Для тривалої роботи мембранного елемента необхідно забезпечити безперервний змив затриманих мембраною забруднень. Для цього організовується постійне омивання мембрани вихідним потоком. Такий спосіб називається фільтрування з тангенціального потоку (рис. 2.10). При цьому вхідний потік вихідної води подається уздовж поверхні мембрани і в міру проходження над її поверхнею розділяється на два: що пройшов через мембрану очищений розчин (фільтрат) і виходить з боку, протилежного введення води, концентрат. не пройшов через мембрану і містить основну частину затриманих мембраною домішок.
Фільтрування з тангенціального потоку використовується у всіх установках зворотного осмосу і нанофільтрації, іноді - для ультрафільтрації та рідко - для мікрофільтрації.
Мал. 2.10. Принцип фільтрування з тангенціального потоку
Мал. 2.11. Розподілу концентрацій розчиненої речовини в примембранном шарі:
а - відсутність концентраційної поляризації; б - проміжний стан; в - стаціонарний стан
Оскільки частина води йде через мембрану, в прикордонному шарі у її поверхні концентрація домішок зростає в порівнянні з ядром потоку (рис. 2.11). Це явище отримало назву концентраційної поляризації (КП). Наслідки цього явища багато в чому залежать від характеру домішок і типу процесу мембранного поділу.
У разі мікро- і ультрафільтрації затримуються домішками є головним чином суспензії і колоїди. Відповідно, підвищення їх концентрації може призводити до укрупнення частинок і їх випадання на мембрану з утворенням шару відкладень, що погіршує проникність мембрани. При нанофільтрації і зворотного осмосу затримка погано розчинних домішок може підвищити їх концентрацію в при поверхневому шарі і створити небезпеку формування на мембрані відповідних відкладень. Затримка при зворотного осмосу значної частини добре розчинних домішок обумовлює локальне підвищення в при поверхневому шарі осмотичного тиску. При заданому робочому тиску це призводить до зменшення ефективного рушійного перепаду тиску, тобто різниці між робочим тиском і осмотичним, що, в свою чергу, може істотно знизити продуктивність установки.
Нехтуючи поздовжнім перенесенням, картину концентраційної поляризації можна представити таким чином. Поперечний потік постійно підносить розчин до мембрани. Вода і частина домішок проходять на сторону фільтрату, а решта домішки затримуються.
В результаті пристінкова концентрація домішок починає збільшуватися. Це, в свою чергу, викликає відтік домішки від мембрани за механізмом молекулярної дифузії. Коли дифузний відтік зрівняється з затримуваних припливом домішок, встановиться рівновагу і пристінкова концентрація стабілізується (рис. 2.11).
У практичних додатках швидкості, що вимагаються для турбулізації потоку (
1 м / с), можуть виявитися неприйнятними. По-перше, при таких швидкостях буде відбуватися надмірне падіння тиску по довжині мембранного елемента. По-друге, при заданій геометрії установки і обраному гідравлічному ККД поздовжня швидкість однозначно пов'язана з потоком через мембрану. Отже, високі поздовжні швидкості означатимуть і високі поперечні, що може зажадати неприйнятного перепаду тиску на мембрані. Тому на практиці для порушення плоскопаралельності течії в межмембранном зазорі використовують спеціальні пристрої (сітки), звані турбулізаторами.
Знімання фільтрату з одиниці поверхні мембрани є найважливішою характеристикою мембран, які працюють в тангенціальному режимі. При характерному масштабі прімембранной шару 100 мкм і коефіцієнті дифузії близько 10 -5 см 2 / с для величини знімання з одиниці площі мембрани отримаємо:
що розумно узгоджується з типовим діапазоном питомих производительностей для установок зворотного осмосу 10-30 л / (м 2 · год).
Наведені вище вираження для концентраційної поляризації втрачають силу при розгляді цього ефекту для відносно великих часток забруднень, наприклад, при ультрафільтрації. В цьому випадку питома витрата може бути помітно вище, ніж при зворотному осмосу, а коефіцієнт дифузії на порядки менше, так що формально оцінена концентрационная поляризація буде аномально високою. Однак, хоча якісно висновок про підвищення ролі концентраційної поляризації справедливий, кількісні висновки некоректні. Справа в тому, що в даному випадку розмір дифузійного прикордонного шару виявляється менше розміру часток забруднень, тому дифузійний перенос не працює. В цьому випадку відносять домішки від мембрани відбувається під дією виключно гідродинамічних факторів, за рахунок градієнта поздовжньої швидкості у мембрани. Оскільки швидкість зростає при видаленні від мембрани, можна собі уявити, що частка домішки буде як би котитися потоком, «підстрибувати» на шорсткостях стінки і нестися в обсяг. У розглянутих режимах єдиним ефективним способом боротьби з концентраційного поляризацією виявляється збільшення швидкості потоку (тобто збільшення зсуву швидкості у мембрани) аж до значень на рівні 1-3 м / с. Якщо ж не вдається досягти ефективного видалення відокремлюваних домішок в об'єм, в масштабах прімембранной шару режим фільтрування з тангенціального потоку буде мало відрізнятися від режиму тупикового фільтрування і також буде вимагати періодичного промивання зворотним струмом фільтрату.
Вищеописане формування концентраційної поляризації пов'язано з наявністю потоку, перпендикулярного поверхні мембрани. На практиці в силу наявності у мембранних елементів поздовжнього розміру також відбувається виснаження поздовжнього потоку, що призводить до зростання вихідної концентрації розчину в даній точці поперечного перерізу мембранного апарату.
Розглянемо характер зміни параметрів уздовж мембрани.
З огляду на те, що частина потоку проникає через мембрану і відводиться у вигляді фільтрату, швидкість потоку уздовж мембрани буде весь час знижуватися. Разом з цим, оскільки концентрація домішок в фільтраті нижче, ніж у вхідному потоці, по ходу мембрани буде наростати концентрація домішок. Селективність мембран зазвичай слабо залежить від концентрації домішки над мембраною. Тому зростання концентрації уздовж мембрани з боку вхідного потоку буде супроводжуватися і зростанням концентрації в воді, що проходить через мембрану, і, в кінцевому рахунку, призведе до збільшення концентрації домішок в фільтраті, тобто спостерігається ефективна селективність елемента буде нижче паспортної селективності мембрани.
З наведених міркувань ясно, що ступінь вираженості цього ефекту буде залежати від ступеня відбору пермеата - чим вище гідравлічний ККД елемента, тим більше зросте концентрація домішки у вхідному потоці, і тим менш ефективною буде інтегральна селективність елемента. Отримаємо вирази, що визначають цей зв'язок в найпростішому випадку, коли ефект концентраційної поляризації не виражений і можна не робити відмінності між середньою по перетину і приповерхностной концентраціями домішки.
Якщо продуктивність мембрани приблизно постійна (що справедливо), якщо падіння тиску на елементі мало в порівнянні з перепадом тиску на мембрані, і можна знехтувати внеском осмотичного тиску, інтегральний потік через мембрану Y буде пропорційний координаті уздовж мембранного елемента. Отже, чим вище проникність мембрани, тим швидше наростає концентрація домішки вздовж елемента (рис. 2.12).
Мал. 2.12. Розподіл швидкості потоку і концентрації речовини уздовж мембрани:
А - мембрана з низькою проникністю; Б - мембрана з високою проникністю; W вх - швидкість вихідного розчину; W А - швидкість на виході з мембрани А; W Б - швидкість на виході з мембрани Б; З вих - вихідна концентрація; З кА - концентрація на виході з мембрани А; З кБ - концентрація на виході з мембрани Б