Концентрационная поляризация при ультрафильтрации

Разделение методами обратного осмоса и ультрафильтрации принципиально отличается от обычного фильтрования. При обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора концентрированный и разбавленный, в то время как при фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке. В процессе обратного осмоса и ультрафильтрации накопление растворенного вещества у поверхности мембраны (вследствие концентрационной поляризации) недопустимо, так как при этом резко снижаются селективность (разделяющая способность) и проницаемость (удельная производительность) мембраны, сокращается срок ее службы. [c.519]

Как и всем мембранным методам, обратному осмосу и ультрафильтрации свойственно явление концентрационной поляризации, которое заключается в увеличении концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественного переноса растворителя через мембрану. В результате происходит падение проницаемости и селективности, сокращается срок службы мембран. Для уменьшения вредного влияния концентрационной поляризации необходимо турбулизовать прилегающий к поверхности мембраны слой жидкости, чтобы ускорить перенос растворенного вещества в ядро разделяемого раствора. Этого добиваются применением в лабораторных установках магнитных мешалок и вибрационных устройств, а в промышленных условиях увеличением скорости протекания жидкости вдоль мембраны и использованием различного рода турбулизаторов. [c.18]

К аппаратам промышленных масштабов предъявляются требования, определяемые условиями их изготовления и эксплуатации. Прежде всего, промышленные аппараты для осуществления мембранных процессов, в том числе и для обратного осмоса и ультрафильтрации, должны иметь большую рабочую поверхность мембран в единице объема аппарата. Они должны быть простыми в сборке и монтаже ввиду необходимости периодической смены мембран. При движении жидкости по секциям или элементам аппарата она должна равномерно распределяться над мембранной поверхностью и иметь достаточно высокую скорость течения для снижения влияния концентрационной поляризации (см. стр. 170). При этом перепад давления в аппарате должен быть по возможности небольшим. Кроме того, необходимо выполнение всех требований, связанных с работой аппаратов при повышенных давлениях обеспечение механической прочности, герметичности и т. д. Создать аппарат, который в полной мере удовлетворяет всем требованиям, по-видимому, невозможно. Поэтому для каждого конкретного процесса разделения следует подбирать конструкцию аппарата, обеспечивающую наиболее выгодные условия проведения именно этого процесса. [c.115]

Применение мембранных процессов, особенно ультрафильтрации, осложняется явлением концентрационной поляризации, устранение которой лишь увеличением скорости прокачивания раствора над поверхностью мембран не всегда возможно, особенно, если необходимо разделить высококонцентрированные или вязкие растворы. Для этих случаев был предложен аппарат, в котором межэлементные камеры [c.121]

Понятно, что изучение явления концентрационной поляризации, оценка его влияния на процесс обратного осмоса и ультрафильтрации и определение возможных путей снижения этого влияния представляет важную задачу при проектировании мембранных установок. [c.170]

Кроме того, часто возникают и другие осложнения процесса разделения. Значения pH смещаются в сторону кислых или щелочных сред, что ускоряет гидролиз полимерных мембран. Возможно обезвоживание набухающих мембран, сопровождающееся необратимым изменением их структуры. В концентрированных растворах ряда органических веществ может происходить растворение мембран. В результате дополнительного воздействия концентрационной поляризации на мембране могут выпадать в осадок малорастворимые соли, а при ультрафильтрации высокомолекулярных соединений образуется гелеобразный слой, что нарушает нормальную работу аппаратов. [c.188]

Удаление воды при обратном осмосе или растворов низкомолекулярных веществ при ультрафильтрации приводит к накоплению задерживаемых веществ у поверхности мембраны. В результате местного повышения концентрации на поверхности может образовываться осадок или пленка высокомолекулярного вещества, что, в свою очередь, снижает скорость ультрафильтрации. Это явление называется концентрационной поляризацией. При обратном осмосе концентрационная поляризация приводит к повышению концентрации отделяемого вещества в фильтрате. [c.24]

Рис. 4.4. Схема ультрафильтрации, концентрационной поляризации частиц и образования микрогеля.

Разработке гораздо более эффективной аппаратуры и расширению ее применения способствует лучшее понимание основных принципов ультрафильтрации. Теория ультрафильтрации была подробно изложена Портером [134], который в особенности имел дело с проблемой концентрационной поляризации . Как представлено на рис. 4.4, движение частиц по направлению к мембране приводит к формированию концентрированного слоя золя с высокой вязкостью. Такой слой может замедлить поток или скорость фильтрации до небольшой доли от скорости жидкой среды в отсутствие коллоидных частиц. Сопротивление потоку— следствие не только закупоривания пор или даже фактически образовавшегося сплошного слоя (геля) плотно упакованных коллоидных частиц. Айлер наблюдал, что оно представ- [c.462]

Эффективность фракционирования ультрафильтрацией снижается при воздействии ряда факторов, например, таких как взаимодействие макромолекул, образование пограничного слоя повышенной концентрации на границе раздела между мембраной и питающим раствором и взаимодействие системы мембрана — растворенное вещество. Появление пограничного слоя обусловлено концентрационной поляризацией, которая происходит в результате значительной потери растворителя из раствора на границе его раздела с мембраной. Вследствие взаимодействий системы растворенное вещество—растворенное вещество и растворенное вещество — мембрана этот пограничный слой иногда необратим и образует слой геля, который видоизменяет поверхность исходной мембраны. В таких случаях действующая УФ-мембрана фактически состоит из последовательно соединенных исходной мембраны и слоя геля. [c.65]

Рис. 3-7. К определению концентрационной поляризации косвенным методом для процесса ультрафильтрации (раствор пепсина, мембрана УАМ-400)

Для процесса ультрафильтрации определим концентрационную поляризацию косвенным методом. [c.68]

Рис. 3-10. Концентрационная поляризация при ультрафильтрации

При разделении растворов веществ с большой молекулярной массой (>500) применяют мембраны с порами большего диаметра, чем при разделении низкомолекулярных веществ. Эти мембраны имеют значительно большую проницаемость. Следовательно, при ультрафильтрации наблюдаются большие конвективные потоки по направлению к мембране и требуются более жесткие условия для снижения концентрационной поляризации, чем при обратном осмосе. Чтобы повысить скорость ультрафильтрации, а тем более микрофильтрации, приходится интенсивно перемешивать раствор или прокачивать его с большой скоростью (до 3—5 м/с) над мембраной. Однако в ряде случаев такой прием не приемлем, так как приводит к резкому [c.70]

Для снижения концентрационной поляризации особенно в процессах ультрафильтрации, а также микрофильтрации целесообразно воздействовать на пограничный слой ультразвуковыми колебаниями (рис. 3-14, данные И. Мамо, Н. С. Орлова, Ю. И. Дытнерского). [c.73]

Повыщение температуры в процессах микро- и ультрафильтрации приводит обычно к увеличению и проницаемости и селективности мембраны [14, 122]. Это объясняется тем, что уменьшается вязкость пермеата, а также значительно снижается влияние концентрационной поляризации на характеристики мембран. [c.84]

К аппаратам промышленных масштабов предъявляется ряд требований, определяемых условиями их изготовления и эксплуатации. Прежде всего промышленные аппараты для осуществления мембранных процессов, в том числе и для обратного осмоса и ультрафильтрации, должны иметь большую рабочую поверхность мембран в единице-объема аппарата. Они должны быть простыми в сборке и монтаже-ввиду необходимости периодической смены мембран. При движении жидкости по секциям или элементам аппарата она должна равномерно распределяться над мембранной поверхностью и иметь достаточно высокую скорость течения для снижения влияния концентрационной поляризации (см. стр. 68). При этом перепад давления в аппарате должен быть по возможности небольшим. Кроме того, необходимо выполнение всех требований, связанных с работой аппаратов при повышенных давлениях обеспечение механической прочности, герметичности и т. д. [c.59]

В результате дополнительного воздействия концентрационной поляризации на мембране могут выпадать в осадок малорастворимые соли, а при ультрафильтрации высокомолекулярных соединений образовывается гелеобразный слой, что нарушает нормальную работу аппаратов. [c.81]

Схематическое представление пористых мембран дано на рис. 1-4. Из рисунка ясно, что эти мембраны содержат фиксированные поры, с размером 0,1-10 мкм для микрофильтрации или 2-100 нм для ультрафильтрации. Селективность в основном определяется размером этих пор, тогда как материал играет роль в таких явлениях, как адсорбция и возможные химические превращения в условиях реального применения и очистки мембран. Это означает, что требования к полимерным материалам определяются в первую очередь не только проницаемостью и селективностью, но также и химическими и термическими свойствами материала. Главной проблемой в ультрафильтрации и микрофильтрации является уменьшение потока из-за концентрационной поляризации и загрязнения мембран (см. гл. VII). Следовательно, выбор материала в первую очередь основан на возможности предотвращения загрязнения и очистки мембраны после отложения на ней осадков. В случае применения мембран для разделения неводных смесей и работы при высоких температурах наиболее важным фактором является химическая и термическая устойчивость полимерного материала. [c.70]

При выборе давления следует наряду с изложенным в разд, 11.1.2 учитыва гь такл<е, что ввиду малых коэффициентов диффузии ВМС концентрационная поляризация в процессе ультрафильтрации весьма значительна и может вызывать гелеобразование на мембране даже ири обработке разбавленных растворов. Поэтому работа при высоких перепадах рабочего давления (более 0,3 МПа) хотя и обусловливает высокие начальные значения удельной производительности, но для длительной эксплуатации установки оказывается неприемлемой, приводя к резкому снижению удельной производительности во времени по мере нарастания слоя геля на мембране. Эффекты, связанные с уплотнением ультрафильтрационных мембран, также заметно проявляются при давлениях выше 0,3 МПа. С другой стороны, при давлениях иижс 0,1 МПа удельные производительности невысоки, что вызывает необходимость нспо.иьзования аппаратов с излишне большой поверхностью мембран. Поэтому рекомендуется выбирать рабочие давления в диапазоне О, —0,3 МПа. [c.333]

К фильтрующим элементам и аппаратам, предназначенным для проведения ультрафильтрации лакокрасочного материала, предъявляется ряд особых эксплуатационных требований. Они должны разделять достаточно концентрированные (8—15%-ные по сухому остатку) и относительно вязкие жидкие среды, содержащие абразивные механические взвеси. При минимальной потере напора должны обеспечиваться равномерное и однородное распределение твердой фазы по всему объему и развитый турбулентный режим движения жидкости с малым поперечным градиентом скорости, чтобы свести к минимуму роль концентрационной поляризации и предотвратить осадкообразование. [c.227]

На процесс разделения при ультрафильтрации оказывает влияние концентрация разделяемых веществ в смеси. Так как ультрафильтрационные мембраны имеют большую удельную проницаемость, то это может привести к резкому росту уровня концентрационной поляризации. Поэтому эксплуатационные характеристики мембран во многом зависят от гидродинамических условий у поверхности мембраны. Рекомендуется поддерживать достаточно большую скорость потока над поверхностью мембраны, при разделении эмульсии типа вода — масло , в пределах 3—6 м/с. [c.216]

Процесс обратного осмоса отличается от ультрафильтрации областью применения и аппаратами. Недостатки метода обратного осмоса — процессы концентрационной поляризации и повышенное требование к уплотняющим устройствам аппаратов. Для удаления концентрированного слоя используют различные устройства, турбулизирующие поток ближней зоны раствора у мембраны (турбулизаторы, мещалки, струйные потоки и др.). При обратном осмосе размер молекул отделяемого растворителя соизмерим с размером молекул вещества в растворе (при ультрафильтрации различие было значительным). [c.220]

Преимуществами методов гипер- и ультрафильтрации являются простота аппаратуры возможность разделения растворов при нормальной температуре, выделения ценных продуктов, одновременной очистки воды от органических, неорганических и бактериальных загрязнений малая зависимость эффективности очистки от концентрации загрязнений в воде. Наряду с этим имеются и существенные недостатки. К ним относится явление концентрационной поляризации, заключающееся в увеличении концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественного переноса через нее растворителя, а также необходимость проведения процесса при повышенном давлении в системе. [c.151]

Ультрафильтрация обычно применяется для фракционирования макромолекул, причем большие молекулы задерживаются мембраной, тогда как небольшие молекулы (как и молекулы растворителя) должны свободно проникать через мембрану. Чтобы правильно подобрать мембрану, производители пользуются концепцией молекулярной массы отсечения или просто отсечения пропускания (см. гл. IV). Однако нужно понимать, что не только молекулярная масса определяет селективность ультрафильтрационной мембраны. Большое влияние на наблюдаемое отсечение (или в общем случае на характеристики разделения) оказывает явление концентрационной поляризации. Например, мембрана с отсечением 40 000 всегда полностью проницаема для цитохрома с (М 14400). Однако в смеси цитохрома с и бычьего сывороточного альбумина (М 67 ООО) задерживается как альбумин, так и значительная доля цитохрома с. Причина этого заключается в концентрационной поляризации. Мембрана непроницаема для молекул альбумина, которые образуют на поверхности мембраны дополнительный слой, действующий как динамическая мембрана, способная задерживать молекулы цитохрома с. Кроме того, различные типы растворенного вещества, например, глобулярные [c.294]

Следует иметь в виду одно важное обстоятельство. Как и при микрофильтрации, при осуществлении ультрафильтрации реальные показатели процесса не эквивалентны характеристикам мембраны, оцененным в модельных экспериментах. И снова причина здесь заключается в концентрационной поляризации и отложениях на поверхности мембраны. Макромолекулярный компонент, не проходящий через мембрану, накапливается на поверхности мембраны, что приводит к резкому возрастанию концентрации. В стационарном состоянии конвективный поток растворенного вещества к мембране ра- [c.295]

Особенно сильно эффекты концентрационной поляризации проявляются при микрофильтрации и ультрафильтрации, поскольку в обоих процессах потоки (7) большие, а коэффициенты массопереноса к = В/6) малы, так как коэффициенты диффузии растворенных высокомолекулярных компонентов и частиц дисперсной фазы в коллоидных системах, включая эмульсии, малы. Например, коэффициенты диффузии макромолекул составляют м /с или меньше. [c.399]

Скорость диффузии растворенного вещества с большой молекулярной массой (>500) в раствор низка и значительно меньше скорости диффузии электролита. Поэтому влияние концентрационной поляризации на процесс ультрафильтрации намного сильнее, чем на процесс обратного осмоса. Концентрация у поверхности мембраны при ультрафильтрации может достигнуть такого значения, что на мембране может образоваться слой геля, который резко снижает скорость процесса. Для того чтобы повысить скорость ультрафнльтрации, приходится интенсивно перемешивать раствор или прокачивать его с большой скоростью (до 3—5 м/с) над мембраной. Однако в ряде случаев такой путь оказывается непригодным, так как приводит к резкому повышению расхода энергии на циркуляцию раствора, недопустимому повышению температуры раствора, разрушению структуры некоторых биополимеров и т. п. В этих случаях более рациональным может оказаться применение турбулизирующих вставок. [c.174]

Способы снижения КП (упомянутые и другие) целесообразно использовать при ультрафильтрации, несмотря на то что они сопряжены со значительными усложнениями а шаратурного оформления процесса или его организации. В обратном осмосе и нанофильтрации достаточно эффективными являются более простые способы, связанные с увеличением гидравлического сопротивления межмембранного канала во-первых, благодаря тому, что концентрационная поляризация имеет меньшую величину, чем при ультрафильтрации, а во-вторых, из-за значительно более высоких рабочих давлений увеличение гидравлического сопротивления меньше сказывается на росте затрат энергии на процесс. [c.344]

При обработке исходных растворов, содержащих растворенные вещества с низким значением коэффициента диффузии, концентрационная поляризация может стать значительной независимо от типа потока (ламинарного или турбулентного). Как показано на фиг, 14, кривые изменения потоков через ультрафильтрационные мебраны трех разных типов при повышении давления становятся прямыми линиями при значениях, которые существенно ниже значений потоков для чистой воды. Макромолекулы и коллоиды, находящиеся в обрабатываемой ультрафильтрацией жидкости, скапливаются у поверхности мембраны и образуют липкий слой геля, примыкающий к мембране. Аналогичные явления наблюдаются и при концентрировании с помощью ультрафильтрациониых или обратноосмотических мембран пищевых продуктов. [c.181]

Осмотическое давление коллоидных растворов мало, и их очистку можно осуществлять тоже при помощи мембран, но только за счет эффекта ультрафильтрации, когда через мембрану проходят более мелкие молекулы солей и воды, а коллоидные частицы и органические молекулы задерживаются. При очистке воды за счет ультрафилырации или осмотического эффекта, используемые мембраны не забиваются радиоактивными загрязнениями, которые концентрируются в растворе. Для мембранной очистки воды требуется энергии почти в 10 раз меньше по сравнению с другими способами [2]. В то же время использование мембранных методов имеет ряд ограничений. Наиболее предпочтительно применять обратный осмос для переработки растворов с солесодержанием 0,5-5 г/л. При меньших концентрациях целесообразнее использовать ионный обмен, обеспечивающий более качественное обессоливание, а при высоких — упаривание, так как в этом случае при обратном осмосе значительно возрастает рабочее давление и ухудшается очистка. Максимальное солесо-держание концентрата, достетаемое в процессе обратного осмоса, лимитируется его осмотическим давлением, а также местным увеличением концентрации солей на границе мембрана— раствор (концентрационная поляризация). [c.211]

Максимальное содержание коллоидной фазы в растворах, подвергающихся очистке ультрафильтрацией, не должно превышать нескольких массовых процентов. В противном случае эффективному протеканшо процесса начинает препятствовать гелевая поляризация — процесс, аналогичный концентрационной поляризации при обратном осмосе. [c.211]

Первый корпус предназначен для ультрафильтрации растворов сравнительно низкой концентрации (массовая доля целевого компонента до 1—2 % при наибольшем рабочем давлении 490 кПа (5 кгс/см ). Он имеет магнитную мешалку 5, которую можно фиксировать на иунсной высоте над поверхностью мембраны. Это обеспечивает необходимый режим перемешивания (наибольшая частота вращения мешалки в пределах до 15 об/с) и снижает эффект концентрационной поляризации. Корпус снабжен запорным краном 6 для наполнения (опорожнения) фильтра и для отбора проб рабочего раствора в процессе ультрафильтрации. [c.239]

При проведении мембранных процессов в результате концентрационной поляризации на поверхности мембраны образуется слой слаборастворимых солей (обратный осмос), гель (ультрафильтрация) или осадок микрочастиц (микрофильтрация). Кроме того, если разделяемый раствор перед мембранным аппаратом не подвергся тщательной очистке, на мембране через определенное время могут накопиться загрязнения, содержащиеся в разделяемом растворе. В результате этого резко ухуд-щаются характеристики процесса разделения, приходится останавливать мембранный аппарат для чистки или даже замены мембраны. Замедлению загрязнения мембран во многом спо-собствуется такая организация процесса, при которой концентрационная поляризация незначительна. [c.74]

Однако обратный осмос и ультрафильтрация отличаются от фильтрования с образованием осадка или закупориванием пор перегородки и получением чистого фильтрата. При обратном осмосе и ультрафильтрацни осушествляется разделение раствора на растворитель и раствор с повышенной концентрацией растворенного вещества. При этом накопление растворенного вещества у поверхности мембраны недопустимо, так как оно приводит к резкому снижению проиицаемости и селек-тивностп действия мембраны (концентрационная поляризация). Для устранения этого необходимо постоянно обновлять слой жидкости у поверхности. че.мбраны. Таким образом обратный осмос и ультрафильтрация в некотором смысле аналогичны фильтрованию с непрерывным удалением слоя осадка с поверхности перегородки и получением чистого фильтрата и сгущенной суспензии. Однако следует отметить, что при ультрафильтрации. может образоваться гелевпдный слой на поверхности мембраны, снижающий производительность установки. [c.83]

Выше уже отмечалось, что концентрационная поляризация приводит к загрязнению мембран. Но этим далеко не исчерпывается ее отрицательная роль в мембранных процессах. Именно она определяет сопротивление массообмену со стороны разделяемого раствора. Из-за повышения концентрации у поверхности снижаются селективность и удельная производительность мембран. Причем поскольку отношение концентраций растворенных веществ у поверхности мембраны и в объеме разделяемого раствора экспоненциально возрастает с увеличением удельной производительности, то концентрационная поляризация может явиться фактором, лимитирующим проницаемость мембран в процессах ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса. И усилия, направленные на создание новых высокопроизводительных мембран, могут оказаться напрасными, если одновременно не развивать способы ее эффективного снижения. [c.344]

Как уже отмечалось, концентрационная поляризация может сильно осложнить процесс ультрафильтрации, поскольку поток через мембрану достигает больших величин, коэффициенты диффузии макромолекул довольно низки и задержание обычно очень велико. В связи с этим концентрация растворенного компонента у поверхности мембраны достигает очень больших значений более того, для большинства высокомолекулярных веществ она приближается к максимальной концентрации, или концентрации гелеобразования (сд). Концентрация гелеобразования зависит от размера, 4юрмы, химической структуры и степени сольватации макромолекул, но не зависит от объемной концентрации раствора, подающегося на мембрану. Рис. VH-8 иллюстрирует два явления — концентрационную поляризацию и гелеобразование, происходящие вблизи мембраны. [c.402]

Приведенная модель в целом является значительным вкладом в развитие представлений о концентрационной поляризации и предельном потоке при ультрафильтрации, но она не лишена недостатков. Так, из опубликованных в литературе данных известно, что концентрация геля Сд не постоянна по всему гелю .зависит от концентрации раствора и скорости поперечного течения [4]. Кроме того, концентрация гелеобразования Сд для одного и того же компонента, по данным разных авторов, варьирует в широких пределах [5]. Модель предполагает постоянство константы к, тогда как известно, что коэффициенты диффузии макромолекул часто оказываются концентрационно зависимыми. И, наконец, заметим, что способность к гелеобразованию сильно зависит от природы высокомолекулярного компонента, например, белки относятся к веществам, легко образующим слой геля на поверхности мембраны, тогда как декстраны не образуют его даже при очень высоких концентрациях. [c.404]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология