DOI: https://doi.org/10.30838/J.BPSACEA.2312.280519.47.435

Математичне моделювання процесів масопереносу для ультрафільтрації води

M. P. Nechytailo, O. K. Nahorna, O. V. Nesterova, V. V. Sharkov

Анотація


Постановка проблеми. Забрудненість поверхневих джерел водопостачання органічними речовинами викликає необхідність пошуку нових технологій і рішень у сфері очищення води. Для очищення води з прісних джерел водопостачання, забруднених органічними речовинами, найбільша перевага віддається ультрафільтрації. Ультрафільтрація надійно знижує концентрацію органічних забруднень і перешкоджає проникненню мікробіологічних забруднень в очищену воду на фізичному рівні. Одне із головних питань, що виникають під час вибору апаратів, ‑ визначення активної площі мембрани для забезпечення необхідної кількості очищеної води. Цей параметр вибирається з умови забруднення поверхні мембрани і зміни її проникності. Мета статті ‑ наукове обгрунтування і розроблення математичної моделі брудоємності половолоконного модуля для прогнозування процесів очищення природних вод. Результати. Наведено дослідження щодо відбивної здатності та брудоємкості половолоконних мембранних модулів. У процесі дослідження запропоновано математичну модель, що дозволяє здійснювати розрахунок експлуатаційних характеристик мембранних апаратів. Наукова новизна. Дано наукове обгрунтування і розроблено математичну модель брудоємності половолоконного ультрафільтраційного модуля для прогнозування процесів очищення природних вод. За допомогою моделі можна визначити тривалість фільтроциклу, а відповідно розраховувати собівартість 1 м3 очищеної води. Практична значимість. Результати проведених досліджень можуть бути покладені в основу прикладної програми для проведення розрахунків під час проектування та експлуатації споруд для підготовки води різної якості.


Ключові слова


ультрафільтрація; очищення природних вод; брудоємність мембрани; математичне моделювання

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


Futselaar H., Schonewille H. and van Dalfsen H. Ultrafiltration technology for potable, process and waste water treatment. Lecture presented at the conference PERMEA,Tatranské Matliare,Slovakia, 2003, September 7–11.

Van Den Berg G. B. and Smolders C. A. Flux Decline in Ultrafiltration Processes. Desalination, 1990, vol. 77,

pp. 101–133.

Belyaev N.N. and Nechitaylo N.P. Chislennoe modelirovanie zakuporivaniya poryi membranyi pri ultrafiltratsii. [Numerical simulation of membrane pore clogging with ultrafiltration]. Problemyi i perspektivyi razvitiya zheleznodorozhnogo transporta : 73 mezhd. nauk.-prakt. konf., 23.05-24.05.2013 g.: [Problems and prospects of development of railway transport : materials 73 between. science.-practical. conf. 23.05-24.05.2013].Dnepropetrovsk, 2013, pp. 220–221. (in Russian).

Agbangla G.C., Climent É. and Bacchin P. Experimental investigation of pore clogging by microparticles: Evidence for a critical flux density of particle yielding arches and deposits. Separation and Purification Technology, 2012,

November, vol. 101, pp. 42–48.

Polyakov Yu.S. Neravnomernoe osazhdenie chastits na vneshney i vnutrenney poverhnosti polupronitsaemoy membranyi: diss. dok. fiz-mat. nauk: 05.17.08 [Uneven deposition of particles on the outer and inner surface of the semipermeable membrane: dis. doc physical mat Sciences: 05.17.08].Moscow, 2007, 206 p. (in Russin).

Polyakov Yu.S. Neravnomernoe osazhdenie chastits vnutri por polupronitsaemoy membrany. Teoreticheskie osnovyi himicheskoy tehnologii [Uneven sedimentation of particles inside the pores of a semipermeable membrane. Theoretical foundations of chemical technology]. 2008, iss. 42, vol. 1, pp. 80–87. (in Russian).

Polyakov Yu.S. Otsenka vliyaniya ekspluatatsionnyih parametrov i membrannyih harakteristik na dinamiku pronitsaemosti i selektivnosti ultra- i mikrofiltratsionnyih membran s pomoschyu ob'emno-filtratsionnoy modeli [Evaluation of the influence of operational parameters and membrane characteristics on the dynamics of permeability and selectivity of ultra- and microfiltration membranes using a volume filtration model]. Teoreticheskie osnovyi himicheskoy tehnologii [Theoretical foundations of chemical technology]. 2009, iss. 43, vol. 6, pp. 685–694. (in Russian).

Bowen W.R. and Jenner F. Theoretical descriptions of membrane filtration of colloids and fine particles: an assessment and review. Advances in Colloid and Interface Science. 1995, vol. 56, pp. 141–200.

Nechitaylo N.P. Teoreticheskoe obosnovanie primeneniya dinamicheskih ultrafiltratsionnyih membrann dlya tseley obrabotki vod iz poverhnostnyih istochnikov vodosnabzheniya. [Theoretical substantiation of the use of dynamic ultrafiltration membranes for the treatment of water from surface water sources]. Stroitelstvo, materialovedenie, mashinostroenie [Construction, materials science, engineering]. Dnepropetrovsk, 2014. vol. 76, pp. 192–196.

(in Russin).

Delgado S., Diaz F., Vera L., Diaz R. and Elmaleh S. Modelling hollow-fibre ltrafiltration of biologically treated wastewater with and without gas sparging. Journal of Membrane Science. 2004, iss. 228, vol. 1, pp. 55–63.

Song L. Flux decline in crossflow microfiltration and ultrafiltration: mechanisms and modeling of membrane fouling. Journal of Membrane Science. 1998, vol. 139, pp. 183–200.

Sreedhar N., Thomas N., Al-Ketan O., Rowshan R. and Arafat H.A. Mass transfer analysis of ultrafiltration using spacers based on triply periodic minimal surfaces: Effects of spacer design, directionality and voidage. Journal of Membrane Science. September, 2018, vol. 561, pp. 89–98.

Sousa M.R.S., Lora-Garcia J. and López-Pérez M.-F. Modelling approach to an ultrafiltration process for the removal of dissolved and colloidal substances from treated wastewater for reuse in recycled paper manufacturing. Journal of Water Process Engineering. 21 February, 2018, vol. 21, pp. 96–106.

Díaz V.H.G., Prado-Rubio O.A., Willis M.J. and Stosch M. Dynamic hybrid model for ultrafiltration membrane processes. Computer Aided Chemical Engineering. 2017, vol. 40, pp. 193–198.

Kirschner A.Y., Cheng Y.H., Paul D.R., Field R.W. and Freeman B.D. Fouling mechanisms in constant flux crossflow ultrafiltration. Journal of Membrane Science. 15 March, 2019, vol. 574, pp. 65–75.

Semenov A.G. and Lobasenko B.A. Matematicheskoe opisanie protsessa ultrafiltratsii s uchetom geleobrazovaniya na poverhnosti membranyi. [Mathematical description of the ultrafiltration process with regard to gelation on the membrane surface]. Hranenie i pererabotka selhozsyirya [Storage and processing of agricultural raw materials]. 2001, vol. 8, pp. 15–17. (in Russian).

Semenov A.G., Zaharov Yu.N. and Lobasenko R.B. Chislennyiy analiz modeli protsessa geleobrazovaniya pri ultrafiltratsii na ploskoy membrane [ Numerical analysis of the model of the process of gelation during ultrafiltration on a flat membrane]. Tehnologiya i tehnika pischevyih proizvodstv [Technology and technology of food production].Kemerovo, 2003, pp. 164–167. (in Russian).

Zgurovskiy M.Z., Skopetskiy V.V., Hrusch V.K. and Belyaev N.N. Chislennoe modelirovanie rasprostraneniya zagryazneniya v okruzhayuschey srede [Numerical simulation of the spread of pollution in the environment]. Kyiv : Naukova Dumka, 1997, 368 p. (in Russian).


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Futselaar H. Ultrafiltration technology for potable, process and waste water treatment / H. Futselaar, H. Schonewille and van H. Dalfsen // Lecture presented at the conference PERMEA 2003. −Tatranské Matliare,Slovakia. – September 7–11, 2003. – Pp. 15–20.
  2. Van Den Berg G.B. Flux Decline in Ultrafiltration Processes / G.B. Van Den Berg, C. A. Smolders // Desalination. – 1990. – Vol. 77. – Pp. 101–133.
  3. Беляев Н. Н. Численное моделирование закупоривания поры мембраны при ультрафильтрации. /
    Н. Н. Беляев, Н. П. Нечитайло // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта : матер. 73 межд. наук.-практ. конф. (Днепропетровск, 23–24 мая2013 г.). – Днепропетровск, 2013. – С. 220–221.
  4. Нечитайло Н. П. Теоретическое обоснование применения динамических ультрафильтрационных мембран для целей обработки вод из поверхностных источников водоснабжения / Н. П. Нечитайло // Строительство, материаловедение, машиностроение. – 2014. – Вып. 76. – С. 192 – 196.
  5. Agbangla G. C. Experimental investigation of pore clogging by microparticles: Evidence for a critical flux density of particle yielding arches and deposits / G. C. Agbangla, É. Climent, P. Bacchin // Separation and Purification Technology. – 13 November, 2012. – Vol. 101. – Pp. 42–48.
  6. Неравномерное осаждение частиц на внешней и внутренней поверхности полупроницаемой мембраны : дис. док. физ-мат. наук : 05.17.08 / Поляков Ю. С. – Моск. гос. унив. инж. экологии. – Москва, 2007. – 206 с.
  7. Поляков Ю. С. Неравномерное осаждение частиц внутри пор полупроницаемой мембраны / Ю. С. Поляков // Теоретические основы химической технологии. – 2008. – Том 42, № 1. – С. 80–87.
  8. Поляков Ю. С. Оценка влияния эксплуатационных параметров и мембранных характеристик на динамику проницаемости и селективности ультра- и микрофильтрационных мембран с помощью объемно-фильтрационной модели / Ю. С. Поляков // Теоретические основы химической технологии. – 2009. – Том 43, № 6. – С. 685–694.
  9. Bowen W. R. Theoretical descriptions of membrane filtration of colloids and fine particles: an assessment and review / W. R. Bowen, F. Jenner // Advances in Colloid and Interface Science. – 1995. – Vol. 56. – Рp. 141–200. –Режим доступа : https://doi.org/10.1016/0001-8686(94)00232-2

10. Delgado S. Modelling hollow–fibre ultrafiltration of biologically treated wastewater with and without gas sparging / S. Delgado, F. Diaz, L. Vera, R. Diaz, S. Elmaleh // Journal of Membrane Science. – 2004. – Vol. 228, № 1. –
Рp. 55–63. – Available to: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2003.09.011

11. Song L. Flux decline in crossflow microfiltration and ultrafiltration: mechanisms and modeling of membrane fouling / L. Song // Journal of Membrane Science. – 1998. – Vol. 139. – Pp. 183–200. – Available to: https://doi.org/10.1016/S0376-7388(97)00263-9

12. Sreedhar N. Mass transfer analysis of ultrafiltration using spacers based on triply periodic minimal surfaces: Effects of spacer design, directionality and voidage / N. Sreedhar, N. Thomas, O. Al-Ketan, R. Rowshan, H.A. Arafat // Journal of Membrane Science. – September 2018. – Vol. 561. – Pp. 89–98. – Available to: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.05.028

13. Sousa M. R. S. Modelling approach to an ultrafiltration process for the removal of dissolved and colloidal substances from treated wastewater for reuse in recycled paper manufacturing / M. R. S. Sousa, J. Lora-Garcia,
M.-F. López-Pérez / Journal of Water Process Engineering. – 21 February 2018. – Vol. 21. – Pp. 96–106. – Available to: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2017.11.017

14. Díaz V. H. G. Dynamic hybrid model for ultrafiltration membrane processes / V. H. G. Díaz, O. A. Prado-Rubio,
M. J. Willis, M. V. Stosch // Computer Aided Chemical Engineering. – 2017. – Vol. 40. – Pp. 193–198. – Available to: https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63965-3.50034-9

15. Kirschner A. Y. Fouling mechanisms in constant flux crossflow ultrafiltration / A. Y. Kirschner, Y. H. Cheng,
D. R. Paul, R. W. Field, B. D. Freeman // Journal of Membrane Science. – 15 March 2019. – Vol. 574. – Pp. 65–75. – Available to: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.12.001

16. Семенов А. Г. Математическое описание процесса ультрафильтрации с учетом гелеобразования на поверхности мембраны / А. Г. Семенов, Б. А. Лобасенко // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2001. – № 8. – С. 15–17.

17. Семенов А. Г. Численный анализ модели процесса гелеобразования при ультрафильтрации на плоской мембране / А. Г. Семенов, Ю. Н. Захаров, Р. Б. Лобасенко // Технология и техника пищевых производств. –
Кемерово, 2003. – С. 164–167.

18. Численное моделирование распространения загрязнения в окружающей среде : монография
[М. З. Згуровский, В. В. Скопецкий, В. К. Хрущ, Н. Н. Беляев]. – Киев : Наук. думка, 1997. – 368 с.