Проблемы процесса ультрафильтрации и пути возможного их решения, страница 8

Толщина диффузионного слоя у поверхности мембраны определяется природой растворенного вещества (через коэффициент диффузии(2.15.)) и гидродинамическими условиями над мембраной. При этом, чем больше молекулярная масса растворенного вещества, тем меньше коэффициент массоотдачи, а, следовательно, и объемный поток. При увеличении турбулизации раствора уменьшается толщина погранслоя, увеличивается и объемный поток. Отсюда требования к ультрафильтрации: для увеличения производительности процесса разделения необходима турбулизация раствора над поверхностью мембраны.

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 расстояния до поверхности и определяется пристенным напряжением сдвига, характеризующим трение между жидкостью и твердой поверхностью.

2.6. Методы изучения гелевого слоя.

Существуют различные методы изучения гелевого слоя.

Электродиффузионный метод. Суть его состоит в следующем. При установившемся режиме течения раствора электролита скорость электрохимической реакции определяется скоростью разряда ионов на поверхности электрода. Для экспериментального определения КП в напорный канал мембранного аппарата подают электролит. В стенки канала вмонтированы электроды. На поверхности рабочего электрода протекает электрохимическая реакция анодного восстановления. Скорость реакции зависит от гидродинамических условий в канале. Лимитирующей стадией является диффузия ионов через пограничный слой КП к поверхности электрода, она характеризуется коэффициентом массоотдачи, связанным с КП. Таким образом, создавая разность потенциалов, определяют критическую плотность тока и затем рассчитывают коэффициент массоотдачи.

Кроме электродиффузионных, существуют оптические методы исследования КП. Оптические методы позволяют изучать поляризационный слой без нарушения его структуры [1].

Оптические методы можно подразделить на две группы: 1) теневые методы, в которых используется отклонение луча в исследуемой среде [4, 9], и 2) интерференционные методы, основанные на разности длин оптических путей. Данные методы измерения имеют свои ограничения: исследуемая среда должна быть оптически прозрачной; в случае сравнительно высокой концентрации разделяемого раствора ( > 2 моль/л) очень сложно использовать распределение концентрации в диффузионном слое вследствие искривления светового пучка при прохождении через раствор. Применение их также ограничено при большом градиенте концентраций в тонком пограничном слое.

При ультрафильтрации концентрация растворенного вещества у поверхности мембраны намного больше, чем в ядре потока. Поэтому градиентом осмотического давления у поверхности раздела фаз пренебрегать нельзя.

2.7. Расчёт величины КП.

Расчёту КП посвящено много работ. Обычно анализ сводится к решению уравнений материального баланса в дифференциальной форме с соответствующими граничными условиями.

При использовании модели с распределением концентрации растворённого вещества у поверхности мембраны предполагают, что растворённое вещество переносится в пограничном слое молекулярной диффузией и конвекцией [1]. В установившемся процессе в мембранной системе возникает следующее распределение концентраций: концентрация в ядре потока С1, в пограничном слое у мембраны С3 > C1 вследствие КП и С₂- концентрация проникающего через мембрану фильтрата (пермеата) (рисунок 7).

Конвективный поток растворенного вещества в мембране (G*C1) уравновешивается диффузионным потоком от мембраны в ядро D(dc/dy) и проницанием вещества через мембрану GС₂.