Явище концентраційної поляризації: стан проблеми і актуальні напрямки досліджень

Abstract

Концентраційна поляризація є одним із ключових явищ масопереносу, що виникає під час мембранного розділення, у електрохімічних системах, тепло- і масообмінному обладнанні, а також у багатьох технологічних процесах енергетичного машинобудування. Формування поблизу поверхні розділу фаз концентраційного прикордонного шару призводить до збільшення дифузійного опору, зниження продуктивності технологічних систем, зростання енергоспоживання, прискорення процесів мембранного забруднення (фулінгу) та скорочення ресурсу роботи обладнання. У зв’язку зі зростанням вимог до енергоефективності, надійності та екологічної безпеки сучасних технологічних процесів проблема концентраційної поляризації набуває особливої актуальності. Метою роботи є узагальнення сучасного стану досліджень концентраційної поляризації в мембранних процесах очищення та опріснення води, аналіз основних фізичних механізмів її виникнення, сучасних методів математичного моделювання й експериментального дослідження, а також визначення перспективних напрямів розвитку технологій, спрямованих на мінімізацію негативного впливу цього явища. Методологічною основою дослідження стали аналіз і систематизація сучасних наукових публікацій, присвячених процесам зворотного осмосу, нанофільтрації, ультрафільтрації, мікрофільтрації та прямого осмосу. У роботі розглянуто сучасні теоретичні моделі концентраційної поляризації, можливості використання методів обчислювальної гідродинаміки (CFD), цифрової голографічної інтерферометрії, лазерно-індукованої флуоресценції та інших експериментальних підходів для дослідження локальних процесів масопереносу. Проаналізовано вплив конструктивних параметрів мембранних каналів, гідродинамічних режимів, турбулізаторів потоку, властивостей мембранних матеріалів і внутрішньої концентраційної поляризації на ефективність мембранних процесів. Окрему увагу приділено сучасним тенденціям використання цифрових двійників, методів машинного навчання та штучного інтелекту для прогнозування розвитку концентраційної поляризації й оптимізації режимів роботи обладнання. Показано, що комплексне застосування сучасних експериментальних і чисельних методів дослідження створює передумови для підвищення продуктивності мембранних систем, зменшення енергетичних витрат, уповільнення процесів фулінгу та збільшення терміну експлуатації обладнання. Практичне значення роботи полягає в систематизації сучасних підходів до керування процесами концентраційної поляризації, результати якої можуть бути використані під час проєктування, моделювання та вдосконалення мембранного обладнання для систем водоочищення, водопідготовки й інших процесів енергетичного машинобудування.