Проблемы процесса ультрафильтрации и пути возможного их решения, страница 4

                      (2.10.)

Приведённый пример показывает, насколько важно учитывать особенности взаимодействий растворённого вещества и растворителя для прогнозирования основных технологических параметров разделения.

2.4. Массопередача при ультрафильтрации.

Массоперенос растворённого вещества через мембрану складывается из трех последовательных этапов:

- массоотдача из ядра потока исходного раствора к поверхности мембраны;

- массопроводности через мембрану;

- массоотдачи от  противоположной поверхности мембраны в ядро потока пермеата.

Массоперенос через мембрану в процессе ультрафильтрация определяется комплексным характером взаимодействии между компонентами раствора и материалом мембраны, а также совокупным влиянием внешних факторов (температуры, давления, концентрации растворенных компонентов и пр.). Причём, каждый из факторов влияет и на перенос вещества к мембране со стороны разделяемого раствора, и на перенос непосредственно через мембрану. По этим причинам затруднен расчет коэффициента массопередачи [5].

Поэтому не случайно при исследовании такого сложного процесса, как  массопередача через пористые мембраны, рассматривают влияние определяющих факторов на отдельных этапах переноса вещества с последующим построением общей картины массопередачи. Такой типичный для анализа массообменных процессов подход обуславливает выделение внешней задачи, рассматривающей массоотдачу растворенного вещества из ядра потока к поверхности мембраны с учетом гидродинамической обстановки в канале и внешних факторов; и внутренней задачи, отражающей физико-химические взаимодействия компонентов раствора с пористой мембраной.

Поэтому при анализе массообменных процессов в УФ подробно остановимся на рассмотрении явлений переноса в пограничных с мембраной слоях и в самой мембране (рисунок 2.3.).

Рисунок 2.3. Распределение концентраций растворённого вещества в процессе ультрафильтрации.

С1, С2, С3 – концентрация растворённого вещества в исходном растворе, пермеате и у поверхности мембраны соответственно;

C3', С2' – концентрация растворённого вещества внутри мембраны вблизи её поверхностей;

δ1, δ2, δ3, δ4 – толщина пограничного слоя со стороны разделяемого раствора, слоя геля, пористой мембраны и пограничного слоя со стороны пермеата;

М1, М – массовые потоки растворённого вещества в пограничном с мембраной слое и непосредственно в мембране;

F – поверхность массообмена раствора;

W – средняя скорость потока раствора вдоль поверхности мембраны в канале модуля;

β1 – коэффициент массоотдачи, отражающий скорость переноса вещества от поверхности мембраны в ядро потока;

β2 – коэффициент массопроводности.

Большинство исследователей принимают допущение о незначительном изменении концентрации растворенного вещества по толщина пограничного слоя со стороны пермеата и массоотдачу в системе "мембрана - пермеат" не рассматривают [9].

При разделении веществ с большой молекулярной массой величин концентрации С3 достигает пределов гелеобразования. В таких условиях у поверхности мембраны кроме диффузионного пограничного слоя толщиной δ1 возникает слой геля δ2, отделяющий поверхность мембраны от раствора в объеме. Допускают, что концентрация С3 растворенного вещества по толщине гелевого слоя δ2 практически не изменяется.

Падение концентрации от значения С₃ до C3' можно объяснить резким уменьшением количества растворенного вещества в поре мембраны по сравнению с содержанием его в пограничном слое, что связано с необходимостью преодоления молекулами растворенного вещества потенциального барьера при входе в пору. Тогда для определения величины концентрации C3' необходимо рассчитывать высоту барьера Ф₀. Такой подход для большинства белковых растворов чрезвычайно затруднен, а иногда и невозможен. Иного взгляда при объяснении "скачка" концентрации от С₃ до C3'придерживаются многие авторы. Они считают, что величины C3 и C3' связаны константой распределения К₁:

К1 = C3'/С3                                 (2.11.)