автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Интенсификация процесса ультрафильтрации внешним акустическим полем

Введение

Глава I, Литературный обзор. I

1.1. Сущность ультрашильтрации.

1.2. Концентрационная поляризация.

1.3. Сущность явления ультразвуковых колебаний.

1.3.1. Акустические эффекты первого порядка

1.3.2. Акустические эффекты второго порядка

1.3.2.1. Акустические течения

1.3.2.2. Кавитация.

1.3.2.3. Акустическая диффузия

1.4. Описание конструкций акустических преобразователей энергии

1.4.1. Магнитострикционные преобразователи

1.4.2. Пьезоэлектрические преобразователи

1.5. Конструкции мембранных модулей с акустическими преобразователями энергии

1.6. Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Опытные установки и методики исследований

2.1.1. Описание технологической схемы установки для исследования влияния ультразвуковых колебаний на процесс ультрафильтрации

2.1.2. Конструкции ультрафильтрационных экспериментальных ячеек

2.1.3. Описание схемы измерения плотности предельного тока.

2.1.4. Методика определения коэффициента массоотдачи электродиффузионным методом.

2.1.5. Объекты исследования и методы анализа

Глава 3. Обсуждение результатов экспериментов

3.1. Исследование массоотдачи в процессе ультрафильтрации при наложении внешнего акустического поля

3.1.1. Определение степенного коэффициента при модифицированном критерии Рейнольдса

3.1.2. Определение степенного коэффициента при диффузионном критерии Прандтля

3.1.3. Определение степенного коэффициента при акустическом критерии Рейнольдса

3.2. Влияние внешнего акустического поля на процесс ультра фильтрации

3.2.1. Влияние акустических колебаний на движущую силу ультрафильтрации.

3.2.2. Влияние внешнего акустического поля на массопро-водность мембран.ЮЗ

Выводы.

До недавнего времени разделение жидких гомогенных смесей осуществлялось только с помощью таких широко известных процессов, как перегонка, адсорбция, экстракция и т.п. Однако, эти методы имеют ряд существенных недостатков - сложность и громоздкость аппаратуры и технологических схем; - большие эксплуатационные затраты; - необходимость использования высоких или очень низких температур; - кроме того, в ряде случаев названные методы разделения оказываются непригодными. Подобных недостатков в значительной мере лишены мембранные методы разделения жидких смесей - обратный осмос и ультрафильтрация. В мембранных процессах отсутствуют фазовые переходы, поэтому они дешевле по сравнению с перегонкой, экстракцией, выпариванием и др. Кроме того мембранные методы создают новые возможности использования вторичных сырьевых ресурсов, извлекаемых из отходов производств /1-7/.

Вместе с тем, одним из недостатков, присущих мембранным методам, является загрязнение мембран взвешенными частицами и коллоидами, присутствующими в исходном растворе. Поэтому в настоящее время регенерацию мембран осуществляют моющими растворами, содержащими поверхностно-активные вещества (ПАВ). Однако последующая отмывка мембран и трубопроводов от ПАВ требует больших расходов деминерализованной воды.

В процессе УФ у поверхности мембраны образуется слой с высокой концентрацией растворенных веществ, нередко достигающей концентрации гелеобразования. Такое явление называется концентрационной поляризацией (КП). КП всегда отрицательно сказывается на процессе УФ, вызывая снижение производительности и эффективности разделения, а также сокращения срока службы мембран.

Исследование методов борьбы с явлениями загрязнения поверхности мембра и КП, таких как применение различных турбулизирую-щих вставок /7-9/, и создание развитых гидродинашгче ских режимов потоков в каналах разделительных моделей, свидетельствуют о низкой эффективности этих методов.

В последние годы в литературе появляются сведения о методах регенерации мембран от загрязнений микропримесями путем воздействия акустическими колебаниями /33-38/. Известны также положительные результаты интенсификации некоторых массообмен-ных процессов: - экстракции /26-37/; - ректификации /39-40/. Эти результаты обусловливают практическую ценность исследований вопросов регенерации мембран и интенсификации массоперено-са в УФ.

Диссертационная работа направлена на решение вопроса интенсификации процесса УФ внешним акустическим полем, в этом заключается ее актуальность.

Цель -работы: Исследование влияния внешнего акустического поля на процесс ультрафильтрации. Получение критериальных уравнений массоотдачи, количественно характеризующих влияние внешнего акустического поля, и на их основе разработка практических рекомендаций по интенсификации УФ и регенерации мембран в процессе эксплуатации.

Научная новизна. Впервые обнаружено и исследовано влияние внешнего акустического поля на массоотдачу в процессе ультрафильтрации. Получены критериальные уравнения массоотдачи, количественно характеризующие влияние внешнего акустического поля. Показана зависимость удельной производительности мембран от коэффициента массоотдачи в условиях воздействия на процесс внешнего акустического поля.

Практическая ценность. Разработана методика расчета проницаемости ультрафильтрационных мембран, эксплуатирующихся в условиях гелеобразования при воздействии на разделяемый раствор внешнего акустического поля. Разработан метод снижения величины концентрационной поляризации путем дискретного воздействия акустическими колебаниями на процесс ультрафильтрации, применение данного метода позволяет увеличить удельную производительность мембран на 60-80% и осуществлять их регенерацию без применения реагентов непосредственно в процессе эксплуатации.

Диссертация состоит из трех глав.

В первой главе приведен анализ литературных данных, посвященных изучению механизма явления ультразвуковых колебаний, вопросов интенсификации массообменных процессов и регенерации мембран при воздействии на раствор внешнего акустического поля. Рассмотрены вопросы экспериментальных методов исследования массопереноса мембранных процессов, приведены некоторые конструкции мембранных установок с встроенными излучателями.

Показано, что в литературе отсутствуют данные, касающиеся исследований интенсификации массопереноса в процессах мембранного разделения при воздействии внешнего акустического поля.

Сформулированы задачи исследования, заключающиеся в изучении влияния внешнего акустического поля: - на массоотдачу в процессе ультрафильтрации; - на перенос растворителя и растворенного вещества непосредственно через пористую мембрану; - на движущую силу процесса ультрафильтрации.

Во второй главе приведено описание методик исследования, схем и конструкций ультрафильтрационных установок с акустическими излучателями, дана краткая характеристика объектов исследования, а также уравнения для расчета параметров внешнего акустического поля.

В третьей главе представлены результаты экспериментов и их обсуждение. Приведены результаты исследований влияния внешнего акустического поля на массоотдачу в процессе ультрафильтрации. Получены критериальные уравнения акустического воздействия. Приведен анализ влияния внешнего акустического поля на величину концентрационной поляризации и движущую силу процесса ультрафильтрации.

Даны практические рекомендации по применению внешнего акустического поля с целью интенсификации производительности и режимам регенерации мембран непосредственно в процессе их эксплуатации.

Рассмотрены вопросы, касающиеся техники безопасности, при работе с акустическими преобразователями энергии.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика исследования массоотдачи в процессе ультрафильтрации при воздействии на раствор внешнего акустического поля,

2. Показано, что процесс массоотдачи в ультрафильтрации при воздействии акустическими колебаниями описывается критериальным уравнением: ffu' = 0,0022 /Sea. /Р'35 в диапазонах величин безразмерных комплексов: 4380 < 18293 и

426 < Р?*< 34500.

3. На основе критериального уравнения массоотдачи разработана методика расчета производительности мембран в условиях наложение внешнего акустического поля.

4. Разработан метод снижения величины, концентрационной поляризации путем дискретного воздействия акустическими колебаниями на процесс ультрафильтрации. Применение данного метода позволило увеличить производительность аппарата на 60-80 % и осуществлять регенерацию мембран непосредственно в процессе их эксплуатации.

5. Приведены практические рекомендации по вопросам техники безопасности эксплуатации мембранных модулей с акустическими преобразователями энергии. по

1. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. - М., Химия, 1978, 351с.

2. Дытнерский Ю.И. Мембранный способ разделения жидких смесей. М., Химия, 1975, 229с.

3. Хванг С.Г., Камермейер К. Мембранные процессы разделения. Пер. с анш. под ред.проф.Дытнерского Ю.И. М., Химия, 1981, 464с.

4. Chian E.S.IC.,Selldorf J.Т. Ultrafiltration of biologycal materials. Process Biochemistry. 1969.- V.4, N 91, p. 47-51.

5. Галденко В.Я., Ларин В.A., Коноплева B.H. и др. Применение полупроницаемых мембран для концентрирования -глобулина. В кн.: Тез.докл. 2 Всесоюзн.конф. по мембранным методм разделения, Владимир, 1977, с.456-458.

6. Москвичев Б.В., Самсонов Г.В., Роженская Т.Н. и др. Концентрирование биологических активных веществ ультрафильтрационным методом. В кн.: Тез.докл. I Всесойзн.коиф. по мембранным методам разделения. М., Химия, 1973, с.96-98.

7. Wang D.T.C.,Sinsky А.Т.,Conojama Т. Recovery of biologycal materials through ultrafiltration.- Biotechnology and Bioen-ginering.- 1969, V.2, N 5;, P. 987-Ю03.

8. Тарасова Т.А. Разработка метода расчета ультрафильтрации на основе коэффициентов массоотдачи. Канд.дисс., М., 1985, 160с.

9. Ханхунов Ю.М. Влияние гидродинамических факторов на процесс ультрафильтрации. Автореф.дисс.канд.техн.наук, М., 1984, 16с.

10. Лонсдейл X.K. Теория и практика обратного осмоса и ультрафильтрации. В кн.: Технологические процессы с применением мембран. М., Мир., 1976, 131с.

11. Донецкий Н.А., Селин М.М. и др. Ультрафильтрация растворов биологически активных веществ. М., Мед.научно-технической информации, 1978, 56с.

12. Ясминов А.А., Орлов А.К. и др. Обработка воды обратным осмосом и ультрафильтрацией. М., Стройиздат, 1978, 121с.

13. Baker R.W. , Strathman Н. Ultrafiltration of macromolecu-lar solutions with high-flux membranes. Journal Appl. Polymer Science. 1970, V. 14, N3, P. II97-I205.

14. William P. Blatt, A. Dravid, A.S.Michaels and l.Kelsen. Solute polarisation and cake formation in membrane ultrafiltration.-In book: Causes conseguences and control technigues.-N.Y., ELenum Press, Ed. E.Flinn, 1970, p. 140-152.

15. C.J-Van oss, P.M.Bronson. Chracteristies of a protein concentrating anisotropic C.A. membrane. Separation Sience, 1970, V. 5, N I, P. 63-75.

16. Peter Dejmek. Concentration polarisation in UP of macromolecules.- Ph- о Thesis. University of Lund ( Sweden), p. 146.

17. R.P. de Filipi, L. Robert Goldsmith. Application and theory of membrane processes for biologycal and other macro-molecular solutions.- In book: Membrane Seience and Technology. Ed. E.Flinn, Plenum Press, 1970, V.I8, p.105-118

18. A.A.Kosinski, E.M.Lightfoot. Brotein ultrafiltration: A. General Example of Boundary Layer Filtration.- Am.Inst. Chem.Eng. ,197?., V.I8, N.5,p. Ю30-Ю40.

19. Fracis Korosy et la. Membrane fouling and Studies on new electrodialysis membranes. Washington, 1970,

20. Ferry J.D. Ultrafiltration membranes and ultrafiltration.- Ghem. Reviews, 1935, V.I8, N. 3, p.373-455.

21. Орлов H.C. Исследование процесса ультрафильтрации на основе анализа пористой структуры мембран. Автореф. дисс.канд. техн.наук, М., 1979, 16с.

22. Марыошкина Т.А., Яворская Е.С. Метод определения среднего размера пор в мембранных микрофильтрах. В кн.: Тез.докл.

23. Всесоюзн.конф. по мембранным методам разделения, Владимир, 1977, с.136-137.

24. Морголина Н.А. Физико-химические свойства мембран. В кн.: Тез.докл. 2 Всесоюзн.конф. по мембранным методам разделения, Владимир, 1977, с.445-447.

25. U.Merten. Transport propeties of osuotic membranes.-In book: Desalination by reverse osmosis. Ed. U.Merten, Cambridge, Mass., MIT Press., 1966, p.15.

26. И.Мамо, Орлов H.C., Дытнерский Ю.И. Влияние акустических колебаний на процесс ультрафильтрации. В сб. научных трудов. Очистка сточных вод и газовых выбросов физико-химическими методами, Рига, Рижский политехнический институт, 1984, с.64-71.

27. Пат. 2578505, США. Supersonic agitation /B.Carlinзаявил 02.03.1948 J£ I26I7, опубл.1..I2.I95I, НИК-259-I.

28. Пат. 4375991 . Ultrasonic Cleaning Method and appora-tus. / Samuel L. Sachs, Freeman K. Hill.

29. Заявил 12.01.81, № 224212, опубл. 08.03.83, НИК I34/I, 134/18, 134/184.

30. Пат. 2.647846 США. Method and apparatus for washing articles by oupersonic vibration in a flowing liguid. .1. Samuel Bango.заяв. 28.02.1948 В I20I5, отгубл. 04.08.1953.

31. Пат. 3429743 США, Shoch wave treatment method and apparatus./ Norman G. et. la.заяв. 17.II.1966 595II2, опубл. 25.02.1969 НИК I34-I.

32. Пат. 3433-669 США. Ultrasonic treating method and apparatus. / Jaroslav Kouril.заяв. 20.10.1965 JG 498956, опубл. 18.03.1969, НИК I34-I.

33. Пат. 2828231 США. Method and apparatus for ultrasonic cleaning. / Henry G.E.заяв. 31.03.1954 № 420.017, опубл. 25.03.1958 НИК-134-I.

34. Пат. 3291640 США. Ultrasonic Cleaning. / LIuingston Н,заяв. 27.06.1963 № 283.510, опубл. 13.12.1966, НИК I34-I.

35. Пат. 5495183 (Япошш) . Method to anoid the gel formation on the Surface of the ultrafiltration.1. Ivaa Kikay K.K.заяв. 26.07.79 № 562I6I5, опубл. 28.02.81, НИК B0I-03I/00.

36. Пат. 391.022 (США) . Ultrasonic activation of disali-nation membranes. / Walter Huff.заяв.27.12.67 № 693703 НИК 210-19.

37. ПАт. 4253962 США . Коп distructive vibatory cleaning system for reverse osmosis and ultrafiltration membranes.

38. Yohn Thompson. -заяв.12.12.1979 № Ю2589, опубл.03.03.1981 НИК 210/414, 210/433-2.

39. Пат. 3206397 США. Canitation reverse osmosic separation of water from saline solutions.1. Richard F. Harvey.заяв.10.10.1962 № 222-433, опубл.14.10.1965, НИК 210-19.

40. Пат. 97919 ПНР. Sposob permeacyjngo rozdzialu miezanin. / Gra yna Bxa ejewska, Zd isxaw Filipowski, Tadeus Gudra, Tomas Winnicki.заяв.22.12.75 p.I8588I, опубл.31.08.1978, НИК-С02В 1/82.

41. Allen Virginia S., Shippy Frank. Test program for physical clening and fouling prevertion in reverse osmosis and ultrafiltration systems. West Lake Vilage Calif, Report 1978, Ordea AD A055624, NIIS, p. 65.

42. Кардашев Г.А., Михайлов П.Е. Теплообменные акустические процессы и аппараты, М., Машиностроение, 1973, 223с.

43. Новицкий Б.Г. Применение акустические колебаний в химико-технологических процессах, М., Химия, 1983, с.191.

44. Гинетлинг А.А., Барам А.А. Ультразвук в процессах химической технологии, Л., Госхимиздат, I960, 96с.

45. Носов В.А. Ультразвук в химической промышленности, Киев, 1963, 244с.

46. Майер В.В. Простые опыты с ультразвуком. М., Наука, 1978, 160с.

47. Кудрявцев Б.Б. Применение ультра акустических методов в практике физико-химических исследований. М., Госхимиздат, 1952, 324с.

48. Бешицкий А.А., Агранат Б.А. и др. Исследование влияния ультразвука при повышенном статическом давлении на процесс выщелачивания шеелит. В сб.: Ультразвуковые методы интенсификации технологических процессов. МИС, ИС X М., Металлургия, 1970, C.I89-I9I.

49. Буренков Н.А. Интенсификация технологических процессов в пищевой промышленности при помощи низкочастотных колебаний, Киев, Техника, 1969, 266с.

50. Розенберг Л.Д. Применение ультразвука, СССР, 1957,106с.

51. Розенберг Л.Д. Ультразвук и их применение. Стенограмма публичной лекции, М., Знание, 1954, 40с.

52. Розенберг Л.Д. Физическая акустика под ред.У.Мэзона, пер. с англ., М., Мир, 1966, 592с.

53. Wernny* в .м. , Кутепов A.M., Булатов М.А. и др. Массо-обмен в системе жидкость-твердое тело при гармоническом воздействии на жидкость акустическими колебаниями, ТОХТ, М., 1980,т.14, J& 5, 764-767.

54. Кортнев А.В., Макарова Т.В. Воздействие ультразвуковых колебаний на диффузионные процессы в жидкости. В сб.: Акустика и ультразвук, вып.1, Киев, Техника, 1965, 764-767с.

55. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Пер. с нем. под ред.В.С.Григорьева и Л.Д.Розенберга, изд.иностранной литературы, М., 1956, 756с.

56. Дд.В.Стретт (Лорд Рэлей) Теория звука. Пер. с англ. под ред.С.М.Рытова, М., Гос.изд-во технико-теоретической литературы. , М., 1955, 680с.

57. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д.Розенбергв. М.,. Наука, 1970, 688с.

58. Фридман В.М. Ультразвуковая химическая аппаратура. М., Машиностроение, 1967, 211с.

59. Фридман В.М., Котлярский Л.Б., Новицкий Б.Г. Ультразвуковая химико-шехнологическая аппаратура. М., 1964,

60. Сатников Ю.Г. Исследование акустических течений. Дисс. канд. физ.-мат. наук, М., 1967, 175с.

61. Бебчик А.С. Исследование кавитационного разрушения твердых тел поверхностных полей применительно к процессу ультразвуковой очистки. Дисс.канд.техн.наук, М., I960, 156с.

62. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М., Машиностроение, 1971.

63. Экнадиосянц O.K. Змзические основы ультразвуковой технологии. М., наука, 1970, 337-392с.

64. Борисов Ю.Я., Макаров Л.О. Ультразвук в технике настоящего и будущего. М., изд. АН СССР, I960.

65. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний для интенсификации процессов химической технологии. М., Машиностроение, 1978, с.56.

66. A*Eller, H.G.Plinn. YASA, 1967, V.37, N. 3, Р.493-503.

67. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты в химической технологии. М., Химия, 1973, 760с.

68. Основы физической химии. Под ред.докт.хим.наук, проф. К.С.Краснова, М., Высшая школа, 1970, 687с.

69. Кинетика электродных процессов. В сб.: Лабораторные работы по теоретической электрохимии.'Под ред.С.С.Крутликова, М.М.Ярлыкова. М., МХТИ, 1977, 80с.

70. Куртина Н.Н. Влияние потока электролита на кинетику электродных реакций, осложненных химической стадией. Дисс. канд.техн.наук, Москва, 1970, 145с.

71. Бундель А.А., Киселева Е.В. Диффузионные дроцессы.

72. В сб. Змзико-химические основы теории технологических процессов спектровакуумной промышленности. Часть П. М., МХТИ, 1974, П5с.I

73. Атанасянц А.Г. Кинетика гетерогенных цроцессов. Под ред.проф,С.В.Горбачева, М., МХТИ, 1974, 54с.

74. Krishna and Tagannadha Royu. Ionic mass transferin agitateg vessels:part I-studies on design variables of stirrech tank. Ind.3T.of Technology, 1965,V.3,p.263-267.

75. Krishna et al. Mass Transfer at electrolis in perforated plates. Ind. J. of Technology, 1967,V-5,p.I7I-I73.

76. Jagannadha Raju and Venkata Rao. Ionic mass transfer in presence og fludised solids. Ind.Yournal of Technology, 1965, V. 3, P. 201-205.

77. Rama Raju et al. Effect of pulsation on mass transfer coefficients. Ind.Y. of Techn. , 1967,V. 5, p.305-309.

78. Sudhakay et al. Mass transfer at electrodes on avib-rating sphere. Ind. Y. of Tech., 1979, V. 17, p.253-255.

79. Математическая биология и медицина. Под ред. Чернав-ского, т.1, 1978.

80. Чернавский, Хургин. Об упругих деформациях белка-фермента- Молекулярная биология, т.1, вып.З, 1967, с.419-432.77# Frohlich. Physical leners, 1975,v.21, p.519.78."Успехи физических наук" ПО, 452. 1973.

81. Пасынский А.Г., "Курс биофизики"., конспект лекций, МГУ, Неопубликованные данные 1982 .

82. Белки и их специфические свойства. "Труды совещания по проблеме бежа". Изд. АН УССР. Киев. 1955, с. 144.

83. Белки. Под ред. Нейрата Г. и Бейсли К. т. 2, ил. М.,-1956 .

84. Бурдо Т.Д., Динамика изменения биологической активности кори и глубоких структур мозга при действии электрического тока. Автореф. дис. на соискание канд. биол.наук. Л.: 1972.- 17с.

85. Aller Freg Harold and Diamond Louis Klfein. Erythroblastosis fetals. Yneluding exehange transfusion technic» Boston Toronto, 1958, p. 143.

86. Ультразвук и его влияние на организм работающих. Под ред. канд.мед.наук Н.Н.Ганчарова.- Киев, Госмедиздат. УССР: -1963. 13 с.

87. Harvey Bryan and Harray Robert. Industrial Health Technology. London. Butter- Worth, 1958, p. 337.

88. Справочник химика. Второе издание. М.: т.З. издательство "Химия", 1964. 1005 с.-Н9

89. К определению показателя степени Прандтля при изменении температур (Т °К) для электрохимической реакции 0,01 г-экв/л ферро-феррицианида калия в избыточном = 86 об/мин

90. К определению показателя степени и постоянной в уравнении при различной вязкости раствора ферро-феррици анида калия