научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ ХИТОЗАНОВЫХ ПЛЕНОК. 2. ПЛОТНОСТЬ ПЕРВАПОРАЦИОННОГО ПОТОКА ЧЕРЕЗ ХИТОЗАНОВЫЕ ПЛЕНКИ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОЩАДИ Химия

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ ХИТОЗАНОВЫХ ПЛЕНОК. 2. ПЛОТНОСТЬ ПЕРВАПОРАЦИОННОГО ПОТОКА ЧЕРЕЗ ХИТОЗАНОВЫЕ ПЛЕНКИ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОЩАДИ»

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 77, № 3, с. 273-277

УДК 541.64

ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ ХИТОЗАНОВЫХ ПЛЕНОК. 2. ПЛОТНОСТЬ ПЕРВАПОРАЦИОННОГО ПОТОКА ЧЕРЕЗ ХИТОЗАНОВЫЕ ПЛЕНКИ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОЩАДИ © 2015 г. Е. П. Агеев, Н. Н. Матушкина

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет

119991 Москва, Воробьевы горы E-mail: ageev@phys.chem.msu.ru Поступила в редакцию 05.12.2014 г.

Плотность трансмембранного потока может зависеть от площади мембраны только в том случае, если с изменением последней изменяются свойства мембраны. Эта ситуация имеет место в процессе первапорации с использованием пленок хитозана, набухающих в разделяемом водно-изопропа-нольном растворе. Определены плотность потока и состав пермеата в зависимости от состава формовочного раствора, содержащего, в том числе, осадитель, концентрации разделяемого раствора и площади пленок (2 и 20 см2) в первапорационных установках. На пленках хитозана площадью 20 см2 имели место, независимо от состава формовочного раствора, аномально высокие плотности потоков воды и изопропанола по сравнению с плотностью потока водноспиртового раствора. При использовании в процессе первапорации пленки площадью 2 см2 все наблюдаемые аномалии исчезли, кроме одной, — во всех экспериментах пермеат был обогащен изопропанолом.

DOI: 10.7868/S0023291215030039

ВВЕДЕНИЕ, ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ

Процесс испарения жидкостей может происходить не только со свободной поверхности, но и когда ее поверхность блокирована тонкой полимерной пленкой (мембраной). В этом случае мас-соперенос вещества из жидкой фазы в паровую будет включать его проникновение через мембрану. Объединение английских терминов, заимствованных из латинского языка, "проникновение" и "испарение" породило термин "первапора-ция" ("испарение через ..."), широко используемый в научной литературе.

Первапорационная установка представляет собой две термостатированные камеры, между которыми на дренажной подложке помещена полимерная пленка. В одной из камер находится при атмосферном давлении раствор, подлежащий разделению на компоненты, в другой — при давлении 5—10 мм рт. ст. прошедший через пленку пар, который конденсируется в ловушку, охлаждаемую жидким азотом. Пленку из хитозана (ХТЗ) с помощью двух профилированных тефлоновых колец вакуумно плотно фиксирует зажимное устройство, что позволяет поддерживать разность давлений между двумя камерами.

Механизм испарения жидкостей через непористые полимерные пленки включает следующие стадии: сорбция ^ диффузия ^ десорбция. Диффузионный перенос осложнен взаимодействием проникающего раствора с анизотропно набухаю-

щей пленкой, по толщине пленки происходит фазовый переход жидкость—пар.

Структура пленок ХТЗ находится в термодинамически метастабильном и кинетически заторможенном состоянии. При набухании пленки макромолекулы приобретают дополнительную кинетическую подвижность, приводящую к интенсификации релаксационных процессов с различными характерными временами и, следовательно, к структурной перестройке полимерной матрицы. Заметное влияние на транспортные свойства могут оказывать стационарные внутренние напряжения, возникающие при формовании пленочных материалов. В процессе сорбции полимером низкомолекулярных веществ разделяемой смеси вследствие сильного различия по-движностей молекул сорбируемого вещества и сегментов полимера возникают также нестационарные внутренние напряжения [1], достигающие на начальной стадии, когда имеет место межструктурное набухание, значительных величин. Набухшие области полимера испытывают напряжение сжатия вследствие наличия по соседству более жестких ненабухших областей. В ненабух-шей части полимера действуют, соответственно, растягивающие напряжения. При развитии набухания осмотически генерируемое сжатие подобно локальному возрастанию парциального давления, что приводит к повышению химического потенциала пенетранта за счет зависимости его от давления.

Возникновение разнородных внутренних напряжений в мембране может привести к образованию большого количества микротрещин и микродефектов, расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению диффузионного потока [2]. Порядок величин внутренних растягивающих напряжений, как нами было показано [3], составляет 107 Па. Такое значение было получено для активного слоя асимметричных мембран из поливинилтриметилсилана при их контакте с водным раствором изопропанола. Максимальную величину внутренних растягивающих напряжений рассчитывали по формуле Гриффитса, а необходимое для расчета критическое поверхностное натяжение по формуле Юнга. Для этого использовали экспериментальные изотермы поверхностного натяжения водных растворов изо-пропанола и изотермы напряжения смачивания ими полимера.

Плотность потока, т.е. поток, отнесенный к единице площади, не зависит от величины самой площади, но специфика первапорационных экспериментов состоит в том, что вакуумно-плотная фиксация мембран в установке затрудняет их усадку, поэтому возникновение и релаксация нестационарных внутренних напряжений не будут одинаковыми в пленках разной площади. Наибольшее значение внутренних напряжений будет проявляться в пленках малой площади, так как с увеличением площади возрастает скорость релаксации напряжений.

В работе [4] было показано, что механически напряженное состояние первапорационных мембран (пленок) из полиэтилентерефталата, ароматических сульфонатсодержащих полиамидов и ХТЗ в экспериментальных установках, действительно, зависит от их площади. Модельные бинарные растворы, подлежащие разделению, содержали компонент, в котором полимер хорошо набухает, а второй компонент такими свойствами не обладал. Таким образом, изменяя концентрацию разделяемого раствора, можно было регулировать степень набухания полимера и, следовательно, структурные изменения, сопровождающие этот процесс.

Мощным средством модификации структуры и свойств стеклообразных аморфно-кристаллических полимеров является также крейзинг — процесс, в котором механически-напряженное состояние задается внешним воздействием [5, 6]. Крейзами называют особые зоны пластической деформации, представляющие собой области вы-сокоупорядоченной фибриллярной пористой структуры полимера. Они образуются в результате дестабилизирующего действия механического напряжения в процессе вытяжки полимеров в ад-сорбционно-активных средах. Таковыми называют жидкости, способные понижать поверхност-

ную энергию полимера, не вызывая его заметного набухания. В работе [6] показано, что избыточная величина плотности потока целевого компонента, названная нами критерием эффективности, в системе /-Рг0Н—Н20—ПА-6 при различных значениях степени одноосной вытяжки x проходит через максимум при x = 50%, а затем уменьшается вследствие коллапса пор.

Представленная статья является второй публикацией из посвященных экспериментальному изучению транспортных свойств пленок ХТЗ в процессе первапорации через них водноспиртовых растворов. В отличие от первой публикации [7], речь пойдет о ХТЗ китайского производства с молекулярной массой 190 кДа, размером частиц <0.3 мм, растворимостью 100%, степенью деацетилирова-ния 0.86 ± 0.01, влажностью 9.5%, зольностью <0.3%. При этом использовались две первапора-ционные установки, рассчитанные на работу с мембранами (пленками) площадью 2 и 20 см2. Как и в работе [7], эксперименты были проведены при 22°С на пленках, сформованных в водно-уксуснокислых растворах, содержащих, в том числе, осадитель ХТЗ — этанол. Толщина пленок составляла 30—40 мкм при их разнотолщинности ±5 мкм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведена зависимость плотности потока через пленку площадью 20 см2 от составов исходного (/-Рг0Н—Н20) и формовочного (Н20-СН3С00Н-ЕЮН) растворов. Плотность потоков J чистых компонентов — изопропанола и воды — в сотни раз превышает величины J их растворов. Измерения плотности потоков воды при w ^ 1 на пленках, сформованных из растворов, не содержащих этанол и содержащих его 20мас. %, прекратили, не достигнув стационарного состояния, в связи с возникшим подозрением, что массоперенос сопровождается неограниченным набуханием полимера. Поэтому нестационарные значения J, равные 4—5 кг/(м2ч), помещены не на ось ординат, а рядом с ней. Стационарную плотность потока чистой воды через полимер, сформованный из раствора, содержащего 40 мас. % этанола, можно было легко измерить.

Таким образом, в процессе первапорации плотность потока чистой воды через пленки ХТЗ возрастает с уменьшением концентрации в формовочном растворе компонента-осадителя и становится наибольшей, когда последний — отсутствует. Для чистого изопропанола зависимость иная, его плотность потока оказывается наименьшей в случае пленок ХТЗ, сформованных в рас-

J х 102, кг/(м2 ч)

^2, мас. доля

Рис. 1. Зависимости плотности первапорационного потока пермеата через пленки ХТЗ площадью 20 см2 в системе г'-Рг0Н—Н20—ХТЗ(190) от массовой доли воды в исходном растворе при содержании этанола в формовочном растворе пленок, равном 0 (1), 20 (2) и 40 мас. % (3).

, мас. доля

^2, мас. доля

Рис. 2. Зависимости селективности разделения в системе г'-Рг0Н—Н20—ХТЗ(190) от массовой доли воды в исходном растворе при площади пленок ХТЗ 20 см2 и содержании этанола в их формовочном растворе, равном 0 (1), 20 (2) и 40 мас. % (3).

творе, не содержащем этанол. Для водных растворов изопропанола плотность первапорационного потока наибольшая через пленки, сформованные в растворе, не содержащем этанол, т.е. такая, как и для воды.

Описанная ситуация вполне объяснима: появление в формовочном растворе осадителя увеличивает число контактов полимер—полимер, что уменьшает свободный объем в сформованной пленке и, как следствие, ее проницаемость. Тогда селективность разделения на пленке, сформованной из раствора с наибольшей концентрацией этанола, должна быть больше, чем в остальных случаях, что подтверждают данные, приведенные на рис. 2. Сдвиг концентрации целевого компонента между пермеатом и исходным раствором Д^2 = w2 — w2 характеризует селективность разделения. Расположение кривых 1—3 ниже диагонали кв

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком