Фильтрование из тангенциального потока ( cross - flow filtration )

 

  К оглавлению книги

Для длительной работы мембранного элемента необходимо обеспечить непрерывный смыв задерживаемых мембраной загрязнений. Для этого организуется постоянное омывание мембраны исходным потоком. Такой способ называется фильтрование из тангенциального потока (рис. 2.10) . При этом входящий поток исходной воды подается вдоль поверхности мембраны и по мере прохождения над ее поверхностью разделяется на два: прошедший через мембрану очищенный раствор (фильтрат) и выходящий со стороны, противоположной вводу воды, концентрат , не прошедший через мембрану и содержащий основную часть задержанных мембраной примесей.

Фильтрование из тангенциального потока используется во всех установках обратного осмоса и нанофильтрации, иногда – для ультрафильтрации и редко – для микрофильтрации.

2-10

2-10н

Рис. 2.10. Принцип фильтрования из тангенциального потока

2-11

Рис. 2.11. Распределения концентраций растворенного вещества в примембранном слое:

а – отсутствие концентрационной поляризации; б – промежуточное состояние; в – стационарное состояние

Поскольку часть воды уходит через мембрану, в пограничном слое у ее поверхности концентрация примесей возрастает по сравнению с ядром потока (рис. 2.11). Это явление получило название концентрационной поляризации (КП) . Следствия этого явления во многом зависят от характера примесей и типа процесса мембранного разделения.
В случае микро- и ультрафильтрации задерживаемыми примесями являются главным образом взвеси и коллоиды. Соответственно, повышение их концентрации может приводить к укрупнению частиц и их выпадению на мембрану с образованием слоя отложений, ухудшающего проницаемость мембраны. При нанофильтрации и обратном осмосе задержка плохо растворимых примесей может повысить их концентрацию в приповерхностном слое и создать опасность формирования на мембране соответствующих отложений. Задержка при обратном осмосе существенной части хорошо растворимых примесей обусловливает локальное повышение в приповерхностном слое осмотического давления. При заданном рабочем давлении это приводит к уменьшению эффективного движущего перепада давления, т.е. разности между рабочим давлением и осмотическим, что, в свою очередь, может существенно понизить производительность установки.

Другим следствием концентрационной поляризации при нанофильтрации и обратном осмосе будет ухудшение качества очистки, поскольку селективность мембраны практически не зависит от солесодержания, а локальное солесодержание в примембранном слое оказывается повышенным. Выполняя несложные арифметические преобразования, можно легко получить что наблюдаемая солепроницаемость мембраны будет всегда выше паспортной.

Пренебрегая продольным переносом, картину концентрационной поляризации можно представить следующим образом. Поперечный поток постоянно подносит раствор к мембране. Вода и часть примесей проходят на сторону фильтрата, а остальные примеси задерживаются.
В результате пристеночная концентрация примесей начинает увеличиваться. Это, в свою очередь, вызывает отток примеси от мембраны по механизму молекулярной диффузии. Когда диффузионный отток сравняется с задерживаемым притоком примесей, установится равновесие и пристеночная концентрация стабилизируется (рис. 2.11).

В практических приложениях скорости, требующиеся для турбулизации потока (~1 м/с), могут оказаться неприемлемыми. Во-первых, при таких скоростях будет происходить чрезмерное падение давления по длине мембранного элемента. Во-вторых, при заданной геометрии установки и выбранном гидравлическом КПД продольная скорость однозначно связана с потоком через мембрану. Следовательно, высокие продольные скорости будут означать и высокие поперечные, что может потребовать неприемлемого перепада давления на мембране. Поэтому на практике для нарушения плоскопараллельности течения в межмембранном зазоре используют специальные устройства (сетки), называемые турбулизаторами.

Съем фильтрата с единицы поверхности мембраны является важнейшей характеристикой мембран, работающих в тангенциальном режиме. При характерном масштабе примембранного слоя 100 мкм и коэффициенте диффузии порядка 10 –5  см 2 /с для величины съема с единицы площади мембраны получим:

л/(м 2 ·ч),

что разумно согласуется с типичным диапазоном удельных производительностей для установок обратного осмоса 10–30 л/(м 2 ·ч).

Приведенные выше выражения для концентрационной поляризации теряют силу при рассмотрении этого эффекта для относительно крупных частиц загрязнений, например, при ультрафильтрации. В этом случае удельный расход может быть заметно выше, чем при обратном осмосе, а коэффициент диффузии на порядки меньше, так что формально оцененная концентрационная поляризация будет аномально высокой. Однако, хотя качественно вывод о повышении роли концентрационной поляризации справедлив, количественные выводы некорректны. Дело в том, что в рассматриваемом случае размер диффузионного пограничного слоя оказывается меньше размера частиц загрязнений, поэтому диффузионный перенос не работает. В этом случае относ примеси от мембраны происходит под действием исключительно гидродинамических факторов, за счет градиента продольной скорости у мембраны. Поскольку скорость растет при удалении от мембраны, можно себе представить, что частица примеси будет как бы катиться потоком, «подпрыгивать» на шероховатостях стенки и уноситься в объем. В рассматриваемых режимах единственным эффективным способом борьбы с концентрационной поляризацией оказывается увеличение скорости потока (т.е. увеличение сдвига скорости у мембраны) вплоть до значений на уровне 1–3 м/с. Если же не удается достичь эффективного удаления отделяемых примесей в объем, в масштабах примембранного слоя режим фильтрования из тангенциального потока будет мало отличаться от режима тупикового фильтрования и также будет требовать периодической промывки обратным током фильтрата.

Вышеописанное формирование концентрационной поляризации связано с наличием потока, перпендикулярного поверхности мембраны. На практике в силу наличия у мембранных элементов продольного размера также происходит истощение продольного потока, что приводит к росту исходной концентрации раствора в данной точке поперечного сечения мембранного аппарата.

Рассмотрим характер изменения параметров вдоль мембраны.

Ввиду того, что часть потока проникает через мембрану и отводится в виде фильтрата, скорость потока вдоль мембраны будет все время снижаться. Вместе с этим, поскольку концентрация примесей в фильтрате ниже, чем во входном потоке, по ходу мембраны будет нарастать концентрация примесей. Селективность мембран обычно слабо зависит от концентрации примеси над мембраной. Поэтому рост концентрации вдоль мембраны со стороны входного потока будет сопровождаться и ростом концентрации в воде, проходящей через мембрану, и, в конечном счете, приведет к увеличению концентрации примесей в фильтрате, т.е. наблюдаемая эффективная селективность элемента будет ниже паспортной селективности мембраны.

Из приведенных соображений ясно, что степень выраженности этого эффекта будет зависеть от степени отбора пермеата – чем выше гидравлический КПД элемента, тем больше возрастет концентрация примеси во входном потоке, и тем менее эффективной будет интегральная селективность элемента. Получим выражения, определяющие эту связь в простейшем случае, когда эффект концентрационной поляризации не выражен и можно не делать различия между средней по сечению и приповерхностной концентрациями примеси.

Если производительность мембраны примерно постоянна (что справедливо), если падение давления на элементе мало по сравнению с перепадом давления на мембране, и можно пренебречь вкладом осмотического давления, интегральный поток через мембрану Y будет пропорционален координате вдоль мембранного элемента. Следовательно, чем выше проницаемость мембраны, тем быстрее нарастает концентрация примеси вдоль элемента (рис. 2.12).

2-12

Рис. 2.12. Распределение скорости потока и концентрации вещества вдоль мембраны:

А – мембрана с низкой проницаемостью; Б – мембрана с высокой проницаемостью; W вх – скорость исходного раствора; W А – скорость на выходе из мембраны А; W Б – скорость на выходе из мембраны Б; С исх – исходная концентрация; С кА – концентрация на выходе из мембраны А; С кБ – концентрация на выходе из мембраны Б

Rambler's Top100 Rambler's Top100