УДК 66.074

О.П.Байысбай., М.И.Сатаев, Ш.З.Ескендиров, Л.М.Сатаева, А.А.Саипов.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М.Ауезова

Массоперенос мембранной очистки

нефтесодержащих сточных вод

Общее сопротивление движения нефтесодержащего водного потока будет зависеть от следующих факторов: структуры ультрамембраны, т.е. его толщины и длины капилляров, гладкости стенок капилляров и местных сопротивлений, зависящих от внезапного расширения или сужения канала, формы входа, формы и угла поворотов канала; физических характеристик нефтепродукта; поверхностных взаимодействий материала мембраны и нефтепродукта; структуры осадка и скорости роста его толщины [1].

Массообмен у поверхности ультрафильтрационной мембраны обычно рассматривают с позиций пленочной теории, согласно которой на границе раздела фаз возникают ламинарные пограничные слои, в пределах которых существуют градиенты концентрации. Основное сопротивление массообмену сосредоточено в этих слоях. В процессе ультрафильтрации через мембрану преимущественно проходит растворитель и низкомолекулярные растворенные вещества. Повышение концентрации задерживаемого вещества в пограничном слое у поверхности мембраны известно под названием концентрационной поляризации.

Концентрационная поляризация обусловливает следующие отрицательные эффекты: снижается движущая сила процесса вследствие увеличения концентрации у поверхности мембраны; при превышении точки гелеобразования или произведения растворимости на поверхности мембран могут формироваться осадки или гели; при повышении концентрации веществ у мембраны она может модифицироваться, что приводит к ее химической деградации.

Имеются два основных направления решения проблемы снижения влияния концентрационной поляризации.

Поддерживание малых потоков жидкости через мембрану. Оно возможно только при достаточной производительности ультрафильтрационного модуля, т.е. при очень большой рабочей площади мембран, умещающихся в компактный модуль. В качестве примера можно привести половолоконные аппараты.

Поддерживание низкой разницы концентраций между примембранным слоем и основным объемом жидкости. Для достижения этого условия используют различным способом организованное, с переводом концентрированного слоя перемешивание с поверхности мембраны в ядро потока. Перемешивание, формирующее перпендикулярные мембране потоки, часто используются для уменьшения концентрационной поляризации в небольших лабораторных модулях с помощью лопастной мешалки. В промышленных масштабах этот способ практически невозможен. Практически во всех промышленных мембранных аппаратах увеличение конвективного массопереноса растворенных веществ с поверхности мембраны в основной объем жидкости достигается за счет высоких градиентов скорости вдоль мембраны.

Повышение скорости часто сочетают с использованием турбулизирующих вставок. Вставки могут быть самых различных конструкций: спиральные (для мембран трубчатого типа), перфорированные и гофрированные устройства (для плоских мембран), металлические и пластмассовые сетки (для рулонных элементов).

Общим недостатком применения турбулизаторов является резкое повышение гидравлического сопротивления межмембранного канала [302], что связано со значительным увеличением энергетических затрат на разделение раствора.

Несмотря на многообразие методов борьбы с концентрационной поляризации, ни один из них не приводит к полной нейтрализации ее влияния. Поэтому оправдан поиск таких условий работы мембранных аппаратов, которые обеспечивали бы максимальный эффект при минимальных затратах.

В нашей работе влияние концентрационной поляризации при адсорбции нефтепродуктов устранялось за счет применения мембранных элементов состоящих из ребристых пластин, где ребра обеих поверхностей пластины расположены крестообразно относительно друг друга под углом 140-150^о. На рисунке 1 показано изменение концентрационной поляризации по длине межмембранного канала. Из рисунка видно, что концентрационная поляризация незначительно возрастает по мере удаления от входа в канал. Это ведет к небольшому снижению селективности и проницаемости.

На рисунке 2 представлена зависимость изменения селективности мембранного аппарата по длине межмембранного канала при различных скоростях потока.

Концентрационная

поляризация

Длина межмембранного канал l, м

Рисунок 1 – Изменение концентрационной поляризации

по длине межмембранного канала

Из рисунков видно, что предлагаемая конструкция мембранного аппарата позволяет значительно уменьшить образование концентрационной поляризации и повысить эффективность селективности и проницаемости аппарата при небольших скоростях потока.

Селективность j, %

Длина межмембранного канала l, м

Обозначения кривых: скорость потока: 1 – 0,1 м/с; 2 – 0,08 м/с; 3 – 0,03 м/с.

Рисунок 2 – Изменение селективности мембранного аппарата

по длине межмембранного канала

Наилучшей с точки зрения снижения влияния концентрационной поляризации является использование предлагаемой конструкции. Идея конструирования заключалась в том, что максимально энергия должна тратиться на локальную турбулизацию жидкости, а не на ее объемное перемещение.

Литература

1. Сатаев М.И. Обеспечение экологической безопасности состояния окружающей среды адсорбционными и мембранными методами очистки водных и газовых потоков. - Докторская диссертация, 2006. - 297 с.