Как показано, поляризационные явления снижают и удельную производительность мембраны, и часто эффективность разделения. Поэтому стремление уменьшить их влияние продиктовано желанием повысить экономическую привлекательность мембранной технологии.
Принципиально надо учитывать, что любые технические решения требуют дополнительных затрат – и энергетических, и финансовых. Поэтому хорошим решением будет такое, у которого прибыльность от использования будет больше, чем затраты на внедрение.
Насколько важным для мембранной технологии является рассматриваемая проблема, можно судить по такому лозунгу, выдвинутому на одной из мембранных конференций одним из ведущих специалистов А.Н.Черкасовым: «История промышленной мембранной технологии есть история борьбы с концентрационной поляризацией».
Все способы можно разделить на три группы:
- предварительная обработка разделяемых растворов;
- изменения параметров проведения процесса;
- регенерация мембран.
Способы первой группы основаны на том, что изменяется состав исходного раствора либо путём предварительного вывода определенных компонентов, либо путём добавления веществ, изменяющих поведение компонентов при концентрировании.
1. Если главная задача – обессоливание раствора, то из него необходимо вывести все компоненты, способные образовать гели или отложения на мембране. Для этого используют фильтрование, коагуляцию с отстаиванием, центрифугирование. Удачным решением является каскадная фильтрация – сначала на сетке с ячейкой 10-20 мкм, затем микрофильтрация – 0,2-0,5 мкм, затем ультрафильтрация – 0,005-0,01 мкм.
2. Обезжелезивание растворов. Железо при гидролизе превращается в гидроокись Fe(OH)3 – ржавчину, которая на мембране образует гели, часто необратимые. Поэтому необходимо в раствор сначала ввести окислитель – О3, О2, другие, которые железо двухвалентное окислят до трехвалентного, выдержать раствор до образования хлопьев Fe(OH)3, далее отфильтровать и только потом подавать на мембраны.
3. Вывод растворенных органических компонентов адсорбцией на активированном угле, цеолитах и других молекулярных сорбентах.
4. Изменение кислотности растворов. Достигают этого добавлением в раствор кислоты или щелочи. При этом может измениться способность к гелеобразованию, пределы растворимости, конформация молекул и т.п., что предотвратит выпадение осадка или появление геля.
5. Введение ингибиторов осадкообразования. Обычно это делают для предотвращения выпадения солей жесткости – сульфатов и карбонатов Са и Mg.
Вторая группа способов является следствием теоретической модели КП и ГП. Основные уравнения:
Сm G
КП = ── = exp (──) (3.7)
Со β
β = f (ω, ρ, 1/μ, D, dr, 1/ℓ) (3.9)
ε ∙ r2
G = KG ∙ΔP = ──────── ∙ ΔP (2.9)
8 ∙ η ∙ ℓ ∙ r
Чем выше удельная производительность мембраны и чем меньше коэффициент массоотдачи от ядра потока к мембране, тем сильнее влияние КП. Суть большинства способов этой группы сводится к интенсификации отвода задерживаемых компонентов от мембраны в ядро потока, т.е. к понижению Сm.
6. Уменьшение удельной производительности мембраны является эффективным способом. Это достигают снижением движущей силы процесса или выбором мембраны с меньшим размером пор. Недостатки – необходимость увеличения общей потребной площади мембран для обеспечения заданной производительности.
7. Повышение температуры разделяемого раствора, что приводит к снижению его вязкости и увеличению коэффициента диффузии. Недостаток – большие энергозатраты.
8. Повышение скорости потока вдоль мембраны до достижения турбулентного режима. При этом в потоке возникают поперечные вихри, создающие конвективный перенос жидкости от мембраны в ядро потока (замена молекулярной диффузии конвективной диффузией). Это полезно с точки зрения КП. Рассмотрим скоростное воздействие на твердую частицу, стремящуюся сесть на мембрану. На рисунке 3.9 схематично изображены силы, действующие на частицу у поверхности мембраны.
Рис.3.9. Схематичное изображение сил, действующих на частицу, расположенную на поверхности мембраны
Условием предотвращения осаждения частицы на мембране является неравенство:
FX > k ∙ FN (3.11)
где k – коэффициент, учитывающий взаимодействие частицы с материалом мембраны (электростатическое, адгезионное и др.).
В зависимости от режима течения эпюра скоростей по нормали к мембране имеет определенный вид. Величину скорости w в вязком подслое можно вычислить для того, чтобы определить FX. Неравенство 3.11 подробно записывается следующим образом:
πdr2 πdr2
w2 ∙ ρ ∙ ─── > k ∙ G2 ∙ ρ ∙ ───; w2 > kG2 (3.12)
4 4
где G – удельная производительность мембраны, м3/м2с,
ρ – плотность среды в вязком подслое.
Для предотвращения осаждения частицы на мембране продольная скорость потока в пограничном слое должна быть выше поперечной с учетом сил взаимодействия частицы с поверхностью мембраны.
Величину коэффициента взаимодействия k можно установить только экспериментально, и обычно она находится в пределах 103-104.
Основной недостаток способа – низкий коэффициент концентрирования при большом объемном расходе вдоль мембраны.
Пример 3.1. Удельная производительность трубчатой микрофильтрационной мембраны по культуральной жидкости, содержащей дрожжевые клетки (dr = 1 мкм), при давлении 0,25 МПа составляет 300 л/м2час.
Рассчитать степень концентрирования потока в условиях предотвращения отложений микроорганизмов на поверхности мембраны, если ее диаметр – 16 мм, L = 2 м, коэффициент взаимодействия клеток с мембраной k = 5,6 ∙ 103, а линейная скорость жидкости в пограничном слое составляет 0,125 от скорости по оси канала.
G = 300 л/м2час = 8,3 ∙ 10-5 м/с
wпс = G ∙ k = 5,6 ∙ 103 ∙ 8,3 ∙ 10-5 = 4,65 ∙ 10-1 м/с
ωпс 0,465
w ос = ─── = ─── = 3,72 м/с
0,125 0,125
При турбулентном режиме течения wср = 0,8 ωос
wср = 3,72 ∙ 0,8 = 2,97 м/с