Проблемы процесса ультрафильтрации и пути возможного их решения, страница 6

1)  100%-ое задержание растворенных веществ мембраной;

2)  турбулентный режим движения исходного раствора, под которым понимается существование у поверхности мембран пограничного перемешиваемого слоя;

3)  сравнительно высокая концентрация дисперсного вещества в исходном растворе;

4)  система достигает стационарного значения объемного потока за малый промежуток времени (порядка нескольких секунд).

При этих условиях модель концентрационной поляризации — гелеобразования можно представить схемой, показанной на рисунке (самый первый рисю).

Концентрация растворенного вещества у поверхности мембраны со стороны высокого давления начинает увеличиваться по мере прохождения растворителя через мембрану. Причем при постоянных гидродинамических условиях процесса эта концентрация тем выше, чем выше исходная концентрация в объеме и объемный поток через мембрану. Значение концентрации раствора ограничено точкой гелеобразования, при достижении которой на поверхности мембраны образуется слой геля определенной толщины [3]. Таким образом, сформированная структура состоит из двух слоев: диффузионного пограничного слоя и гелеобразного [1, 3, 6, 7]. Первый имеет гидродинамическую природу и располагается между слоем геля и исходным раствором. Условием существования диффузионного погранслоя является равновесие между конвективным подводом растворенного вещества к мембране и суммарным эффектом диффузионного потока в обратном направлении, с одной стороны, и скоростью прохождения растворенного вещества, с другой. Слой геля имеет постоянную концентрацию вещества в объеме.

Изучению явления гелеобразования посвящено много работ. Исследовалось влияние отдельных параметров процесса УФ на интенсивность образования осадка и его влияния на разделение и производительность мембраны. В работе [3] отмечено, что образование геля происходит не одновременно с началом УФ. Перед гелеобразованием на поверхности мембраны имеет место стадия КП. Влияние этой стадии, а также соотношений гидравлических сопротивлений мембраны и слоя геля может быть существенным. При варьировании С0/С2 (C0, C2 — концентрации исходной смеси и гелеобразования) всегда имеется такая область величин С0/С2, при которых продолжительность первой стадии велика. Гидравлическое сопротивление слоя геля существенно меньше сопротивления самой мембраны, имеет место режим стационарного фронта, производительность мембраны практически не будет зависеть от времени. Далее с увеличением гелевого слоя производительность падает до определенного предела и далее остается постоянной [10]. Время выхода на стационарный режим пропорционально Тр ~ , где - предельное значение толщины слоя геля [10].

Образование гелевого слоя определяют силы, действующие в примембранной области. При взаимодействии движущейся жидкости с твердой поверхностью возникают силы сопротивления движению потока. Они складываются из собственно силы вязкостного трения и силы, обусловленной взаимодействием потока с элементами шероховатости поверхности. По мере приближения к твердой поверхности скорость движения жидкости снижается. При этом уменьшается и значение локального числа Рейнольдса. Непосредственно у стенки в вязком подслое скорость движения жидкости зависит от поверхности и определяется пристенным напряжением сдвига, характеризующим трение между жидкостью и твердой поверхностью [6].

Исследования, проведенные с помощью оптикоэлектронных методов, показали, что толщина гелевого слоя при развитом турбулентном ядре потока составляет лишь 0,5- 5% от толщины вязкого подслоя.

Экспериментальные исследования с модулями различных конструкций и размеров подтвердили, что пристенное касательное напряжение является решающей гидродинамической величиной, влияющей на проницаемость мембраны. Независимо от конструкции модуля и характера потока (турбулентного или ламинарного) при равном пристенном касательном напряжении и при прочих равных условиях значения сопротивления гелевого слоя одинаковы как при турбулентном, так и при ламинарном характере [3].