Pentru o funcționare continuă, elementul de membrană este necesară pentru a asigura spălarea continuă a contaminării cu membrană întârziată. În acest scop, membrana este spălată în mod constant cu fluxul original. Această metodă se numește filtrare dintr-un flux tangențial (Figura 2.10). În acest caz, fluxul de alimentare cu apă care intră este alimentată de-a lungul suprafeței membranei și pe măsură ce trece peste suprafața sa este împărțită în două părți a trecut prin membrana a fost soluția purificată (filtrat) și cu care se confruntă partea opusă a intra în concentratul apa. Nu trece prin membrană și conține cea mai mare parte a impurităților deținute de membrană.
Filtrarea din fluxul tangențial este utilizată în toate instalațiile de osmoză inversă și nanofiltrare, uneori pentru ultrafiltrare și rareori pentru microfiltrare.
Fig. 2.10. Principiul de filtrare din fluxul tangențial
Fig. 2.11. Distribuția concentrațiilor de solut în stratul admembranar:
a - absența polarizării concentrației; b - stare intermediară; c este o stare staționară
Deoarece o parte din apă curge prin membrană, concentrația de impurități din stratul de graniță la suprafața sa crește comparativ cu miezul de curgere (Figura 2.11). Acest fenomen a fost numit polarizare de concentrare (CP). Consecințele acestui fenomen depind în mare măsură de natura impurităților și de tipul procesului de separare a membranei.
În cazul micro- și ultrafiltrare, impuritățile întârziate sunt în principal materia suspendată și coloizii. În consecință, o creștere a concentrației lor poate duce la coagularea particulelor și depunerea lor pe membrană cu formarea unui strat de depozite, ceea ce agravează permeabilitatea membranei. Cu nanofiltrarea și osmoza inversă, reținerea impurităților slab solubile poate crește concentrația lor în stratul apropiat și poate crea pericolul formării depunerilor adecvate pe membrană. Întârzierea în osmoză inversă a unei părți substanțiale a impurităților foarte solubile determină o creștere locală a stratului de presiune osmotică aproape de suprafață. La o presiune de funcționare dată, aceasta duce la o scădere a picăturii de presiune de acționare efectivă, adică diferența dintre presiunea de lucru și presiunea osmotică, care, la rândul său, poate reduce semnificativ productivitatea plantei.
Neglijând transportul longitudinal, modelul de polarizare a concentrației poate fi reprezentat după cum urmează. Fluxul transversal aduce constant soluția membranei. Apa și unele impurități trec pe latura filtratului, iar impuritățile rămase sunt reținute.
Ca urmare, concentrația de impurități în perete începe să crească. Aceasta, la rândul său, provoacă scurgerea impurităților din membrană de-a lungul mecanismului de difuzie moleculară. Atunci când ieșirea de difuzie este egală cu fluxul întârziat de impurități, se stabilește echilibrul și se stabilizează concentrația peretelui (Figura 2.11).
În aplicațiile practice, vitezele necesare pentru turbulența fluxului (
1 m / s), poate fi inacceptabilă. În primul rând, la astfel de viteze, va avea loc o cădere de presiune excesivă de-a lungul lungimii elementului membranar. În al doilea rând, pentru o geometrie de instalare dată și eficiența hidraulică selectată, viteza longitudinală este asociată în mod unic cu fluxul prin membrană. În consecință, viteze longitudinale ridicate vor însemna și viteze transversale mari, care pot necesita o scădere inacceptabilă a presiunii în membrană. De aceea, în practică, pentru a perturba fluxul paralel plan în spațiul intermetanic, se utilizează dispozitive speciale (grile) numite turbulatoare.
Îndepărtarea filtratului din unitatea de suprafață a membranei este cea mai importantă caracteristică a membranelor care funcționează în modul tangențial. Cu o scală caracteristică de 100 nm și un coeficient de difuzie de ordinul a 10-5 cm2 / s pentru viteza de îndepărtare pe unitatea de suprafață a membranei, obținem:
care este în mod rezonabil compatibil cu o gamă tipică de capacități specifice pentru sistemele de osmoză inversă de 10-30 l / (m 2 · h).
Expresia de mai sus pentru polarizarea de concentrație expiră atunci când se analizează efectul particulelor relativ mari de murdărie, de exemplu, ultrafiltrare. În acest caz, consumul specific poate fi considerabil mai mare decât în osmoză și coeficientul de difuzie inversă mai mic cu ordine de mărime, astfel încât polarizarea de concentrație estimată în mod oficial ar fi anormal de mare. Cu toate acestea, deși concluziile calitative cu privire la consolidarea rolului polarizării de concentrare este valabilă, concluzii cantitative sunt incorecte. Faptul că, în acest caz, mărimea stratului de difuzie limită este mai mică decât dimensiunea particulelor contaminante, cu toate acestea prin transfer de difuzie nu funcționează. În acest caz includ impuritățile din membrana se produce numai sub influența factorilor hidrodinamici datorită gradientului vitezei longitudinale în membrană. Deoarece viteza crește cu distanța de membrana, se poate imagina că particulele de impurități vor fi ca rulare flux „sări“ pe neregularitățile din pereți și să fie purtat de volum. În aceste moduri, singura modalitate eficientă de a combate polarizarea de concentrare este o creștere a ratei de curgere (adică, creșterea ratei de forfecare la membrană) până la valori la 1-3 m / s. În cazul în care nu reușește să realizeze îndepărtarea eficientă a impurităților separate în volumul în stratul de filtrare la scară Membrană a modului de curgere tangențial va diferi puțin de modul de filtrare mort-end și va necesita, de asemenea, filtrat de spălare curent invers periodic.
Formarea de mai sus a polarizării concentrației este asociată cu prezența unui flux perpendicular pe suprafața membranei. În practică, datorită dimensiunii longitudinale a elementelor membranei, curgerea longitudinală se epuizează, ceea ce duce la o creștere a concentrației inițiale a soluției la un punct dat al secțiunii transversale a aparatului cu membrană.
Să analizăm natura variației parametrilor de-a lungul membranei.
Deoarece o parte a fluxului pătrunde membrana și este evacuat ca permeat, viteza de curgere de-a lungul membranei va scadea mereu. Odata cu aceasta, deoarece concentrația de impurități din filtrat au fost mai mici decât în fluxul de intrare de-a lungul membranei va crește concentrația de impurități. Selectivitatea membranelor depinde de obicei doar puțin de concentrația impurității pe membrană. Prin urmare, creșterea concentrației de-a lungul membranei din fluxul de intrare, și va fi însoțită de creșterea concentrațiilor de apă care trece prin membrană, și, în cele din urmă, duce la o creștere a concentrației de impurități în filtrat, adică selectivitatea efectivă observată a elementului va fi mai mică decât selectivitatea membranei membranei.
Din considerentele de mai sus, este clar că gravitatea acestui efect va depinde de selectarea permeat - mai mare eficienta elementelor hidraulice, cu atât mai mare creșterea concentrației de impurități în fluxul de intrare, și mai puțin eficace elementul integral selectivitate. Obținem expresii care definesc această relație, în cel mai simplu caz, atunci când efectul de polarizare de concentrare nu este exprimată, și nu se poate distinge între secțiunea mediană și concentrațiile situate aproape de suprafață de impurități.
În cazul în care performanța membranei este de aproximativ constantă (ceea ce este adevărat), în cazul în care căderea de presiune prin elementul este mică în comparație cu diferența de presiune prin membrană, și se poate neglija contribuția presiunii osmotice, flux integral prin membrana va fi proporțională cu coordonata Y a lungul elementului de membrană. Prin urmare, mai mare permeabilitatea membranei, cu atât mai repede impurității concentrația crește de-a lungul elementului (fig. 2.12).
Fig. 2.12. Distribuția vitezei de curgere și a concentrației materiei de-a lungul membranei:
A - membrană cu permeabilitate redusă; B - membrană cu permeabilitate ridicată; W este viteza soluției inițiale; W A este viteza la ieșirea din membrana A; W B este viteza la ieșirea din membrana B; De la concentrația inițială; C kA este concentrația la ieșirea din membrana A; Cu kB - concentrația la ieșirea din membrana B
Trimiteți-le prietenilor: