Транспорт ионов через мембраны представляет собой совокупность процессов, определяемых структурой мембраны, свойствами ионов и электрохимическим потенциалом среды. Мембраны могут быть природного происхождения (биологические) или синтетическими (полимерные, керамические, композитные). Основными механизмами переноса ионов являются: диффузия, активный транспорт, электродиализ и осмотический перенос.
Диффузия обусловлена градиентом концентрации ионов по обе стороны мембраны. Закон Фика описывает скорость диффузии:
$$ J = -D \frac{dC}{dx} $$
где J — поток вещества, D — коэффициент диффузии, C — концентрация, x — координата.
Для ионов через полупроницаемые мембраны диффузия сопровождается разделением зарядов, что может создавать локальное электрическое поле, влияющее на последующую миграцию ионов. В полимерных ионообменных мембранах диффузионная проницаемость зависит от степени кросс-связывания полимера и содержания функциональных групп.
Электродиализ представляет собой транспорт ионов под действием внешнего электрического поля через чередующиеся катионо- и анионообменные мембраны. Поток ионов определяется выражением:
$$ J_i = -D_i \frac{dC_i}{dx} + z_i u_i F C_i E $$
где Ji — поток i-го иона, Di — коэффициент диффузии, zi — заряд, ui — подвижность, F — постоянная Фарадея, E — напряжённость поля.
Электродиализ применяется для обезсоливания воды, разделения ионов металлов, а также для концентрирования биологически активных веществ. Эффективность процесса зависит от селективности мембран, плотности тока и концентрационного градиента.
Активный транспорт осуществляется против градиента концентрации за счёт затраты энергии, чаще всего химической (гидролиз АТФ). В синтетических системах он моделируется через мембранные насосы и электрополимерные структуры, способные перекачивать ионы целенаправленно. Основные характеристики активного транспорта:
Ионы часто переносятся через мембраны совместно с растворителем, что связано с осмотическим давлением. В полупроницаемых мембранах вода мигрирует в направлении повышения концентрации растворённых веществ, создавая конвекционный поток, способствующий переносу ионов. В системах обратного осмоса и нанофильтрации эта зависимость используется для удаления солей и органических примесей.
Селективность определяется способностью мембраны предпочтительно пропускать определённые ионы, что зависит от:
Существуют мембраны катионные, анионные и смешанного типа. Катионные мембраны имеют отрицательно заряженные группы (–SO₃⁻, –COO⁻), пропускающие положительно заряженные ионы, а анионные мембраны содержат положительные группы (–NR₄⁺), способные переносить анионы.
Концентрационный градиент, температура, pH среды и электрическое поле существенно влияют на скорость и характер переноса ионов.
Для количественной оценки процессов используют модели Нернста–Планка, учитывающие одновременно диффузию, миграцию и конвекцию. Уравнение имеет вид:
$$ J_i = -D_i \frac{dC_i}{dx} - \frac{z_i F D_i}{RT} C_i \frac{d\phi}{dx} + C_i v $$
где ϕ — электрический потенциал, v — скорость конвективного потока.
Модели позволяют прогнозировать эффективность разделения ионов, оптимизировать мембранные системы и разрабатывать новые материалы с улучшенными свойствами.
Эффективность и стабильность этих процессов зависит от химической и механической стойкости мембраны, её селективности и способности к регенерации.