Пермеат

При фильтрации воды в перекрёстном потоке (cross-flow) поток, который должен быть очищен, движется параллельно поверхности мембраны, а пермеат проходит сквозь мембрану. Такое оформление процесса позволяет снизить толщину слоя осадка на мембране и поддерживать ее на низком уровне. Есть возможность поддержания квазистационарным потока фильтрата на довольно длительные промежутки времени. В некоторых источниках этот процесс называется тангенциальной или динамической фильтрацией.

Известно, что во всех баромембранных процессах разделения жидкости проницаемость мембран во времени снижается. По мнению большинства исследователей, основная причина этого — накопление задерживаемых частиц (механических примесей, коллоидов, конгломератов молекул и пр.) на поверхности мембраны. Процесс накопления частиц зависит, в основном, от гидродинамического режима разделения — т.е. от того, пропускают ли разделяемую смесь в виде тангенциального (касательного) потока очищаемой воды вдоль поверхности селективного слоя мембраны либо смесь практически неподвижна относительно поверхности мембраны. Наиболее предпочтительным для промышленных мембранных процессов является тангенциальный режим, называемый также перекрестнопоточной (cross-flow) фильтрацией воды, для которого характерно относительно небольшое снижение (вплоть до достижения постоянства) производительности мембран во времени.

Второй режим, называемый тупиковой (dead ended flow) фильтрацией, в промышленных мембранных установках практически не применяется.

Фильтры с перекрестным током были разработаны с целью уменьшения КП и забиваемости мембран. В фильтрации воды без выхода концентрата (dead-end) весь объем раствора проходит через мембрану, а в перекрестной фильтрации только небольшой процент растворителя (5-20%) проходит через нее; остаток фильтруется и проходит параллельно мембране и выходит из модуля. Перекрестный ток воды удаляет компоненты, забивающие мембрану, которые накапливаются на поверхности по различным причинам и механизмам образования.

В процессе опреснения воды основные растворенные вещества – это ионы. При конвективном движении жидкости к поверхности мембраны переносит ионы и через нее. Одновременно ионы диффундируют из области с высокой концентрацией (в близи поверхности мембраны) в область с низкой концентрацией, поддерживается динамическое равновесие. В перекрестной (тангенциальной) фильтрации воды эффективная длина пути диффундирующих молекул меньше, вследствие поступления свежих объемов воды в модуль; тем самым сокращается избыточная концентрация ионов у поверхности мембраны, так же снижаются осмотические условия по сравнению с тупиковой фильтрацией.

Коллоидные частицы в противоположность растворенным в воде макромолекулам обычно гидродинамически активны. Они вообще более твердые и таким образом не способны накапливаться, пока пограничный поток свободно движется. То есть, частицы осаждаются таким образом, что не нарушают движение потока воды в близи поверхности. Забивание мембран коллоидными частицами можно сократить, применяя перекрестную фильтрацию; более того в этом случае скорость перекрестного фильтрования является фактором, который влияет на параметры осаждения. Скорость фильтрования частиц на один порядок выше, чем макромолекул. Эта радикальная разность поведения суспензий с растворенным веществом одной массовой фракции, известна как «парадокс течения». Основываясь на этом явлении, инженеры, занятые коллоидными суспензиями, могут еще более увеличить скорость фильтрования воды.

Предлагались различные объяснения этого явления. По одной гипотезе полагают, что макромолекулы и маленькие и подвижные молекулы способны адсорбироваться на неправильной поверхности мембран. Такие поверхности характеризуются низким образованием осадков и наличием пор, где коллоидные частицы неспособны адсорбироваться. Постепенно коллоидная фракция приближается к мембране с образованием незначительного осадка, снижающего скорость фильтрования.

Кратко рассмотрим две гидродинамические теории указанного явления. Согласно одной теории, слой, который формируется на мембране с течением времени, на самом деле двигается вдоль мембраны по направлению перекрестного тока. Слой вещества, забивающего мембрану, может быть удален перекрестным течением. Если забивающее мембрану вещество находится в коллоидном состоянии, маленькие частицы не прилегают друг к другу, а также способны вращаться вокруг друг друга и вероятно диффундировать в растворе под действием силы перекрестного тока. Таким образом, коллоидные частицы, забивающие мембрану, составляют слой, относительно тонкий и пористый и, таким образом, представляет собой незначительное сопротивление пермеату в сравнении с макромолекулами и молекулярным более плотным слоем. Последний забивает мембраны и подверженный меньшему влиянию перекрестного тока становиться толще и создает большое сопротивление пермеату.

Вторая гидродинамическая теория указанного явления говорит о том, что коллоидные частицы взаимодействуют с перекрестным током, как индивидуальные частицы в потоке, и уносятся потоком далеко от поверхности мембраны. Эта тенденция основана на конвекции частиц к стенке с учетом скорости фильтрования. Частицы или достигают стенки и забивают ее или остаются в ядре потока и выносятся из модуля без вреда для мембраны. Макромолекулы, которые малы и подвижны, гидродинамически инертны и, вследствие этого, конвектируют к мембране. Некоторые явления в ламинарном потоке подтверждают эту теорию.

При проектировании мембранных установок очистки воды необходимо знать динамику загрязнения поверхности мембраны и влияние геометрических размеров частиц на процесс их осаждения на поверхности мембран.