Проблемы процесса ультрафильтрации и пути возможного их решения, страница 7

На рисунке 9 схематично изображены три основные силы, действующие на частицу геля, расположенную на поверхности мембраны.

Рисунок 2.5. Схематичное изображение сил, действующих на частицу, расположенную на поверхности мембраны.

Условием предотвращения образования гелевого слоя является неравенство:

                                       (2.14.)

где η - коэффициент пропорциональности, учитывающий взаимодействие частицы с мембраной.

При развитом турбулентном течении потока турбулентные вихри влияют на частицы, на поверхности мембраны только через ламинарный вязкий подслой посредством касательного напряжения [3].

То есть для предотвращения образования гелевого слоя на поверхности мембраны необходимо, чтобы скорость потока параллельно поверхности была выше скорости потока пермеата с учетом сил взаимодействия частиц геля с поверхностью мембраны.

Значения коэффициента взаимодействия, установленные экспериментально, колеблются в пределах 100 - 1000 [3], то есть для предотвращения гелеобразования скорость течения исходного потока должна превышать скорость потока фильтрата в 100 - 1000 раз.

В целом модель КП находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными для растворов высокомолекулярных и коллоидных частиц и эмульсий [10]. Хотя в режиме гелевой поляризации предполагается полное задерживание растворенного вещества, зависимость G = f (ln Co) является линейной (что доказывает адекватность модели КП) и в случае частично селективных мембран, при этом задерживание растворенных веществ может оставаться постоянным, уменьшаться или возрастать.

Вторым аспектом функционирования мембран является комплекс явлений, связанных с изменением структурных, физико-химических и транспортных свойств мембран в процессе разделения, получивший название "fouling" (засорение). На интенсивность процесса засорения так же сильно, как и на КП, влияют физико-химические свойства и разделяемого раствора, и мембраны. Наиболее важную роль играют при этом условия проведения процесса разделения.

Точка гелеобразования, или концентрация, при которой начинается желатинизация, зависит от физических и химических свойств растворённого вещества и растворителя. При изменении гидродинамических условий УФ процесса толщина слоя геля меняется.

В случае мембраны с идеальной селективностью её проницаемость с учётом гелеобразования описывается следующей зависимостью [1]:

              (2.15.)

где  Сг – концентрация, соответствующая точке гелеобразования;

β - коэффициент массоотдачи, значение которого определяется из соответствующих критериальных уравнений.

Анализируя эти уравнения, можно получить важные с теоретической и практической точек зрения следствия, а именно: начальные характеристики мембраны (коэффициент гидравлической проницаемости) при изменении параметров процесса разделения практически не влияют на производительность при ультрафильтрации ВМС, так как она определяется главным образом гидродинамическим сопротивлением слоя геля. С учетом уравнения Дарси и уравнения (2.15.) можно получить выражение, иллюстрирующее роль давления, исходной концентрации вещества, гидродинамических условий и природы растворенного вещества при определении объемного потока:

,                          (2.16.)

где Rг – гидродинамическое сопротивление геля.

В области давления, в которой концентрация у поверхности мембраны меньше концентрации гелеобразования (С₃ < С_г), его увеличение приводит к возрастанию объемного потока (рисунок ...).

При дальнейшем возрастании давления достигается концентрация гелеобразования С₃= С_г. Поэтому объемный поток уже не зависит от давления, причем слой геля может при этом сжиматься, терять часть связанной воды и уменьшать свою гидродинамическую проницаемость.