3.3.8. Основы расчета мембранного разделения

Разделение с помощью мембран - результат конкурирующих взаимодействий компонентов смеси с поверхностью перегородки.

При разделения смеси селективно проницаемой мембраной имеется три взаимозависимых потока (рис. 3.10): подходящий к мембране J₀, проходящий через мембрану и отходящего от мембраны J’.

Рис. 3.10. Принципиальная схема мембранного разделения смесей.

Отношение величины транзитого потока J^’ к величине подходящего потока J₀ есть конверсия, выражаемая в процентах.

Удельная производительность (проницаемость) — количество вещества, проходящего под действием перепада давления Δр через единицу поверхно­сти мембраны F единичной толщины δ в единицу времени t:

,

3. 19.

где V - количество смеси, прошедшей за время t через мембрану, и определяемое по уравнению V² + 2VC = Kt, в котором С и К-эмпирические константы, F- площадь поверхности перегородки.

Разделяющую способность мембран характеризует селективность R:

3.20

где С₁ - концентрация задерживаемого вещества в потоке J₀; С₂ - концентрация этого же вещества в потоке .

Чем ближе R к 1, тем выше способность мембраны выделять компонент (табл. 3.11).

Таблица 3.11.

Характеристики мембран для ультрафильтрации

Тип мембраны	Средний диаметр пор, нм	Проницаемость по чистой воде A, кг/(м2∙с∙МПа)	dмоль/dпор	Селективность R
УАМ-30	3	0,0015	1,25-2,26	0,999-0,999
УАМ-50	5	0,0033	0,76-1,36	0,998-0,999
УАМ-100	10	0,017	0,38-0,68	0,9-0,999
УАМ-150	15	0,037	0,25-0,45	0,7-0,999
УАМ-200	20	0,075	0,19-0,34	0,25-0,999

Для нескольких компонентов эффективность разделения оценивает коэффициент разделения:

3.21

где С_А,1, С_В,1 и С_A,2, С_В,2 - концентрации компонентов А и В в начальной смеси и пермеате;

Коэффициент очистки (К_оч) - величина, равная отношению концентрации радиоактивных веществ на входе в установку к концентрации радиоактивных веществ на выходе:

3.22.

Коэффициент отталкивания β

3.23.

 Разделяющую способность газоразделительных мембран характери­зуют величиной фактора разделения F, представляющего собой отношение проходящих через мембрану потоков двух компонентов разделяемой системы:

3.24.

Все процессы в системах протекают при условии уменьшения энергии Гиббса :

3.25.

Переходя от системы к молекуле можно утверждать что, процессы в системах будут протекать при условии уменьшения химического потен­циала .

Движущей силой переноса веществ через мембрану в общем случае является разность химических потен­циалов . При этом поток вещества, проходящего через мембрану, можно выразить уравнением:

3.26

где К — коэффициент, учитывающий химическую природу мате­риала мембраны, ее структуру, геометрические характеристики и взаимодействие мембраны с разделяемой системой.

Мембранные методы позволяют получать высокие коэффициенты очистки ЖРО от ионных форм радионуклидов, поверхностно-активных веществ (ПАВ), моющих, неорганических веществ или масел. [44].

Установка для очистки низкоактивных жидких отходов спецпрачечных позволяет вернуть в производство значительную часть ПАВ и неорганических веществ при минимальном объеме отходов (рис. 3. 11).

Рис. 3.11. Схема установка для переработки жидких радиоактивных отходов. 1, 8– приемная емкость, 2– модуль ультрафильтрации, 3– дополнительный модуль ультрафильтрации с интенсивным перемешиванием, 4, 5– насосы, 6, 7– регулирующий вентиль, 9 – патрубок ввода сбросного раствора, 10– патрубок вывода очищенного пермеата, 11– патрубок вывода концентрата, 12,13,17,18– трубопроводы, 14, 15,16– патрубки.

ЖРО поступают в емкость 1, куда дозируют реагенты-комплексообразователи и насосом 4 подаются в модуль ультрафильтрации 2. Пермеат модуля представляет собой смесь чистых ПАВ и введенных неорганических веществ, которые направляются на повторное использование. Концентрат содержит образовавшиеся мицеллы скоагулировавшихся ПАВ и комплексообразователей с радионуклидами. По трубопроводу 12 из модуля 2 через вентиль 6 концентрат возвращается в емкость. Часть концентрата насосом 5 подают на дополнительный модуль ультрафильтрации 3, который служит для увеличения содержания ПАВ и радионуклидов в концентрате.

Модуль 3, с производительностью меньшей, чем модуль 2, но более интенсивным режимом перемешивания, повышает степень концентрирования всех загрязнений. Концентрат выводится из системы для дальнейшей обработки через трубопровод с вентилем 7. Пермеат этого модуля поступает в приемную емкостью 1.

Модуль 2, производительностью 3 м³/ч и с конверсией 85%, реализован на полых волокнах фирмы «Hydranautics» с размером пор 20-50 нм, а в модуле 3, производительностью по концентрату 30 - 50 л/ч, применены мембраны типа «Трумем» с размерами пор 0,1 мкм и увеличенным межмембранным расстоянием.

Процессы ультрафильтрации характеризуют гидравлическим коэффициентом полезного действия η_уф, определяемым как отношение количества фильтрата (Q_ф∙t_ф) за время фильтрования t_ф за исключением количества фильтрата, затраченного на обратную промывку, к суммарному количеству поданного на установку раствора, с учетом сбросов на прямую промывку:

3.27