Введение к работе
Актуальность работы.
Для настоящего времени характерно интенсивное развитие мембранной науки и технологии. Они наиболее эффективны и экологически целесообразны по сравнению с традиционными методами и технологиями разделения смесей веществ. В частности,электродиализ с ионообменными мембранами является наиболее перспективным методом разделения сильных электролитов, ионы которых переносятся через мембраны при наложении на систему градиента электрического потенциала, и неэлектролитов или слабых электролитов, на молекулы которых градиент электрического потенциала не оказывает непосредственного действия. Тем не менее,при миграции ионов возникают сопряженные транспортные процессы,которые приводят к переносу молекул неэлектролитов и-слабых электролитов через ионообменные мембраны (электроосмотический перенос). Кроме того,разность молекулярных концентраций по обе стороны мембраны (градиент химического потенциала) приводит к возникновению диффузионного потока. Следствием этих причин, является перенос молекул через ионообменные мембраны при электродиализе и снижение эффективности электромембранного разделения смесей сильных электролитов и неэлектролитов (или слабых электролитов).
Одним из наиболее практически' важных объектов является мембранное разделение минеральных солей и молекул Сахаров. Такие объекты характерны как для свеклосахарного производства, так и для одной из стадий биотехнологического производства Сахаров из целлюлозы при удалении минеральных компонентов после её гидролиза. Для увеличения эффективности электромембранного разделения при решении этих задач требуется количественный анализ величин потоков и их составляющих через ионообменные мембраны.
Анализ сопряженного транспорта принято проводить методом термодинамики необратимых процессов, однако её традиционные варианты оказались в данном случае недостаточно корректными в связи с сильной зависимостью феноменологических коэффициентов проводимости от концентраций. В связи с этим была применена модель, в которой микроскопическое взаимодействие заменено макроскопическим
- 4 -трением (фрикционная модель). Были измерены коэффициенты трения (фрикционные коэффициенты) ионов и молекул со стенками пор и между собой. Их величины позволяют делать мотивированный выбор типа мембран и параметров электромембранного разделения смесей.
Диссертационная работа выполнена по координационному плану научно-исследовательских работ Научного совета по хроматографии Российской академии наук (тема 2.15.11.5 - "Разработка мембранно- сорбционных методов разделения смесей веществ и кинетики электроионитных процессов").
Целью настоящего исследования являлось построение феноменологической модели, электромассопереноса в системе ионообменная мембрана-ион-молекулы двух видов при наложении на неё градиента электрического потенциала и приложение её к электродиализу водно-солевых растворов Сахаров. Указанная цель определила конкретные задачи исследования:
, - разработку фрикционной модели переноса ионов и молекул двух видов (растворитель.-вода и глюкозы) в ионообменной мембране при электродиализе.
поиск функциональных зависимостей,связывающих коэффициенты трения с измеряемыми физико-химическими свойствами ионообменных мембран в водно-солевых растворах Сахаров,
разработку оптического метода измерения коффициентов молекулярной диффузии вещества в мембране,
анализ ионного транспорта Сахаров через анионообменную мембрану;
разработку метода глубокой деминерализации растворов Сахаров с помощью электродиализа с ионообменными мембранами и применением межмембранных ионопроводящих сепараторов.
Научная новизна.
Развита фрикционная модель,описывающая перенос противоиона и молекул двух видов (растворитель-вода, моно- или дисахарид) в порах мембраны при наложении на них градиентов электрического и химического потенциалов. Модель может быть применена для описания массопереноса в ионоселективной мембране молекул неэлектролитов с учётом сопряженного транспорта с ионами. Найдены способы вычисления фрикционных коэффициентов по результатам измерений удельной электропроводности ионообменных мембран, коэффициентов самодиффу-
- 5 -зии воды и Сахаров,измерения чисел переноса и электроосмотического потока. Развитая феноменологическая теория позволила различать диффузионную и электроосмотическую составляющию потоков Сахаров через ионообменные мембраны при электродиализе.Для интерпретации повышенного массопереноса Сахаров через анионообменную мембрану введены представления о ионном транспорте анионов Сахаров как ионов слабой кислоты. Изучены зависимости потоков ионов и Сахаров (глюкозы,лактозы) через ионообменные мембраны при электродиализе от плотностей тока,концентраций соли и сахара.
Практическая значимость.
Разработан метод глубокой деминерализации Сахаров и других слабых электролитов, а также неэлектролитов,использующий электродиализ с ионообменными мембранами, межмембранное пространство которого заполнено активными ионопроводящими сетками и гранулами. Замена электроизоляционных материалов межмембранных прокла-док-турбулизаторов на ионопроводящие принципиально интенсифицирует массоперенос при электродиализе разбавленных растворов. Метод может быть применён для создания новой электромембранной технологии очистки сахарозы в свеклосахарном производстве,а также для глубокой очистки глюкозы на одной из стадий её биотехнологического получения.
На защиту выносятся :
1. Фрикционная модель сопряженного транспорта ионов и моле
кул в системе противоион-молекулы растворителя-молекулы саха-
ра-ионообменная мембрана при наложении на неё градиентов электри
ческого и химического потенциалов.
2.' Функциональные зависимости между фрикционными коэффициентами и экспериментально измеряемыми физико-химическими характеристиками ионообменных мембран. Оптический метод измерения коэффициентов молекулярной диффузии веществ в мембране.
2. Доказательство ионного транспорта анионов Сахаров через
анионообменные мембраны при наложении на них градиента электри
ческого потенциала.
Публикации: по материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Аппробация: результаты диссертационной работы были доложены на Российской конференции по мембранам и мембранной технологии (Москва,1995),VIII Всероссийской конференции "Физико-химические
- б -
основы и практическое применение ионообменных процесов" (Воронеж, 1996), 2-ой региональной конференции "Проблемы химии и химической технологии" (Тамбов, 1994),3-ей региональной конференции "Проблемы химии и химической технологии" (Воронеж.1995),научных сессиях Воронежского государственного университета в 1995 и 1996 годах.
Структура диссертации: введение,пять глав,выводы, список литературы (150 наим.). Работа изложена на 139 стр.,содержит 23 рисунка и 5 таблиц.
