та розчинника. Основний механізм масо переносу – конвективний. Молекулярно-дифузійною складовою зазвичай нехтують. У цій моделі колективне перенесення досить велике, так як коефіцієнти молекулярної дифузії колоїдних частинок та макромолекул низькі, тому об’ємні потоки є досить високими.

Уявлення про механізм напівпроникності мембран

Беручи до уваги складну будову мембран, найбільш коректні дані про механізм напівпроникності можна отримати за допомогою коефіцієнтів розподілення розчиненої речовини між мембраною та зовнішнім розчинником. Коефіцієнт розподілення виражається так:

K=exp(-Δμ/(RT)),

де Δμ – різниця стандартних хімічних потенціалів розчиненої речовини в мембрані та вихідному розчині.

Розчинена речовина тим ефективніше витісняється із мембрани, чим більше значення Δμ. Для молекулярного трактування цієї різниці стандартних потенціалів створено дві гіпотези:

- капілярно-фільтрувальна;

- сорбційна.

У основу капілярно-фільтрувальної концепції покладені стеричні фактори:

1) наявність води, зв’язаної з поверхнею мембрани, які збільшує ефективний діаметр пори мембрани;

2) гідратація частинок розчиненої речовини, яка збільшує їх діаметр пор. Кількість води, зв’язаної з поверхнею мембрани визначається хімічною природою мембрани, а також зовнішніми факторами (температура, тиск, концентрація).

d_еф=0 d_еф=d_пор d_еф=d_пор

2 r_в<2δ 2 r_в>2δ

Якщо ефективний діаметр пори менший ефективного діаметру гідратованої частинки, то вона гідратується мембраною, а якщо ситуація протилежна, то через пори з водою виводиться розчинена речовина. Оскільки макроструктура реальної мембрани має певний розподіл пор по діаметру, то вірогідність входження молекул або йонів в пори мембрани різна. Відбувається перенос і води, і розчиненої речовини.

Сорбційна концепція базується на положенні про переважаючу сорбцію одного із компонентів розчину на поверхні поділу розчин-мембрана. Збільшення концентрації електроліту над поверхнею мембрани призводить до її часткової дегідратації та усадки. Деякі розчинні солі мають низьку спорідненість у воді, порівняно із спорідненістю у воді мембрани. Це викликає підвищене набухання мембрани і, відповідно, збільшення коефіцієнта розподілення (K).

Гіпотеза активованої дифузії

Відповідно до неї проникність мембран для кожного компоненту розчину є функцією коефіцієнта дифузії і його розчинення в матеріалі мембрани.

На відміну від попередніх гіпотез, ця розглядає мембрану як таку, що не має постійних пор. Проникність мембран дірками, які мають флуктуаційну природу. Сукупність цих дірок – вільний об’єм матеріалу мембрани.