Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
движущая сила
поток =------------- —.----- --------------------------- (VII-1)
вязость • общее сопротивление транспорту
которое в случае баромембранных процессов (микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса) принимает вид
АР
4- (VII-2)
fjrLtot
J =
Вклады показанных на рис. VII-2 сопротивлений в общее сопротивление Rtot различны. В идеальном случае должно сказываться только мембранное сопротивление Rm. Мембрана пропускает преимущественно какой-то из компонентов, а в некоторых случаях полностью удерживает растворенные вещества, что приводит к накоплению молекул, не способных проникать через мембрану, вблизи ее поверхности. Таким образом, вблизи мембраны возникает высококонцентриро-
ванный слой, проявляющий сопротивление массопереносу; это сопротивление называют сопротивлением концентрационной поляризации Rcp. Поляризационные явления наблюдаются во всех мембранных процессах и сопровождают все процессы разделения. Концентрация накапливающихся у поверхности мембраны молекул может стать достаточно высокой и вызывать образование слоя геля; этот слой вносит дополнительное сопротивление Rg. Особенно характерно это явление для растворов белков. В случае пористых мембран некоторые компоненты могут проникать внутрь мембраны и блокировать поры; это дополнительное сопротивление называют сопротивлением блокированных пор Rp. И, наконец, к возникновению сопротивления могут приводить адсорбционные явления, Ra. Адсорбция может происходить как на поверхности мембраны, так и на стенках пор.
Падение потока отрицательно сказывается на технико-экономи-ческих показателях каждой мембранной операции, поэтому необходимо принимать определенные меры для устранения причин, связанных с этим явлением. Можно сформулировать некоторые общие подходы к решению этой задачи, если проанализировать причины падения потока. Прежде всего следует различать явления концентрационной поляризации и отложения осадков на мембранах, несмотря на то что они взаимосвязаны и второе часто оказывается результатом первого*.
Отметим, что при переносе тепла, например в процессах мембранной дистилляции и термоосмоса, возникают другие явления, аналогичные концентрационной поляризации. Указанные процессы происходят, когда температуры по обе стороны мембраны различаются, что является причиной возникновения потока тепла через мембрану, приводящего к температурной поляризации.
VII. 2. Концентрационная поляризация
Мембранные процессы используют для разделения компонентов, поскольку мембраны благоприятствуют транспорту одного из компонентов в большей степени, чем транспорту других компонентов. Для удобства рассмотрим раствор, состоящий из растворителя и растворенного вещества, т. е. системы, с которыми обычно имеют дело в баромембранных процессах — микрофильтрации, ультрафильтрации
* Здесь следует остановиться на одной терминологической трудности, с которой сталкиваешься при переводе. Автор обсуждает явление, известное в англоязычной литературе как fouling, т. е. «засорение» мембран. Оно может включать отложение осадков и адсорбцию на поверхности мембраны, а также частично блокирование (забивание) пор и концентрационную поляризацию. Разделить эти эффекты часто бывает очень трудно. Поэтому было решено переводить этот термин как отложения на поверхности мембраны, не забывая при этом и о других причинах снижения потока. — Прим. ред.
х
zi
гО
СЭи
h-
X
<L>
X
О
it:
?
-Мембрана
Рис. VII-3. Основной принцип мембранного разделения.
и обратном осмосе. Если движущая сила действует на входе в мембрану, растворенное вещество (частично) задерживается мембраной, а растворитель проникает через мембрану. В этих условиях мембрана по отношению к растворенному компоненту проявляет некоторую удерживающую способность, тогда как растворитель проникает через мембрану более или менее свободно. Следовательно, концентрация растворенного вещества в пермеате (ср) ниже, чем в объеме исходного раствора (сь), что и составляет основу концепции мембранного разделения (рис. VII-3).
Удерживаемый мембраной растворенный компонент накапливается у поверхности мембраны, где его концентрация постепенно возрастает. Повышенная концентрация вблизи поверхности вызывает диффузионный поток от поверхности в объем раствора. Спустя некоторое время в системе установится стационарное состояние. Конвективный поток растворенного компонента к поверхности мембраны будет уравновешиваться суммой потоков растворенного вещества через мембрану и от поверхности мембраны в объем раствора (напомним, что здесь мы ограничиваемся только концентрационной поляризацией, не учитывая отложений на мембранах). Как видно из рис. VII-4, спад концентрации с удалением от поверхности мембраны локализуется внутри пограничного слоя.
Предположим, что условия потока на входе в мембрану таковы, что на расстоянии d от поверхности мембраны наблюдается полное смешение растворенного компонента и растворителя и концентрация равна с*. Вблизи поверхности мембраны образуется пограничный слой, в котором концентрация увеличивается по мере приближения к мембране, достигая максимального значения у ее поверхности (ст). Конвективный поток к поверхности мембраны обозначим J • с. При условии, что растворенный компонент неполностью удерживается мембраной, его поток через мембрану равен J ср. Накопление растворенного вещества на поверхности мембраны порождает обратный диффузионный поток вещества в объем раствора. Условия
