В работе представлены конструкции и результаты испытаний дисковых перемешивающих элементов, встроенных в мембранный аппарат с плоскими разделительными элементами, работающий в режиме ультрафильтрации.

Массообмен у поверхности ультрафильтрационной мембраны обычно рассматривают с позиций пленочной теории [1], 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 (КП).

КП обусловливает следующие отрицательные эффекты:

1. Снижается движущая сила процесса вследствие увеличения концентрации у поверхности мембраны.

2. При превышении точки гелеобразования (растворы высокомолекулярных веществ) или произведения растворимости (коллоидные системы) на поверхности мембран могут формироваться осадки или гели. Это ведет к резкому возрастанию гидравлического сопротивления переносу вещества и снижению проницаемости мембраны.

3. При повышении концентрации веществ у мембраны она может модифицироваться, что приводит к ее химической деградации.

Имеются три основных направления решения проблемы снижения влияния КП:

1. 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.

2. 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 КП 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. Высокие скорости потоков вдоль мембраны получают путем прокачивания жидкости через мембранный модуль или движения мембраны относительно жидкости, например, путем вращения мембраны вокруг центральной оси (ротационные модули). В одном из таких модулей используется вращающийся кольцевой элемент [2]. Система с вращающимся внутренним цилиндром обеспечивает: а) достижение высоких градиентов скорости вдоль мембраны, смонтированной на внутреннем цилиндре; б) увеличение радиального перемешивания жидкости за счет образования вихрей Тейлора; в) использование естественной конвекции в поле центробежных сил.

В промышленной ультрафильтрации процесс разделения обычно интенсифицируют за счет циркуляции раствора по замкнутому контуру гидравлической системы установки. Использование турбулентного режима движения жидкости (обычно линейная скорость раствора 3–5 м/с) приводит к большим энергозатратам.

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 [3], что связано со значительным увеличением энергетических затрат на разделение раствора.

К экзотическим решениям относятся: введение в исходный поток тонкоизмельченных твердых частиц [4]; нарушение гидродинамической устойчивости потока вихрями Тейлора (в электродиализном опреснителе) [5]; генерация микровихрей размещением на пути потока жидкости извилистых ребер [6].

Несмотря на многообразие методов борьбы с КП, 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.

Для создания турбулентных потоков жидкости у поверхности мембраны на диске мешалки были выполнены различные турбулизирующие элементы, форма которых являлась предметом исследования. Идея конструирования заключалась в том, что максимально энергия должна тратиться на локальную турбулизацию жидкости, а не на ее объемное перемещение.