Лабораторная мембранная установка с поперечным потоком

Тупиковая фильтрация останавливается, когда её останавливает кек. Фильтрация с поперечным потоком держит питание движущимся вдоль поверхности мембраны, а не в неё, поэтому сдвиг уносит накапливающееся твёрдое и поток держится на уровне, который кек никогда бы не позволил. Именно это единственное изменение и делает мембранную фильтрацию пригодной для технологического раствора с процентным содержанием взвеси, а не только для полирующего потока.

Поток задаётся давлением — до определённого момента

На первом участке кривой удвоение трансмембранного давления удваивает поток: это зона, контролируемая сопротивлением мембраны. Затем кривая выполаживается, и эта точка — предельный поток, где слой поляризации становится настолько плотным, что дополнительное давление уже не проталкивает воду. Работа выше излома — это расход энергии на сжатие кека, а не на фильтрацию.

Поднимать предельный поток надо не давлением, а скоростью поперечного потока, которая сносит слой. Поэтому установка даёт 1–4 м/с, и поэтому реальный рычаг — расход рециркуляции: давление подбирают так, чтобы работать чуть ниже излома, а не выше.

Выбор отсечки

Отсечку выбирают по тому, что нужно удержать, а не по тому, что нужно пропустить. Для осветления раствора с коллоидами и мелким гипсом достаточно микрофильтрации 0,14–1,4 мкм; для отделения белков или полисахаридов — ультрафильтрации 1–300 кДа; для удаления ионов нужна нанофильтрация или обратный осмос, которые вне области этой установки.

Материал значит не меньше отсечки. Керамика трубчатая держит pH 0–14 и до 95 °C и чистится щёлочью и кислотой в горячем виде без повреждений; полимерная при pH 2–12 и 60 °C дешевле на квадратный метр и позволяет более плотные отсечки, но режим её чистки мягче. Вопрос, который почти всегда решает, — режим чистки, а не размер пор.

Чистка — часть проекта, а не добавка

Мембрана загрязняется не только кеком: она загрязняется адсорбцией — органика, железо, кремнезём — и блокировкой пор тонкими коллоидами. Каждое снимается своим реагентом, поэтому протокол чистки надо определить до покупки, а не после: щёлочь по органике, кислота по неорганике, и последовательность, в которой одно не нейтрализует другое.

Диагностический тест — сравнивать поток по чистой воде после каждой чистки. Если поток по воде не возвращается к исходному, загрязнение внутреннее и чистка до него не достаёт; если возвращается, а поток по раствору нет — проблема в поляризации, и надо поднимать скорость.

Что измерять

• Поток по чистой воде в начале и после каждой чистки: это базовая линия состояния мембраны.
• Поток по раствору при трёх давлениях, чтобы найти излом и не работать выше него.
• Достигнутый фактор концентрирования и качество пермеата при этом факторе, а не только в начале.
• Извлечение растворённого в пермеат — именно это решает, ступень это осветления или разделения.
• Расход чистящего реагента на кубометр фильтрата: на грязной службе он может превысить энергетическую статью.
• Перепад давления на модуле, который предупреждает о закупорке каналов раньше потери потока.

Практический предел концентрирования — фактор 5–20 в зависимости от потока. Дальше поток падает, и правильная ступень — выпаривание или кристаллизация: работа мембраны — уменьшить объём, который придётся выпаривать, а не заменить выпарку.