Жидкая пленка может быть использована в качестве мембраны, помещенной между двумя фазами, и обычно эти фазы – тоже жидкости. Перенос вещества происходит по тем же законам, а разделение – из-за различий в величинах коэффициентов растворимости и диффузии.
На рисунке 2.14 показаны два способа осуществления процесса.
Рис.2.14. Схема двух типов жидких мембран
В первом случае мембранную жидкость наносят на любую пористую перегородку – носитель, где она стабилизируется. Пористая перегородка должна иметь большую пористость, быть гидрофобной, тонкой и механически прочной. Во втором – мембрану формируют в виде оболочки капли. На рисунке 2.15 показана последовательность операций при формировании эмульсионной жидкой мембраны.
Рис.2.15. Приготовление эмульсионной жидкой мембраны
Сначала диспергированием воды в масле готовят и стабилизируют прямую эмульсию, затем диспергированием этой эмульсии в воде готовят обратную эмульсию. В качестве мембранного материала используют органическую неполярную жидкость.
Если в фазе 1 содержится несколько компонентов, то их перенос в фазу 2 будет определяться величинами коэффициентов распределения, которые, в свою очередь, пропорциональны коэффициентам растворимости в воде и в мембране. Используя то обстоятельство, что мембрана является жидкой, иногда в нее вводят вещества, усиливающие растворимость целевого компонента в мембране за счет образования комплексов с переносимым компонентом. На рисунке 2.16 показана схема такого переноса (называется «паромный перенос» или «транспорт с переносчиком»).
Рис.2.16. Механизм транспорта с переносчиком
В паромном переносе выделяются четыре стадии процесса:
- образование комплекса между переносчиком и компонентом А на границе раздела «фаза 1 – мембрана»;
- диффузия комплекса через мембрану под действием градиента концентраций теперь уже комплекса;
- распад комплекса на границе раздела «мембрана – фаза 2»;
- обратная диффузия переносчика в мембране под действием градиента концентраций свободного переносчика.
Введением переносчика можно кардинально увеличить селективность процесса разделения. Кроме того, можно добиться переноса компонента А даже против градиента его концентрации, если в фазе 2 к переносчику будет цепляться какой-либо третий компонент D, и коэффициент диффузии комплекса «D + переносчик» будет высоким. На рисунке 2.17 схематично изображена такая ситуация.
Рис.2.17. Противоточный транспорт ионов NO-3 и Cl-
с переносчиком – третичным амином
В общей виде уравнение переноса можно записать из двух частей – перенос свободного компонента и перенос его в составе комплекса:
KGA KGA+K
GA = ------ (CoA - CeA) + --------- (CoA+K - CeA+K) (2.16)
l l
Жидкости, формирующие мембрану, должны иметь минимальную растворимость в воде и невысокую вязкость. Первое свойство определяет ресурс мембраны, т.е. срок ее службы. Второе – величину коэффициента диффузии. Иногда жертвуют вторым в пользу первого, вводя в жидкую мембрану желирующие добавки (поливинилхлорид, полиакрилонитрил).
Потенциально применение жидких мембран очень широко, хотя низкие удельные производительности это сильно ограничивают. Надо упомянуть одно весьма привлекательное – изготовление защитных кремов на основе эмульсионных жидких мембран для людей, работающих с токсичными веществами.