Проблемы процесса ультрафильтрации и пути возможного их решения, страница 3

Модель растворения-диффузии [4] основана на следующих предположениях. Каждый компонент раствора растворяется в мембране и диффундирует через неё, причём конвективные потоки растворителя и растворённого вещества отсутствуют, а перенос компонентов раствора описываются диффузионным законом Фика. Перенос каждого компонента раствора определяется только его собственной разностью химических потенциалов по обе стороны мембраны. Модель растворения-диффузии не отражает реальной картины массопереноса через УФ мембрану, так как при этом процессе преобладающим является капиллярное течение [4, 7].

Для описания этого процесса используют модель пор (тонкопористая и грубопористая). Согласно этой модели разделение на УФ мембранах объясняется тем, что молекулы задерживаемых веществ имеют размеры, превышающие размеры пор мембраны. Объёмный поток через мембрану определяется по модифицированному уравнению Пуазейля:

                               (2.8.)

Гипотезы Волгина, Карклина, активированной диффузии дырчатого типа, Богданова-Салдадзе и др. углубляют и расширяют представления о механизме массопереноса через полупроницаемые мембраны.

Однако ни ода из этих моделей не могла дать полной картины транспортных процессов в УФ, поскольку не учитывала всей совокупности взаимодействий в системе «мембрана - растворитель - растворенное вещество».

В настоящее время широко используется капиллярно-фильтрационная модель селективной проницаемости, разработанной Дытнерским, которая позволяет подойти к рассмотрению мембранного процесса с учетов взаимодействий в системе "мембрана-раствор" и объяснить влияние внешних факторов на характеристики разделения. Согласно капиллярно-фильтрационной модели, при контакте раствора с полупроницаемой мембраной на поверхности мембраны и в порах образуется слой «связанной» воды. Толщина его составляем м. Структура "связанной воды" отличается от объёмной, так как взаимодействие молекул с активными центрами мембраны искажает существующую в воде сетку водородных Н-связей. При этом наблюдаются структурные изменения Н-связей на значительном расстоянии от подложки. Силовое поле поверхности мембраны, меняя структуру граничных слоев, влияет на условия течения в них. Так, "связанная" вода отличается меньшей растворяющей способностью, что позволяет объяснить селективность мембран для тех молекул растворенного вещества, которые не растворяются в "связанной" воде.

Капиллярно-фильтрационная модель позволяет также объяснить многие закономерности УФ разделения растворов ВМС. С позиции капиллярно-фильтрационной модели можно, на пример объяснить тот факт, что гидрофильные мембраны являются непроницаемыми для некоторых белковых макромолекул, размер которых меньше размеров пор [7, 5].

Рисунок 2.2. К механизму селективной проницаемости пористой гидрофильной мембраны.

Так, известно, что белки можно рассматривать как полимеры аминокислот, образованные путём конденсации. Наиболее компактной структурой отличаются глобулярные белки. В принципе белок может принимать множество конформационных состояний, зависящих от ряда условий, прежде всего, - от природы растворителя. В "хорошем" растворителе (например, в объемной воде), то есть в таком, для которого теплота смешения с полимером нулевая или отрицательная (экзотермический процесс), форма молекулы белка будет более протяженной. В "плохом" растворителе, в таком, как "связанная" вода, для которого энтальпия смешения с полимером положительная, полипептидная цепь сворачивается таким образом, чтобы в контакте с нею оставалось как можно меньше свободного объёма, не занятого самим белком. То ость, цепь стремиться образовать клубок, который не может пройти через мембрану, а остается на ее поверхности.

Поток через мембрану по этой модели описывается уравнением:

                        (2.9.)

Определять размер пор мембраны для Ультрафильтрации с учётом толщины слоя связанной воды ∆R можно следующим образом [Дытнерский: Баромембранные. процессы.]: