ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Концентрация растворенных веществ Igg Природа растворенных веществ из "Обратный осмос и ультрафильтрация" Одной из главных задач, которые предстоит решать в ближайшем будущем, является раскрытие механизма процессов селективной проницаемости мембран и создание количественной теории мембранных процессов. Это, Б свою очередь, в значительной мере поможет при разработке основных положений теории направленного получения мембран с заранее заданными свойствами, а также позволит проводить технологический расчет и проектирование мембранных аппаратов и установок без постановки предварительных экспериментов. В этой связи большое значение приобретают исследования по выявлению влияния внешних факторов (давления, температуры и др.) на селективность и проницаемость мембран, поскольку они не только отвечают на вопрос, для каких целей и в каких интервалах переменных может быть наиболее рационально использован данный метод, но и помогают глубже познавать сущность мембранных процессов. [c.169] Значительный технологический эффект может быть получен от воздействия на мембранные системы таких внешних факторов, как электрические и магнитные поля, ультразвуковые волны и т. д. Более того, изучение влияния этих факторов на характеристики процесса разделения позволит полнее вскрыть механизм обратного осмоса и ультрафильтрации. [c.169] Основными факторами, оказывающими влияние на скорость и селективность обратного осмоса и ультрафнльтрации, являются рабочее давление, гидродинамические условия в аппарате, природа и концентрация разделяемого раствора, температура. При использовании уплотняющихся мембран имеет значение также продолжительность их работы. [c.170] В процессе разделения растворов с помощью полупроницаемых мембран через мембрану преимущественно проходит растворитель. При этом концентрация растворенного вещества в пограничном слое у поверхности мембраны увеличивается. Повышение концентрации происходит до тех пор, пока под действием возникающего градиента концентраций растворенного вещества между поверхностью мембраны и объемом раствора не установится динамическое равновесие. [c.170] Понятно, что изучение явления концентрационной поляризации, оценка его влияния на процесс обратного осмоса и ультрафильтрации и определение возможных путей снижения этого влияния представляет важную задачу при проектировании мембранных установок. [c.170] Концентрационная поляризация связана с образованием пограничного слоя, отделяющего поверхность мембраны от раствора в объеме. Толщина этого пограничного слоя в общем случае определяется гидродинамическими условиями в аппарате — интенсивностью перемешивания и скоростью движения потока. Профиль концентрации внутри этого слоя также зависит от режима движения раствора. [c.170] Распределение концентрации в пограничном слое. [c.171] На рис. 1У-2 приведены расчетные данные [145], которые иллюстрируют зависимость концентрационной поляризации от проницаемости мембраны и числа Рейнольдса (Ке = ш г/ ) в турбулентном потоке при разделении 4%-ного водного раствора МаС1 с П01 10 щью трубчатых мембран. Как видно из рис. 1У-2, концентрационная поляризация особенно значительна для мембран с высокой проницаемостью при не-больши. С значениях (Не. [c.173] Увеличение проницаемости и селективности с ростом турбулизации объясняется уменьшением концентрации раствора в пограничном слое и приближении ее к концентрации в ядре потока, что вызывает снижение осмотического давления я и соответствующее увеличение движущей силы процесса. При недостаточной турбулизации раствора над мембраной величина Хз/Х] может достигать значений порядка 10 и более при толщине пограничного слоя бг=100—300 мкм [146]. [c.174] Скорость диффузии растворенного вещества с большой молекулярной массой ( 500) в раствор низка и значительно меньше скорости диффузии электролита. Поэтому влияние концентрационной поляризации на процесс ультрафильтрации намного сильнее, чем на процесс обратного осмоса. Концентрация у поверхности мембраны при ультрафильтрации может достигнуть такого значения, что на мембране может образоваться слой геля, который резко снижает скорость процесса. Для того чтобы повысить скорость ультрафнльтрации, приходится интенсивно перемешивать раствор или прокачивать его с большой скоростью (до 3—5 м/с) над мембраной. Однако в ряде случаев такой путь оказывается непригодным, так как приводит к резкому повышению расхода энергии на циркуляцию раствора, недопустимому повышению температуры раствора, разрушению структуры некоторых биополимеров и т. п. В этих случаях более рациональным может оказаться применение турбулизирующих вставок. [c.174] В аппаратах с плоскими мембранами используются турбулизаторы в виде сплошных пластмассовых шариков, диаметр которых на 0,3— 0,5 мм меньше расстояния между двумя мембранами, образующими канал для протекания раствора. Скорость ультрафильтрации увеличивается в 1,5—2 раза, если при этом движение раствора будет возвратно-поступательное при частоте пульсации примерно 60 мин-. Для такого увеличения скорости процесса при стационарном режиме движения раствора необходимо повышение скорости потоку примерно в б раз [148]. [c.175] К недостаткам рассмотренных турбулизаторов относятся увеличение расстояния между мембранами, что снижает удельную рабочук поверхность мембран на 15—20%, и эрозионное действие потока на фильтрирующий слой мембраны. [c.175] Для повышения скорости ультрафильтрации в каналы между мембранами вводятся полые тела (из жесткого или эластичного материала) клиновидной формы с острым углом, направленным против движения потока. Однако и этим турбулизаторам присущ общий недостаток большинства неподвижных вставок — возможность образования застойных зон. [c.175] Повышение температуры исходного раствора также улучшает условия процесса разделения увеличивает коэффициент диффузии растворенного вещества в ядро потока, уменьшает вязкость раствора. Все это приводит к снижению влияния концентрационной поляризации, но связано с дополнительным расходом энергии на нагрев раствора и усложнением установки. [c.175] Другой метод борьбы с концентрационной поляризацией — применение аппаратуры с узкими межмембранными каналами, по которым разделяемый раствор протекает в ламинарном режиме. При этом возможна довольно плотная укладка мембран, снижение капитальных и эисргстических затрат. Однако оборудование в этом случае значительно сложнее. [c.175] Для расчета коэффициента массоотдачп, учитывающего влияние концснтрациоппой поляризации на перенос растворенного вещества к поверхности мембраны, предложен ряд уравнений (табл. IV. 1). Эти расчетные уравнения основываются на решениях дифференциальных уравнений Навье—Стокса (для ламинарного [149] и турбулентного [150] потоков в каналах с отсосом ) и конвективной диффузии [144, 151]. [c.175] Естественная конвекция увеличивает концентрационную поляризацию у поверхности нижней мембраны и ослабляет — у верхней. [c.177] В результате воздействия высокого давления на полимерный материал наблюдаются значительные остаточные деформации. Такие свойства полимеров называются вязкоэластичными. Опыты показали [153], что вязкоэластичные свойства характерны и для ацетатцеллюлозных мембран при снятии давления структура мембраны не возвращается в исходное состояние. Усадка структуры мембраны с течением времени (особенно заметная в первые часы работы мембраны) снижает проницаемость и повышает селективность. Спустя сутки после снятия давления характеристики мембраны не восстанавливаются до исходных значений— произошла некоторая остаточная деформация структуры мембраны. Практически установившийся режим по проницаемости и селективности обычно наступает через 5—6 ч. [c.177] В действительности замедленное, но непрерывное снижение О наблюдается в течение всего срока службы мембраны, который и определяется именно этим показателем, но не механической прочностью мембраны. Анализ полученных данных [153] показал, что в качестве критерия, характеризующего вязкоэластичные свойства мембраны, а следовательно, и срок ее службы, можно принять площадь петли гистерезиса (рис. 1У-5, а, б), описываемой кривой С = 1(Р) при последовательном увеличении Р от нуля до некоторого значения, а затем изменение давления в обратной последовательности. [c.177] На рис. 1У-6 схематично показан разрез мембраны по толщине в нерабочем (а) и рабочем (б и в) состояниях (масштаб рисунка не позволяет соблюсти пропорции — размер пор в активном слое в действительности значительно меньше). В нормальном положении мембраны активный слой, опираясь на крупнопористую основу, при повышении давления уплотняется (рис. У-б, б), в результате чего увеличивается селективность (рис. 1У-6, г). Максимум на кривой проницаемости (рис. 1У-5, а, в и 1У-б, г) объясняется тем, что снижение эффективной площади мембраны (вследствие уменьшения пор в активном слое) происходит быстрее, чем увеличение движущей силы процесса за счет повышения рабочего давления. [c.178] Вернуться к основной статье