Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Как явствует из краткого описания термоосмоса, приведенного в гл. VI, в таких процессах используются плотные, гомогенные мембраны, в которых поры вообще отсутствуют. В этом случае фазовые переходы на границе раздела жидкость — мембрана не наблюдаются и перенос тепла происходит только за счет теплопровоности твердой матрицы мембраны. Для описания температурной поляризации в этом случае можно использовать уравнение
Заметим, что это выражение аналогично уравнению VII-48, за исключением того, что в нем отсутствуют энтальпии испарения и конденсации, поскольку нет фазовых переходов.
В уравнения VII-51 и VII-52 входят величины теплопроводности мембраны Аш, которые, однако, не одинаковы: Аш в уравнении VII-52, т. е. при термоосмосе, всегда больше и оказывает более сильное влияние на температурную поляризацию. Из-за учета в уравнении VII-51 вклада конвекции, зависящего в основном от объемного потока, эффект температурной поляризации всегда выше в процессах мембранной дистилляции, чем при термоосмосе, даже в условиях равенства разности температур по обе стороны мембраны и использования одного и того же мембранного матери аила.
VII.9. Отложения на поверхности мембран
Производительность мембранных операций уменьшается из-за поляризационных явлений, но глубина поляризационных явлений в различных процессах может сильно варьировать. Известно, например, что при первапорации эффекты поляризации не так драматичны, как при микрофильтрации или ультрафильтрации, в которых реальный поток через мембрану составляет лишь некоторую долю от потока чистой воды.
Все поляризационные явления, как концентрационные, так и температурные, приводят к тому, что поток в определенный момент времени становится меньше исходного. По достижении стационарности дальнейшего уменьшения потока не происходит и величина потока во времени далее не изменяется. Хотя поляризационные явления обратимы, на практике часто наблюдается непрерывное падение потока, т. е. имеет место торможение процесса, как показано на рис. VII-17. Подобное непрерывное уменьшение потока является след-
А Т
АТЬ
(VII-52)
Рис. VII-17. Изменение потока во времени. Можно различить вклады концентрационной поляризации и отложений на поверхности мембраны.
ствием образования отложений, осадков на мембране, или ее забивания, которое можно определить как обратимое или необратимое осаждение на или в мембране удерживаемых ею частиц: коллоидов, эмульсий, суспензий, макромолекул, солей и т. д. Явлению забивания мембран посвящены обширные обзоры [18, 19].
Особенно сильно торможение проявляется в процессах микрофильтрации и ультрафильтрации, поскольку пористые мембраны, использующиеся в этих процессах, по своей природе особенно склонны к забиванию. При первапорации и газоразделении забивания использующихся в этих процессах плотных мембран практически не происходит. Таким образом, степень торможения определяется типом задачи разделения и типом применяемых при этом мембран. Поэтому процессы отложения осадков (или забивания) целесообразно рассмотреть в связи с процессами обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации. Все случаи отложения загрязнений грубо можно разделить на три типа:
- осадки органических веществ (макромолекулы, биологические вещества и др.);
- осадки неорганических веществ (гидроксиды металлов, кальциевые соли и т. д.);
- другие твердые частицы.
Явление забивания мембран чрезвычайно сложно и трудно поддается теоретическому описанию. Даже для определенного раствора оно зависит от физических и химических параметров, таких, как концентрация, температура, pH, ионная сила, а также от специфики межмолекулярных взаимодействий, способности образовывать водородные связи и диполь-дипольных взаимодействий. Однако для раз-
Рис. VII-18. Схема установки для оценки индекса мембранной фильтрации.
работки технологии процесса необходимо располагать достоверными значениями падения потока. Охарактеризовать тенденцию к забиванию можно по тестам на забивание, которые можно провести, пользуясь установкой, схема которой приведена на рис. VII-18. На подобной установке можно измерить снижение потока в зависимости от времени пробега при постоянном давлении; таким образом измеряется объем прошедшего раствора как функция времени. Испытанию могут подвергаться самые разные растворы, в том числе водопроводная вода, морская вода, различные суспензии и эмульсии. Для описания явления забивания предлагались различные параметры, в том числе индекс отложения ила, индекс засорения, индекс забивания или индекс плотности ила и т. п. Здесь мы рассмотрим только один из предложенных параметров, а именно модифицированный индекс забивания, или индекс мембранной фильтрации (MFI). Целью этого рассмотрения будет не детальный и углубленный анализ явления отложения осадков на поверхности мембран, а просто иллюстрация метода [20].
Как было отмечено выше, проблема забивания мембран очень сложна и может трактоваться по-разному в случае разных технических приложений. Индекс MFI относится к фильтрации через осадок, иногда называемой блокирующей фильтрацией в системах, где происходит забивание мембран коллоидными частицами. В этом случае поток через мембрану определяется двумя последовательно расположенными сопротивлениями, а именно сопротивлением осадка Rc и
