Развитие термодинамических подходов для моделирования нанофильтрации органических жидких сред через полимерные мембраны

Развит метод для расчета коэффициента распределения молекул красителей в набухшей полимерной мембране. Метод основан на статистико-термодинамической теории “масштабной частицы” в сочетании с ван-дер-ваальсовым приближением для учета сил межмолекулярного притяжения. Получено выражение для свободной энергии Гиббса, а также энтальпии и энтропии переноса молекул из раствора в полимерную фазу. Развитый теоретический подход при отсутствии подгоночных параметров качественно верно соответствует эксперименту. Введение поправочного множителя, близкого к единице, для межмолекулярных взаимодействий краситель - растворитель позволяет достичь количественного согласия с опытом. Для моделирования баромембранного разделения растворов неэлектролитов через полимерные мембраны разработан аналитический подход, обобщающий известные в литературе модели растворения - диффузии и Шпиглера - Кедем. Этот подход учитывает диффузионное сопряжение потоков, а также влияние давления на перенос целевого (разбавленного) компонента. Показано, что сопряжение потоков оказывает существенное влияние на величину и знак коэффициента удерживания, который может быть как положительным, так и отрицательным. Вклад сопряжения в поток целевого компонента становится доминирующим при значении мембранного числа Пекле большем двух. Тестирование модели для системы краситель/растворитель/полимер (политриметилсилилпропин (ПТМСП), поли-4-метил-2-пентин (ПМП) показало, что она количественно описывает эксперимент по нанофильтрационному разделению. Найденные при моделировании коэффициенты диффузии растворенного вещества хорошо согласуются с данными, полученными методом диализа. Модель баромембранного разделения органических сред через полимерные мембраны расширена на случай любых концентраций растворенного вещества в бинарном растворе, а также на случай тернарных растворов. В последнем случае модель успешно протестирована для процесса нанофильтрации красителей из водно-органических растворов. В качестве компонентов разделяемых растворов исследованы спирты, олефины, альдегиды, апротонные растворители и др. Полученные экспериментальные результаты по селективности полимерных мембран использованы для валидации разработанной модели массопереноса.