VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В последнее время все большее применение в пищевой, медицинской, электронной и других отраслях промышленности находят патронные фильтры, основным элементом которых является полимерная мембрана. Среди методов мембранного разделения микрофильтрация занимает особое место. Она применяется для разделения систем жидкость (газ) – твердое вещество через микропористый материал, например, мембранный фильтр, с целью получения фильтрата, очищенного от взвешенных микрочастиц от 0,1 до 10 мкм [1].

Мембранные технологии являются одним из важнейших направлений современных технологий очистки воды и других жидкостей. Благодаря развитию этой технологии уменьшается потребление электроэнергии и других энергоносителей. Практические исследования последних лет показало, что на качество и устойчивость мембран к различным агрессивным средам влияет множество факторов, которые сложно учесть.

Хорошо известно, что одно из ведущих мест в мембранной микрофильтрационной индустрии занимают полиамиды, что вызвано целым рядом характерных для них свойств, таких как природная гидрофильность, предельно малое содержание экстрагируемых веществ, стойкость к действию многих растворителей, термостабильность.

Полиамидные мембраны по своей природе гидрофильны и сразу же смачиваются водой и водными растворами. Структура полиамидных мембран имеет крупноячеистое строение, причем стенками ячеек являются тонкие микропористые перегородки [2]. Благодаря именно такому строению обеспечивается непрерывность полимерного каркаса мембран и высокая прочность и эластичность в сухом и смоченном виде. Эти мембраны не теряют своей прочности и эластичности при многократных сгибаниях.

Микрофильтрационные мембраны биологически инертны, а также остаются неизменными при химических, механических, термических нагрузках; а также обладают высокой эффективностью удержания микрочастиц при качественной производительности фильтрации, благодаря контролируемому размеру пор и высокой пористости. Мембранные технологии, являясь экономически высокоэффективными и малоотходными, позволяют создать рациональные производства переработки растворов неорганических и органических веществ, разделения и очистки газовых смесей, фракционирования и концентрирования пищевых продуктов, медицинских препаратов, ценных металлов и неметаллов, очистки сточных вод, а также опреснения и обессоливания воды [3].

Процесс мембранного фильтрования происходит внутри мембраны, а затем с уменьшением диаметра пор - на ее поверхности. Однако, внутри мембраны может происходить постепенное или полное закупоривание пор.

Когда пора закупоривается полностью, имеет место [4]:

- образование первичного осажденного слоя;

- образование основного слоя;

- уплотнение слоя осадка.

В большинстве случаев именно осадок является определяющим фактором эффективности фильтрации – производительности фильтра. Полнота разделения неоднородных сред существенно зависит от давления, при котором протекает процесс. В количественном отношении производительность фильтра определяется скоростью фильтрации

G=dVSdτ,

где dV – объем фильтрата, м³,

S – поверхность фильтрации, м²,

dτ – длительность процесса фильтрации, с.

При протекании фильтрующей жидкости через поры фильтрующей перегородки и осадка движение жидкости через мембрану носит ламинарный характер, а следовательно подчиняется закону движения жидкости в капиллярных каналах:

V=πr4∆Pτ8μl,

где r – радиус поры, м,

∆Р – разность давления на концах мембраны, Па,

µ - вязкость жидкости, (Па∙с)/м²,

l – длина капилляра, м.

Для учета уплотнения осадка чаще пользуются выражением для удельного гидравлического сопротивления сжимаемого осадка:

rс=rnc1+kc1-∆PPn,

где r_nc - удельного гидравлического сопротивления несжимаемого осадка, м^-2,

kc – коэффициент сжимаемости осадка,

∆Р – разность давлений на мембране, Па,

Р – исходное давление, Па.

Нахождение точных аналитических решений уравнений, получаемых в ходе решения задачи зависимостей количества фильтрата, величины слоя осадка или другой характеристики от времени не представляется возможным по той причине, что исследуемые уравнения не являются линейными.

Применяя метод математического моделирования, можно исключить малозначительные факторы, а также определить каким образом определяющие факторы, формирующие необходимые свойства мембран, влияют друг на друга и на изделие в целом. С помощью этой модели можно будет спрогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных воздействий на объект. Адекватность устанавливается с использованием статистико-вероятностных методов, позволяющих определить значения коэффициентов.

При моделировании возможно также применение статистических методов для установления гидродинамических закономерностей при прохождении жидкости через мембрану, получения геометрических параметров слоев осадка, а также оценки качества фильтрования используемой мембраны [5].

Библиографический список

1. R. W. Baker. Membrane Technology and Application. California, Menlo Park: Wiley, 2004. 538 с.

2. С. А. Тарасова, Ю. А. Федотов. Полиамидные мембраны и фильтрующие элементы на их основе // Фармацевтические технологии и упаковка. 2009. №3. С. 18-22.

3. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. - М.: Химия, 1975. - 230 с.

4. Поляков Ю.С., Максимов Е.Д, Поляков B.C. К расчету микрофильтров // Теор. основы хим. технологий.1999. Т.33. №1. - С.70-78.

5. Жужиков В. А. Фильтрование: Теория и практика разделения суспензий. – М.: Химия, 1971. – 440 с.

Код для цитирования: Скопировать