В этом технологическом приеме для увеличения эффективности разделения многокомпонентных смесей используют различия в химических свойствах компонентов. Метод основан на переводе растворенных низкомолекулярных компонентов в новое ассоциированное молекулярное или коллоидное состояние с последующим отделением ассоциированной формы на крупнопористой мембране.
Перевод в ассоциированное состояние проводят реагентами, которые вступают в различные химические реакции с целевыми компонентами раствора, поэтому процесс иногда называют «реагентная ультрафильтрация».
Ассоциирование, т.е. кардинальное укрупнение частиц целевого компонента, можно осуществить несколькими способами:
1. Добавление в раствор водонерастворимого органического соединения, которое по механизму экстракции взаимодействует с нужным компонентом. Образуется микроэмульсия, которая далее разделяется на мембране с выполнением соответствующих требований.
2. Добавление в раствор водорастворимых полиэлектролитов с такими функциональными группами, которые способны по механизму ионного обмена, комплексообразования и т.п. присоединить к себе нужные компоненты. Образуется комплексное соединение большой молекулярной массы (см.рис.6.4).
Рис.6.4. Структура комплексной молекулы функционально активного полиэлектролита
с присоединенным целевым компонентом:
1 – функциональные группы полиэлектролита; 2 – основная цепь молекулы полимера;
3 – молекула целевого компонента
Раствор остается гомогенным, разделение осуществляют по закономерностям ультрафильтрации растворов ВМС. В процессе разделения очень эффективным является применение диафильтрации. После разделения возможна обратная реакция отсоединения целевого компонента от полиэлектролита и повторное разделение на ультрафильтрационной мембране. Тогда возникает возможность многократного использования полиэлектролита.
При использовании 2-го варианта надо учитывать проблемы гель-поляризации, которые осложняют также и прохождение остающихся неассоциированными нецелевых компонентов через мембрану, задерживающая способность которой по этим компонентам должна быть минимальной. Основным параметром, определяющим эффективность метода, является избирательность и полнота химической реакции связывания полиэлектролитом низкомолекулярного целевого компонента. Например, для иона йода идеальным партнером является крахмал.
3. Добавление в раствор свежеприготовленного золя, на частицах которого за счет физической адсорбции связывается нужный компонент.
4. Перевод растворенных ионных частиц компонента сначала в молекулярную, а затем в коллоидную форму при их гидролизе в результате добавления в раствор щелочи. В отличие от чисто осадительных процедур расход щелочи снижается в несколько раз до стехиометрического.
5. Добавление в раствор химических реагентов, при взаимодействии с которыми нужный компонент переводится в нерастворимую форму. Образование осадка должно быть остановлено на стадии формирования коллоидной фазы.
При использовании 4 и 5 вариантов учитывают закономерности процесса образования осадков. Известно, что это происходит при пересыщении системы и процесс можно разделить на четыре этапа: 1 – образование молекул будущего осадка; 2 – образование зародышей критического размера; 3 – рост частиц вокруг зародышей; 4 – осаждение хлопьев и старение осадка. Все эти четыре этапа происходят на фоне и по причине постоянно растущей концентрации реагентов. Остановить процесс на этапе коллоидной фазы, т.е. на втором, можно прекращением добавления реагентов, а, значит, существенным снижением их потребности.
Мембранный реактор
Концепция мембранного реактора заключается в следующем: при проведении большинства химических реакций скорость накопления продукта постоянно падает и превращается в нуль при достижении системой равновесия. Накапливающийся продукт инициирует и постоянно ускоряет обратную реакцию, при равновесии скорости прямой и обратной реакций равны. Если из системы выводить продукт, можно добиться полной конверсии сырья и сохранить высокую начальную производительность процесса. Вывести продукт из реакционной среды проще всего с помощью полупроницаемой мембраны.
На рисунке 6.5 представлены два варианта мембранного реактора – со встроенной в реактор мембраной (а) и с вынесенным мембранным аппаратом (б).
Рис.6.5. Принципиальные схемы мембранных реакторов:
а – со встроенной мембраной; б – с вынесенным мембранным аппаратом
Для реализации концепции мембранного реактора необходимо, чтобы мембрана легко пропускала продукт, но задерживала исходные реагирующие компоненты. Это ограничивает перечень процессов. Наиболее успешно концепция развивается в биотехнологии, где протекают процессы ферментативного и микробного катализа.