The Estimation of Feed Solution Composition Influence on Concentration Polarization Layer Resistance during Reverse Osmosis

Abstract

У роботі експериментально визначено опір шару концентраційної поляризації при зворотноосмотичному розділенні розбавлених розчинів мінеральних солей з метою оцінювання впливу складу розчину на величину зазначеного опору. Як модельне середовище обрано розчини хлориду натрію, сульфату магнію та нітрату натрію з концентраціями 100 та 200 мг/дм3, а також знесолена вода для визначення опору мембрани. Робочий тиск варіювався у межах 0,2–0,6 МПа. Дослідження проводилися за температур оточуючого середовища 13–17 °С. За таких умов опір мембрани залишався постійним, а його середнє значення становило 0,534·1014 м –1, тобто ущільнення мембрани не спостерігалось. Окрім того, в умовах проведення експериментальних досліджень підтверджується гіпотеза лінійної залежності опору шару концентраційної поляризації від тиску не лише для хлориду натрію, але й для всіх досліджуваних солей. Також встановлено, що значення опору шару концентраційної поляризації для різних солей відрізнялося не більше, ніж на 10 %. Проте, за умов проведення досліджень значення коефіцієнту дифузії для розчину сульфату магнію більше, ніж утричі перевищували відповідні значення для інших солей. Зростання концентрації розчину обумовлює відповідне збільшення опору шару концентраційної поляризації. У той же час, у попередніх дослідженнях було встановлено, що зміна гідродинамічного режиму в мембранному модулі за аналогічних умов може обумовити зміну опору шару концентраційної поляризації у 3–5 разів. Більше того, в обох дослідженнях тенденції впливу гідродинамічних характеристик залишаються однаковими. Зокрема, значення досліджуваного опору зменшується зі збільшенням критерію Рейнольдса. Такі результати свідчать, що в розглядуваному діапазоні концентрацій гідродинамічні умови чинять більший вплив на величину опору шару концентраційної поляризації, ніж склад розчину, що розділюється. Результати досліджень узгоджуються з плівковою теорією концентраційної поляризації. Проте, отримати залежність опору шару концентраційної поляризації від критерію Шмідта не вдалось.

The experimental determination of concentration polarization layer resistance during reverse osmosis of mineral salts solutions was carried out with the aim to estimate the influence of solution composition on the value of mentioned resistance. In experimental conditions, the membrane resistance remains constant (the mean value was 0.534·1014 m-1 ) which means that the membrane compaction was not observed. Moreover, under experimental conditions, the hypothesis about linear dependence between the concentration polarization layer and applied pressure was confirmed for all solutions under investigations. It was defined that value of concentration polarization layer resistance different salt solutions was varied less than 10 % although under experimental conditions the diffusion coefficient values of magnesium sulfate were more than three times higher than corresponded values for other salts. The increasing of solutions concertation determines the increasing of concentration polarization layer resistance. At the same time, in previous study it was defined that changes in hydrodynamic regime in membrane module under similar conditions could determine the change in concentration polarization layer resistance in 3–5 times, while in both studies the trends of impact of hydrodynamic conditions still similar to the value of considered resistance decrease with Reynolds number increasing. Such results showed that in considered range of concentrations the hydrodynamic conditions have a lower influence on concentration polarization layer resistance than solution composition. The obtained results are in agreement with the film theory of concentration polarization.