СПОСОБ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 1997 года по МПК B01D61/00 B01D65/08 

Изобретение относится к области разделения и концентрирования растворов методом ультрафильтрации, обратного осмоса и может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Известно мембранное разделение жидких сред, в частности ультрафильтрация с помощью полупроницаемой перегородки [1] В результате создания движущей силы процесса разности давлений до и после мембраны происходит разделение жидких сред на низко- и высокомолекулярные соединения. Низкомолекулярные соединения проходят через поры мембраны и удаляются в виде фильтрата, а высокомолекулярные задерживаются мембраной. За счет того, что подвод растворенных веществ к мембране осуществляется конвективным переносом, а обратный отвод производится молекулярной диффузией, происходит накопление растворенных веществ у поверхности мембраны (явление концентрационной поляризации) [1] Вследствие этого формируется слой геля, который движется по поверхности мембраны. Формирование этого слоя осуществляется практически мгновенно в течение небольшого интервала времени, который меньше одной секунды [2]
В настоящее время с ним ведут активную борьбу, так как за счет него увеличивается сопротивление процессу переноса растворенных веществ через мембрану и тем самым уменьшается движущая сила и производительность процесса. По имеющимся данным толщина этого слоя составляет от 3,37 до 6,92 мкм [3]
Негативное влияние этого слоя стараются уменьшить различными способами. Наиболее распространенным является повышение скорости течения в канале мембранного аппарата до появления развитой турбулентности потока над поверхностью мембраны. Кроме того, могут устанавливаться различные турбулизирующие устройства, производиться пульсация потока и т.д. Все это требует дополнительных затрат энергии и усложняет конструкцию аппарата. К тому же эти меры носят временный характер и не могут предотвратить образования слоя геля, а лишь частично уменьшают его.

Для уменьшения энергоемкости процесса авторы [1] предлагают использовать мембранные аппараты с узкими мембранными каналами. В них создается ламинарный режим движения. Это требует меньших затрат энергии. Однако это не исключает образования концентрационной поляризации и, следовательно, уменьшения производительности процесса.

Целью изобретения является интенсификация процесса мембранного разделения.

Цель достигается за счет того, что образующийся на поверхности мембраны слой геля с повышенным содержанием растворенных веществ отводится в виде сконцентрированного раствора, причем для создания устойчивого ламинарного пограничного слоя, а следовательно, и слоя геля величина отношения скорости отсасывания к скорости потока над мембраной должна быть не менее 5•10^-4 [4]
Способ заключается в создании ламинарного режима движения в канале мембранного аппарата. При этом в процессе мембранного разделения образуется ламинарный пограничный слой, внутри которого на поверхности мембраны находится слой геля с повышенным содержанием растворенных веществ. Величина концентрации растворенных веществ в геле для большинства гидрофильных соединений находится в пределах 35% [5,6] Образующийся в процессе мембранного разделения слой геля будет отводиться в виде сконцентрированного раствора. При этом будет производиться и обычное мембранное фильтрование с отводом фильтрата через мембрану, Эти процессы будут происходить одновременно. Продолжительность их проведения будет определяться необходимой степенью концентрирования согласно техническому заданию.

Ламинарный режим движения в канале мембранного аппарата предопределяет и ламинарный пограничный слой, а следовательно, и слой геля. Для его устойчивого существования минимальное отношение скорости отсасывания к скорости потока принимается равным 5•10^-4. Переход ламинарного движения в турбулентный может вызвать отрыв ламинарного пограничного слоя от поверхности мембраны или преобразования его в турбулентный. Это повлечет за собой большие потери энергии либо снизит концентрацию растворенных веществ в слое геля, что уменьшит производительность процесса.

Положительной стороной предложенного способа является сочетание традиционного метода мембранного разделения с одновременным отводом геля с повышенным содержанием растворенных веществ с поверхности мембраны. Это позволит значительно интенсифицировать процесс мембранного разделения. Вместо борьбы с явлением гелеобразования растворенных веществ на поверхности мембраны оно перейдет в разряд наиболее благоприятных, применение которого позволит снизить энергоемкость и интенсифицировать процесс.

Литература
1. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчеты. М. Химия, 1986, 272 с.

2. Старов В.М. Элленгорн С.М. Лялин В.А. Образование гелеобразного слоя молекул биополимера в примембранной области, Химия и технология воды, 1989, N 1.с. 3-6.

3. Цапюк Е.А. Смещение кривых молекулярно-массового задержания ультрафильтрационных мембран в режиме гелеобразования. Химия и технология воды, 1992, N 7, с. 532-537.

4.Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. Наука, 1974. 711 с.

5.Lonsdall H.K. The growth of membrane technology- J.Membrane Sci, 1982, 10, N 2/3 p.81-181.

6. Michaels A.S. Ultrafiltration: an adolescent technology - Chem.Technol, 1981, N 1, p.34-43м

Использование: интенсификация процесса мембранного разделения и концентрирования жидких сред. Сущность изобретения: над мембраной создают ламинарный поток разделяемой среды, образующийся на поверхности мембраны, слой геля с повышенным содержанием растворенных веществ отводят в виде сконцентрированного раствора, причем для создания устойчивого ламинарного пограничного слоя, а следовательно, и слоя геля величина отношения скорости отсасывания к скорости потока над мембраной должна быть не менее 5•10^-4.

Способ разделения жидких сред с использованием полупроницаемых мембран, включающий создание ламинарного потока разделяемой среды над мембраной в канале мембранного аппарата, отвод концентрата и фильтрата, отличающийся тем, что образующийся на поверхности мембраны слой геля с повышенным содержанием растворенных веществ отводят в виде сконцентрированного раствора, причем для создания устойчивого ламинарного пограничного слоя, а следовательно и слоя геля величина отношения скорости отсасывания к скорости потока над мембраной должна быть не менее 5 • 10^- 4.