Поляризационные явления на мембранах

Поляризационными называются явления, происходящие в тонком слое разделяемой смеси вблизи поверхности мембраны по причине ее полупроницаемости.

Вдоль мембраны движется поток исходного раствора с объемным расходом W и с концентрацией по задерживаемому компоненту C₀. Под действием движущей силы (градиент давления) через мембрану проникает поток пермеата G с концентрацией компонента C_p< C₀. Из-за того, что отток воды происходит из прилежащего к мембране слоя раствора, в этом слое концентрация компонента растет по мере приближения к поверхности мембраны.

В этом разделе рассмотрены два наиболее часто встречающихся и изученных типа поляризационных явлений: концентрационной поляризации и гелевой поляризации. Они наблюдаются во всех баромембранных процессах – ультра-, нанофильтрации, обратного осмоса, однако, гелевая поляризация характерна для растворов высокомолекулярных соединений, т.е. преимущественно в ультрафильтрационных процессах.

Явление концентрационной поляризации

Ввиду предполагаемого переноса воды через проницаемую мембрану, у ее поверхности повышается концентрация растворенных веществ по сравнению с их содержанием в объеме раствора, при этом устанавливается динамическое равновесие между подходом растворенных веществ к поверхности мембраны и их удалением от нее вследствие конвективной и молекулярной диффузии, таким образом, у поверхности мембраны устанавливается градиент концентрации, перпендикулярный поверхности мембраны.

Кроме того, в мембранном аппарате устанавливается градиент концентрации, параллельный поверхности мембраны.

Явление возникновения градиента концентрации веществ перпендикулярно поверхности мембраны получило название концентрационной поляризации (КП). Концентрационная поляризация – это формирование у поверхности мембраны пограничного слоя, в котором концентрация растворенного вещества больше, чем в исходном растворе (см. рис.ХХ).

Figure XX. Concentration polarization at a membrane surface [Coulson and Richardson]

Концентрационная поляризация во всех случаях является отрицательным фактором процесса мембранного разделения, так как:

 - создается возможность образования труднорастворимых осадков в примембранном слое и имеет место повышенной концентрации растворенных веществ;

 - при развитой КП увеличивается вероятность прохождения растворенных веществ в фильтрат.

В результате этих явлений ухудшается качество очистки воды, снижается производительность вследствие закупорки пор. Снижение производительности мембраны происходит также вследствие снижения осмотического давления в примембранном слое. Для снижения уровня КП в фильтрующих элементах устанавливаются специальные турбулизирующие вставки, увеличивается скорость движения воды для увеличения турбулентности потока за счет рециркуляции концентрата. В лабораторных условиях на исследовательских установках для снижения эффекта КП применяются магнитные мешалки.

Гелевая поляризация

Когда мы имеем дело с растворами высокомолекулярных веществ (ВМС), т.е. осуществляем процесс ультрафильтрации, он осложняется тем, что при определенной концентрации начинается межмолекулярное ассоциирование ВМС с образованием пространственной сетки. Это состояние вещества называется гелем и возникает оно за счет уменьшения гидратных оболочек функциональных групп молекул ВМС и реализации водородных связей между молекулярными цепями. Процесс получил название гелевой поляризации (ГП)

Образование геля у поверхности мембраны резко меняет условия протекания процесса ультрафильтрации. Растворенное вещество в слое геля теряет подвижность, поэтому нельзя пользоваться понятием химического потенциала или коэффициента диффузии. Появление еще одного сопротивления переносу вещества через мембрану (помимо имеющегося сопротивления слоя с повышенной концентрацией, обусловливающего явление КП (см. п.2.6.1.) снижает ее производительность.

Figure X. Depiction of how gel-layer is formed