Экспериментальные исследования сорбции тринатрийфосфата ультрафильтрационной мембраной УАМ-50П модифицированной наноматериалом таунит

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТО ГАПОУ СПО Педагогический колледж г. Тамбова

Экспериментальные исследования сорбции тринатрийфосфата ультрафильтрационной мембраной УАМ-50П модифицированной наноматериалом таунит

Шлянников Вадим Евгеньевич, студент

Руководитель: Головашин Владислав Львович, предподаватель

Annotation

For the first time obtained experimental data on the sorption capacity of the ultrafiltration membrane UAM -50P modified nanomaterial Town by trisodium phosphate, from an aqueous solution. Experimental data were analyzed by the Freundlich equation and are described, for which the numerical coefficients are selected.

Keywords: membrane, mass transfer, sorption

Аннотация

Впервые получены экспериментальные данные по сорбционной емкости ультрафильтрационной мембраны УАМ-50П модифицированной наноматериалом таунит, по тринатрийфосфату, из водного раствора. Экспериментальные данные проанализированы и описаны уравнением Фрейндлиха, для которого подобраны числовые коэффициенты.

Ключевые слова: мембрана, массоперенос, сорбция.

Введение

При инженерных расчетах и математическом моделировании работы мембранных аппаратов и установок используют равновесный коэффициент распределения. Зная равновесный коэффициент распределения можно оценить истинный коэффициент задержания мембраны по растворенному веществу. Нами проведены исследования по выявлению влияния природы растворенных веществ, концентрации и температуры раствора на сорбционную емкость мембраны УАМ-50П, модифицированной наноматериалом таунит.

Экспериментальная часть

Исследования по сорбции растворенного вещества мембраной проводились на установке, основными элементами которой являлись термостат, принадлежности для измерения линейных размеров образцов мембран и стеклянная тара.

В качестве стеклянной тары применяли бюксы (V = 50 мл), в которые помещали исследуемые образцы мембран и раствор, и колбы (V = 250 мл) с раствором различной концентрации растворенного вещества.

Измерительные принадлежности использовались для измерения линейных размеров - это длина, ширина и толщина исследуемого образца мембраны. Для этих целей применялась линейка с миллиметровой ценой деления и микрометр.

Методика определения сорбционной способности мембран сводилась к следующему. Из листов полимерных мембран вырезали образцы размером (14 · 4) · 10^-2 м. После предварительной подготовки мембран к работе (нанесения в проточной установке слоя наноматериала таунит) и замера толщины мембраны микрометром, мембраны помещали в герметичные бюксы и заливали приготовленными заранее водными растворами тринатрийфосфата различных концентраций. В случаи обнаружения различного рода дефектов: повреждений, сжатия или утолщений мембраны и отклонений размеров образцов мембран они подлежали замене. Далее бюксы с растворами и образцами мембран помещали в предварительно выведенный на заданный температурный режим термостат. После достижения равновесия (не менее чем через 24 часа при периодической смене раствора), мембраны извлекали из бюкс, снимали пленки раствора с поверхности мембраны фильтровальной бумагой и измеряли её геометрические размеры: длину, ширину и толщину. Затем образцы мембран помещали в герметичные бюксы с дистиллированной водой для вымывания растворенного вещества из мембран. Через каждые 24 часа воду в бюксах обновляли и при этом старую воду сливали в отведенные для этого колбы. Как правило, четырехкратной смены воды было достаточно для полной десорбции растворенного вещества из мембран. Далее замеряли объем промывной воды и концентрацию в ней десорбированного вещества из мембраны в каждой колбе.

По объемам промывной воды, концентрациям в них десорбированного вещества и по объемам образцов мембран рассчитывали концентрации растворенного вещества в образцах.

Несмотря на то, что принятая методика наиболее проста и доступна, она имеет ряд недостатков, которые существенно снижают точность экспериментальных данных. Наиболее значимыми причинами, вызывающими погрешность данной методики, являются: Во-первых, это проблема надежного и качественного удаления фильтровальной бумагой пленки раствора с мембраны. Т.к. несмотря на тщательность и аккуратность, с которой проводились эти эксперименты, нет гарантии, что во всех опытах достигалось одинаково полное удаление пленки раствора с поверхности мембраны. Во-вторых, из-за малого количества сорбированного вещества, вызванного ограниченным объемом исследуемой мембраны, возникает погрешность измерений концентраций в вымывающем растворе. Третья причина заключается в том, что исследуемые мембраны асимметричны, т.е. состоят из слоя нанесенного наноматериала таунит, активного слоя и подложки, структуры которых существенно отличаются. Поэтому трудно оценить степень сорбции каждого из них. Наиболее ценными являются сведения о сорбции нанесенного слоя наноматериала, но проведенные исследования не позволили этого достичь.

Коэффициенты распределения рассчитываются по концентрациям растворенного вещества в образцах мембран и в исходных растворах по следующей зависимости:

K_р = С_м / С_исх, (1)

де K_р - коэффициент распределения; С_м - концентрация растворенного вещества в полимерной мембране, кг/м³; С_исх - концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м³.

Концентрацию растворенного вещества в полимерной мембране определяли по следующей формуле:

С_м = m_м / V_м, (2)

где m_м - масса растворенного вещества в полимерной мембране (определяется экспериментально), кг; V_м - объем опытного образца мембраны, м³.

Объем опытного образца мембраны определяли следующим образом:

V_м = a · b · д, (3)

где a и b - длинна и ширина опытного образца мембраны, м; д - толщина образца мембраны, м.

Основные результаты

На рисунке 1 приведены зависимости коэффициента распределения вещества в мембране УАМ-50П, от исходной концентрации и температуры тринатрийфосфата.

Как видно из рисунка, с увеличением концентрации исходного раствора сорбционная способность полимерной мембраны уменьшается. Это можно объяснить заполнением объема пор сорбированными веществами, их сечение (через которое возможно протекание воды) может существенно снижаться. А наиболее узкие поры могут быть полностью заполнены адсорбированными молекулами, и быть недоступными для воды «блокированы». Все это имеет большое значение для объяснения поведения отдельных кинетических характеристик массопереноса при мембранном разделении.

тринатрийфосфат наноматериал таунит мембрана

Рис. 1 Зависимость коэффициента распределения от концентрации и температуры для раствора тринатрийфосфата: мембрана УАМ-50П; температуры T, К, обозначены: 1-295; 2-303; 3-311; 4-319; сплошная линия - эксперимент, штриховая расчёт по формуле (4)

На сорбцию веществ из раствора существенно влияет температура процесса. Известно [1-7], что температура на адсорбцию может влиять как положительно, так и отрицательно. В нашем случаи сорбционная способность полимерных мембран падает с ростом температуры раствора, так как увеличивается растворимость веществ в растворе. Как отмечается в [7], при сорбции из растворов атомы поверхности адсорбента взаимодействуют с молекулами растворенных веществ и с молекулами растворителя. При этом установлено [7], что чем больше растворимость вещества в воде, тем слабее оно адсорбируется.

При обработке полученных нами экспериментальных данных выяснилось, что изотермы сорбции для этих мембран и данных растворов достаточно хорошо описываются уравнением Фрейндлиха [7].

Для расчета равновесных коэффициентов распределения было использовано аппроксимационное уравнение вида:

(4)

где С, - концентрация раствора, кг/м³, T₀, T - реперная (принятая нами 293 ^оС) и рабочая температуры; b, n, m - экспериментальные коэффициенты.

Таблица 1

Значения эмпирических коэффициентов для формулы (4)

Расхождение экспериментальных и рассчитанных по формуле (4) значений не превышают 10%, что является достаточным для инженерных расчетов.

Библиографический список

Jozsef Toth. Adsorption: Theory, Modeling, and Analysis (Surfactant Science Series) 2006. P. 871.

Li Zhou. Adsorption: Progress in Fundamental and Application Research: Selected Reports at the 4th pacific Basin Conference on Adsorption Science and Technology Tianjin. 2008 P. 281.

Motoyuki Suzuki. Fundamentals of Adsorption: Proceedings of the Fourth International Conference on Fundamentals of Adsorption Kyoto, May 17-22, 1992 (Studies in Surface Science and Catalysis). Elsevier Science & Technology: 2009 P. 818.

Jean Rouquerol. Adsorption by Powders and Porous Solids: Principles, Methodology and Applications. 2005. P. 467.

Hellmut G. Karge, Jens Weitkamp. Adsorption and Diffusion (Molecular Sieves) 2008. P. 467.

Адсорбция растворенных веществ / А.М. Когановский [и др.]. Киев: Наукова думка, 1977. 223 с.

Адсорбция органических веществ из воды /А.М. Когановский, И.А. [и др.]. Л.: Химия, 1990. 256 с.

Размещено на Allbest.ru