ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 5, с. 499-506
УДК 66.067.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРА- И МИКРОФИЛЬТРАЦИОННЫХ АППАРАТОВ
© 2007 г. Ю. С. Поляков
Компания "Юсполиресерч", Эшланд, Пенсильвания, США уро1уакоу@шро1уге&еагск. сот Поступила в редакцию 12.02.2007 г.
Обсуждены основные принципы и проблемы нового подхода к проектированию ультра- и микрофильтрационных аппаратов, основанного на использовании и управлении осадкообразованием для повышения эффективности процесса. Сформулирована общая феноменологическая математическая модель для процесса объемной мембранной фильтрации, предложенного в рамках нового подхода, и описаны методы ее численного и приближенного решений. Проанализированы и классифицированы известные частные решения модели объемной мембранной фильтрации и сформулированы рекомендации по их использованию на практике. Обсужден вопрос использования нового подхода для повышения эффективности существующих тупиковых половолоконных аппаратов с наружной фильтрующей поверхностью. Для этого случая сформулирована общая математическая модель и предложены методы ее численного и приближенного решений. Установлено, что наибольшая эффективность половолоконных мембранных фильтров с наружной фильтрующей поверхностью достигается при наибольшей величине захватывающей способности поверхности мембран по отношению к взвешенным частицам.
В процессах разделения с использованием полупроницаемых мембран пропускаемые мембранной компоненты раствора уходят из напорного канала, тогда как задерживаемые компоненты собираются у поверхности мембран, что приводит к концентрационной поляризации. При этом задержанные компоненты могут адсорбироваться на поверхности мембран и образовывать слой геля или осадка [1]. За счет возрастания осмотического давления и гидравлического сопротивления осадка, концентрационная поляризация и слой осадка уменьшают движущую силу процесса - трансмембранное давление, что негативно сказывается на эффективности мембранных процессов.
Традиционный подход к проектированию проточных ультра- и микрофильтрационных аппаратов сводится к уменьшению концентрационной поляризации и толщины слоя осадка за счет активного перемешивания жидкости у поверхности мембраны [2-4]. Это перемешивание, или турбули-зация, традиционно происходят за счет увеличения тангенциальной скорости жидкости у поверхности мембраны, что связано с дополнительными энергетическими и материальными затратами [5].
В рамках этого подхода было разработано значительное количество математических моделей, которые можно условно разделить на диффузионные, последовательных сопротивлений, анализ траекторий частиц и модели турбулентного переноса на основе эмпирических корреляций безраз-
мерных чисел [4, 6, 7]. С помощью этих моделей были сформулированы следующие рекомендации для проектирования и эксплуатации ультра- и микрофильтрационных установок:
тангенциальная скорость потока и локальные неустойчивости потока (вихри) в мембранном канале должны быть наибольшими для того, чтобы уменьшить концентрационную поляризацию и осаждение частиц;
адсорбция частиц на мембранную поверхность, так же, как и взаимодействия частиц друг с другом в пограничном слое, должны быть минимизированы;
удельное сопротивление осадка должно быть наименьшим.
Практически все усилия технологов были направлены на реализацию этих рекомендаций. В частности, было предложено использовать высокие тангенциальные скорости в тонких каналах, турбулизаторы различного типа, мембранные модули с гофрированными пластинками, сильноизогнутые мембранные каналы, вихри Дина, обработку ультразвуком, вибрацию, периодическую подачу потока, аэрирование, низкое трансмембранное давление, короткие мембранные каналы, мембраны с низкой адсорбционной способностью по отношению к частицам и т.д. [5]. Несмотря на то, что эти технологические приемы позволили разработать высокопроизводительные коммерческие установки, они также привели к значитель-
499
2*
ному увеличению энергозатрат и усложнению конструкций. В результате ультра- и микрофильтрация в настоящее время заметно уступает по экономическим показателям традиционным методам (осаждению, коагуляции, объемной фильтрации и т.д.) при водоочистке и очистке сточных вод [6].
Одним из альтернативных подходов к проектированию ультра- и микрофильтрационных аппаратов мог бы стать принцип перемешивания, основанный на механическом "сметании" слоя осадка с поверхности мембран с помощью щеток [8]. Было убедительно показано, что магнитная мешалка, оснащенная поролоновыми щетками, контактирующими с поверхностью мембраны, позволяет при той же угловой скорости вращения в несколько раз уменьшить уровень концентрационной поляризации, по сравнению с мешалкой без щеток. На этой же ячейке было показано, что щетки практически полностью убирают осадок при обработке концентрированных белковых растворов. К сожалению, это направление не получило дальнейшего развития из-за опасения повреждения поверхности тонких анизотропных полимерных мембран. С широким внедрением керамических и других твердых мембран этот подход может стать экономически выгодной альтернативой традиционному.
Закон сохранения массы говорит о том, что накопление частиц в одной точке приводит к их убыванию в другой. Этот принцип уже много десятилетий успешно используют в водоочистке, где удаляемые частицы захватываются коллекторами, такими, как адсорбенты и зернистые слои, а на выходе из аппарата получают очищенную воду - фильтрат [9, 10]. В этом случае частицы вначале более активно осаждаются на входных слоях коллекторов и менее активно - около выхода фильтра, что обеспечивает понижение концентрации частиц, т.е. очистку исходного раствора. Очевидно, что поверхность мембраны также играет роль коллектора частиц в ультра- и микрофильтрационных аппаратах, но, в отличие от адсорбентов и зернистых слоев, образование осадка в традиционных ультра- и микрофильтрационных аппаратах снижает выход пермеата - воды, прошедшей через мембраны. Ясно, что захватывающая способность мембран при определенных условиях может быть использована для получения дополнительного объема очищенной воды в виде потока, который течет вглубь фильтра, а не через стенки полупроницаемых мембран. В таком процессе отпала бы необходимость подавлять осадкообразование при сохранении достаточно высокого выхода очищенного продукта за счет дополнительного потока фильтрата, являющегося результатом захвата частиц мембранами. Этот процесс разделения мог бы стать хорошей альтернативой традиционным ультра- и микрофильтрационным
аппаратам, основанным на подавлении осадкообразования за счет дополнительных затрат.
Традиционные объемные фильтры обычно характеризуются высокой плотностью упаковки коллекторов и невысокими скоростями движения суспензии вглубь фильтра [9, 10]. Такими же свойствами обладают половолоконные мембранные фильтры с наружной фильтрующей поверхностью. В частности, плотность упаковки мембран в существующих половолоконных фильтрах достигает значений 0.5-0.6, а тангенциальная скорость движения суспензии вокруг волокон - порядка Ю^-10-3 м/с [3]. Отсюда следует, что если сделать фильтр на основе пучка сплошных полых волокон с высокой захватывающей способностью относительно частиц, то в результате получим достаточно эффективный объемный фильтр. А если волокна будут полупроницаемыми, то этот фильтр будет производить два потока очищенной жидкости: пермеат, полученный за счет продав-ливания суспензии через поверхность мембран, и фильтрат, отбираемый за счет более активного осаждения частиц на входных слоях полых волокон, по сравнению со слоями около выходного патрубка в начальный период процесса. Процесс фильтрования в таком аппарате называется объемной мембранной фильтрацией. Интересно отметить, что такой подход к проектированию ультра- и микрофильтрационных аппаратов имеет много общего с принципами круговорота веществ в природе, так как в этом случае, так же, как и, например, при круговороте углерода вместе взаимовыгодно функционируют разные процессы, обеспечивая определенный баланс веществ. В случае углерода образование углекислого газа происходит за счет дыхания организмов и разложения мертвых веществ (остатков растений и животных) редуцентами. В то же самое время углекислый газ поглощается продуцентами и преобразуется в процессе фотосинтеза в органические соединения, которые затем усваиваются консументами. В случае объемной мембранной фильтрации двумя взаимовыгодными процессами являются мембранное разделение, для которого осадкообразование понижает эффективность, и объемная фильтрация, которая очищает раствор благодаря более активному росту слоя осадка.
На основании этой идеи были предложены два варианта объемных мембранных фильтрационных аппаратов: картриджный (рис. 1) и радиальный (рис. 2) [7, 11-14]. Отличительной особенностью объемных мембранных фильтрационных аппаратов относительно традиционного типа микро- и ультрафильтрационных является присутствие дополнительного потока очищенной жидкости - фильтрата. Так, в тупиковых ультра-и микрофильтрационных аппаратах присутствует только один выходной поток - пермеат, а в проточных фильтрах в дополнение к пермеату при-
Рис. 1. Прямоугольный картриджный объемный мембранный фильтр: (а) картридж модулей с половолоконными мембранами (1 - верхняя пластина), (б) отдельный модуль (2 - перфорированная рама, 3 - половолоконная мембрана); (в) схема потоков (серые сплошные кольца - слои осадка; пористые кольца - полые волокна) [7].
(а)
Фильтрат
I 1
Вентиль |—Ж
Пермеат
Полое волокно
Пермеат
Исходная смесь |
Фильтрат
Рис. 2. Радиальный объемный мембранный фильтр: (а) схема потоков в вертикальном сечении; (б) схема потоков в горизонтальном сечении [7].
сутствует ретант (концентрат) с повышенной относительно исходного раствора концентрацией взвешенных частиц. В результате объемный мембранный фильтрационный аппарат обладает рядом заметных преимуществ, таких как возможность эксплуатации в режиме с одновременно постоянными давлением и производи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.