Журнал «Агропромышленные технологии Центральной России»

Выпуск №3 (29) (2023)

УДК 66.067
DOI 10.24888/2541-7835-2023-29-99-115

РАЗВИТИЕ МЕМБРАННОЙ ТЕХНИКИ, РЕАЛИЗУЮЩЕЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКУЮ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ НА МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЕ «МЕМБРАНА - ИСХОДНЫЙ РАСТВОР»

Автор(ы): Ключников Андрей Иванович

Концентрационная поляризация в мембранных процессах разделения и концентрирования рассматривается как неизбежное отрицательное явление, приводящее к снижению удельной пропускной способности мембран вплоть до полной их остановки под воздействием слоя высокой концентрации на межфазной границе «мембрана - исходный раствор». Большое многообразие способов снижения концентрационной поляризации на поверхности мембраны зависит от решающих факторов, обуславливающих вид мембранного процесса, природу обрабатываемой технологической жидкости, организацию гидродинамических условий на межфазной границе, величину поверхностных сил, удерживающих слой высокой концентрации на мембране и т.д. По своей сути, универсальных способов снижения явления концентрационной поляризации на межфазной границе просто не существует, прежде всего, по причине сложности явлений и процессов, происходящих и взаимодействующих друг с другом в примембранной области. Специфика и многокомпонентность состава большинства обрабатываемых с помощью мембран технологических жидкостей диктует свои условия по обеспечению стабильной удельной пропускной способности, отличающиеся воздействием на примембранный слой и, в частности, гидродинамическую структуру потока. В настоящей работе рассматривается научная концепция по созданию мембранной техники с низким уровнем концентрационной поляризации за счет использования различных технических средств, размещаемых в трубчатом мембранном канале и работающих по определенному алгоритму с целью создания контролируемой гидродинамической неустойчивости на межфазной границе «мембрана - исходный раствор».

Ключевые слова
мембрана; межфазная граница; концентрационная поляризация; поверхностные силы; примембранная область; гидродинамическая неустойчивость

DEVELOPMENT OF MEMBRANE TECHNOLOGY REALIZING HYDRODYNAMIC INSTABILITY AT THE INTERFACE «MEMBRANE - INITIAL SOLUTION»

Author: Klyuchnikov Andrey I.

Concentration polarization in membrane processes of separation and concentration is considered as an inevitable negative phenomenon, leading to a decrease in the specific throughput of membranes up to their complete stop under the influence of a high-concentration layer at the “membrane-initial solution” interface. A wide variety of ways to reduce the concentration polarization on the membrane surface depends on the decisive factors that determine the type of membrane process, the nature of the processed process fluid, the organization of hydrodynamic conditions at the interface, the magnitude of the surface forces that hold the high-concentration layer on the membrane, etc. In essence, there are simply no universal ways to reduce the phenomenon of concentration polarization at the interface, primarily due to the complexity of the phenomena and processes occurring and interacting with each other in the near-membrane region. The specificity and multicomponent nature of the composition of most process fluids processed using membranes dictate their own conditions for ensuring a stable specific throughput, which differ in their effect on the near-membrane layer and, in particular, the hydrodynamic structure of the flow. In this paper, we consider a scientific concept for the creation of membrane technology with a low level of concentration polarization through the use of various technical means placed in a tubular membrane channel and working according to a certain algorithm in order to create a controlled hydrodynamic instability at the “membrane - initial solution” interface.

Key words:
membrane; interface; concentration polarization; surface forces; near-membrane region; hydrodynamic instability

Список литературы

Антипов С.Т., Ключников А.И. Интенсификация процессов переработки жидких пищевых сред мембранными методами: монография; Воронеж. гос. ун-т инж. Технол. Воронеж: ВГУИТ, 2017. 304 с.
Гидродинамика течения жидких сред в фильтрующих каналах со сложной формой проницаемой границы / С.А. Светлов, Ф.Ф. Спиридонов, Т.М. Тушкина, О.Р. Светлова // Ползуновский вестник. 2002. № 10. С. 89-94.
Гончарук С.Ю., Самборук А.Р. Разработка безвакуумной технологии синтеза пористых металлокерамических фильтров // Современные материалы, техника и технологии, №4 (26). 2019. С. 22-26.
Горбунова Ю.А., Тимкин В.А. Гидродинамика процессов микро- и ультрафильтрационного разделения молока и творожного калье // Аграрный вестник Урала. 2016. № 06 (148). С. 70-75.
Гурьянов Д.А., Воронова Г.А. Получение керамических пористых мембран на основе оксида алюминия // Вестник Томского государственного университета. Химия. 2020. № 20. С. 6-19.
Жилин Ю.Н. Влияние скорости потока на разделение раствора NaCl в обратноосмотическом рулонном элементе // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. 2015. №6. C. 126-131.
Исследование процессов гидродинамической очистки артезианских вод / А.Ю. Курбатов, Е.Н. Кузин, Ю.М. Аверина, М.А. Ветрова, А.В. Ситников // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2021. № 2 С. 118-133.
Кудряшов В.Л., Кислов А.С., Преснякова О.П. Комплексная линия переработки вторичного сырья пивзаводов на основе мембранных процессов // Пиво и напитки №2. 2008. С. 22-25.
Кулагин В.А., Ивченко О.А., Кулагина Л.В. Актуальные тенденции развития мембранных технологий // Журнал СФУ. Техника и технологии. 2017. № 1. С. 24-35.
Моделирование мембранных установок непрерывного действия, укомплектованных аппаратами с отводом диффузионного слоя / Б.А. Лобасенко, В.Н. Иванец, Е.К. Сазонова, А.Е. Стефанкин, Р.В. Котляров // Техника и технология пищевых производств. 2016. Т. 42. № 3. С. 112-117.
Лысыч М.Н., Шабанов М.Л., Качурин А.А. Обзор современных технологий 3D-печати // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 6. С. 26 - 30.
Мысак А.П., Корж К.О., Ишмухаметова Р.И. Теоретическое исследование формы турбулизатора на эффективность систем обессоливания воды // Форум молодых ученых. 2019. №6 (34). С. 818-823.
Очистка водных потоков в мембранном аппарате пульсационного типа / А.М. Азимов, Р.Ш. Абиев, Б.С. Шакиров, К.Т. Жантасов // Известия СПбГТИ(ТУ). 2014. № 23. С. 62-65.
Пат. № 2174432 РФ МПК7 B01 D63/06. Мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой / Кретов И.Т., Шахов С.В., Ключников А.И., Ряжских В.И.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. № 2000130308/12, заявл. 04.12.2000; опубл. 10.10.2001; Бюл. № 28.
Пат. № 2238794 РФ МПК7 B01 D63/06 Мембранный аппарат с импульсным режимом фильтрации / Кретов И.Т., Востриков С.В., Ключников А.И., Ключникова Д.В.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. № 2004113915/15, заявл. 05.05.2004; опубл. 27.05.2005; Бюл. № 15.
Пат. № 2251446 РФ МПК7 B01D63/06 Мембранный аппарат для фильтрации вязких жидкостей / Кретов И.Т., Востриков С.В., Ключников А.И., Ключникова Д.В.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. № 2004106068/15, заявл. 01.03.2004; опубл. 10.05.2005; Бюл. № 13.
Пат. № 2252815 РФ МПК7 B01 D63/06 Мембранный аппарат со струйными потоками / Кретов И.Т., Востриков С.В., Ключников А.И., Ключникова Д.В.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. № 2004113915/15, заявл. 05.05.2004; опубл. 27.05.2005; Бюл. № 15.
Пат. № 2269373 РФ МПК B01 D63/06 (2006.01) Мембранный аппарат с тороидальными турбулизаторами / Кретов И.Т., Ключников А.И.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. ун-т инж. технол. №2004120588/15, заявл. 05.07.2004; опубл. 10.02.2006; Бюл. № 4.
Пат. № 2280496 РФ МПК B01 D63/06 (2006.01) Мембранный аппарат с переменным сечением потока / Кретов И.Т., Ключников А.И., Ключникова Д.В.; Воронеж. гос. технол. акад. № 2005101157/15, заявл. 19.01.2005; опубл. 27.07.2006; Бюл. № 21.
Пат. № 2680459 РФ Мембранный аппарат с турбулизатором двойного действия / Ключников А.И., Шахов С.В., Ключникова Д.В., Корышева Н.Н., Самохин С.А.; заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. ун-т инж. технол. № 2018111226, заявл. 29.03.2018; опубл. 21.02.2019; Бюл. № 6.
Перспективность использования аддитивных методов в технологии производства керамических материалов / А.Н. Рогова, М.С. Чувикина, А.В. Беляков, М.А. Вартанян, Е.А. // Успехи в химии и химической технологии. Т. XXXIV. 2020. № 5. С. 83-85.
Повышение проницаемости мембран при разделении жидких высокомолекулярных полидисперсных систем / С.П. Бабенышев, С.А. Емельянов, В.Е. Жидков, Д.С. Мамай, Н.А. Шапаков // Вестник АПК Ставрополья. 2014. № 4(16). С. 12-16.
Совершенствование технологии переработки молочного сырья с использованием мембранных аппаратов нового типа / Б.А. Лобасенко, Р.В. Котляров, Е.К. Сазонова, Е.А. Вагайцева, А.В. Скоморохов // Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 4. С. 587-593.
Технология получения керамических изделий сложной формы из ZrO2 посредством DLP 3D-печати / С.В. Смирнов, К.В. Малютин, П.В. Проценко, Т.О. Оболкина, М.А. Антонова, О.А. Гольдберг, Г.П. Кочанов, Д.Р. Хайрутдинова, С.М. Баринов // Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. Вып. 5. 2021. Т. 11. № 2. С. 239-242.
Трусов Л.И. Новые мембраны «Trumem®» и «Rusmem®», основанные на гибкой керамике // Крит. Технологии. Мембраны. 2001. № 9. С. 20-27.
Усынина А.Е., Бородина Л.В. Новый подход к изучению процесса ультрафильтрации с турбулентными пульсациями и переменным давлением // Вестник РУДН. 2015. № 4. С. 50-58.
Фарносова Е.Н., Степаненко А.В., Степаненко Е.В. Получение керамических мембран золь-гель методом // Успехи в химии и химической технологии. Т. XXXIV. 2020. № 6. С. 41-43.
Effect of spacer and crossflow velocity on the critical flux of bidisperse suspensions in microfiltration H.J. Tanudjaja, W. Pee, A.G. Fane, J.W. Chew // Journal of Membrane Science. Vol. 513. 1 September 2016. P. 101-107.
Beer microfiltration under conditions of hydrodynamic instability at the «membrane-product» interface / Klyuchnikov A.I., Ovsyannikov V.Yu., Lobacheva N.N., Toroptsev V.V., Klyuchnikova D.V. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall. Krasnoyarsk, Russian Federation. 2021. Pp. 22-28.
Chen Z., Li Z., Li J., Liu C., Liu C., Li Y., Wang P., Yi H., Lao C., Yuelong F. 3D printing of ceramics: A review // Journal of the European Ceramic Society. Vol. 39. Issue 4. April 2019. Pp. 661-687.