Ультрафильтрация и обратный осмос

Методы обратного осмоса и ультрафильтрования заключаются в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, избирательно пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы растворенных в них веществ. Иногда в специальной литературе обратный осмос и ультрафильтрование объединяют под общим названием «гиперфильтрование» – процесс фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны с порами размером менее 0,5 мкм. В основе этих способов лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя (воды) в раствор через полупроницаемую мембрану (рис. 69, а). Давление в растворе, заставляющее растворитель переходить через мембрану, называют осмотическим. Создав над раствором давление равное осмотическому (рис. 69, б), осмос прекращается и наступает состояние равновесия. Если же над раствором создать избыточное давление , превышающее осмотическое давление на величину (рис. 69, в), то переход растворителя будет осуществляться в обратном направлении и тогда процесс называют обратным осмосом.

Согласно простейшей теории механизм фильтрования через пористую мембрану объясняется тем, что поры такой мембраны достаточно велики для того, чтобы пропускать молекулы растворителя, но слишком малы, чтобы пропускать молекулы растворенных веществ. По другим представлениям этот механизм намного сложнее и избирательная способность мембран, очевидно, обусловливается электрическими силами, возникающими в мембране, различием коэффициентов диффузии компонентов раствора, формой и размерами молекул и др. Обратный осмос и ультрафильтрование имеют принципиальное отличие от обычного фильтрования. Если при обычном фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке, то при обратном осмосе и ультрафильтровании образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. В этих процессах накопление вещества в виде осадка на поверхности мембраны недопустимо, так как это приводит к резкому ухудшению ее работы.

Рис. 69. Изображение осмотических процессов

Вместе с тем обратный осмос и ультрафильтрование имеют много общего: для их осуществления используются мембраны, изготовленные из одного и того же материала, но имеющие различные размеры пор. В процессе ультрафильтрования мембраной задерживаются вещества с молекулярной массой 500 и более, а низкомолекулярные вещества и растворитель свободно проходят через поры. При обратном осмосе мембраной задерживаются как высокомолекулярные вещества, так и большая часть низкомолекулярных, а проходит через нее почти чистый растворитель. Таким образом, ультрафильтрование является способом концентрирования высокомолекулярных веществ с одновременной очисткой их от низкомолекулярных веществ, а обратный осмос – способом концентрирования всех веществ, находящихся в данном растворе, или способом выделения чистого растворителя из раствора.

Отделить высокомолекулярные вещества от низкомолекулярных очень трудно, поэтому нельзя четко разграничить ультрафильтрование и обратный осмос. В обоих случаях приходится преодолевать осмотическое давление фильтруемого раствора, так как растворитель переносится в направлении, противоположном возрастанию концентрации растворенного вещества, задерживаемого мембраной.

Величина осмотического давления (в Па) для растворов определяется по уравнению Вант–Гоффа:

где – коэффициент Вант–Гоффа; – степень диссоциации растворенного вещества; – газовая постоянная; – абсолютная температура раствора, ; – концентрация растворенного вещества, ; – молекулярная масса растворенного вещества, .

Из уравнения следует, что осмотическое давление растворов прямо пропорционально их температуре и концентрации и обратно пропорционально молекулярной массе растворенного вещества.

Успех мембранных методов разделения во многом зависит от качества изготовляемых пористых мембран. Для изготовления таких мембран применяют полимерные пленки, пористое стекло, металлокерамику и другие материалы. Для практического применения изготовляемые мембраны должны отвечать следующим основным требованиям:

- иметь высокую разделяющую способность (селективность);

- избирательно пропускать одни вещества и не пропускать другие;

- иметь высокую удельную производительность (проницаемость);

- быть устойчивыми к действию разделяемой среды и микроорганизмов;

- иметь достаточную механическую прочность и постоянство технических характеристик в процессе эксплуатации мембраны;

- не содержать токсических веществ;

- иметь невысокую стоимость.

Селективность (в %) мембран определяют по формуле:

,

где и – концентрация растворенного вещества в исходной смеси и в фильтрате, мас. %.

Проницаемость мембраны зависит от ее пористости, а также от формы и длины пор. В мембранах на 1 поверхности приходится около пор диаметром около 0,1 мкм и менее. Проницаемость мембран, или удельная производительность (в ), выражается объемом фильтрата, получаемом с единицы рабочей площади мембраны в единицу времени , т. е. согласно формуле .

Общую пористость мембраны и средний диаметр ее пор с достаточной для технических расчетов точностью можно определить по уравнению Пуазейля:

,

где – количество жидкости, протекающей через капилляр за единицу времени; – диаметр капилляра; – вязкость жидкости; – длина капилляра.

Предполагая, что поры мембраны имеют цилиндрическую форму с одинаковым сечением и расположены перпендикулярно ее поверхности, для мембраны площадью (в ), толщиной (в м) и с числом пор на 1 уравнение Пуазейля примет вид:

.

Пористость мембраны можно выразить соотношением:

.

Найдя из этого выражения и подставив его в уравнение , получают общий объем фильтрата (в ):

,

откуда средний диаметр пор (в м):

.

Общую пористость мембраны (в %) можно рассчитать как:

,

где – плотность материала мембраны; – плотность мембраны, определяемая взвешиванием определенного объема ее.

Поскольку разделение с помощью мембран осуществляется без фазовых превращений и энергия в процессе расходуется в основном на продавливание раствора через мембрану, то затрата энергии в этих процессах намного меньше, чем в других методах разделения. Например, для опреснения морской воды методом обратного осмоса расходуется около 7 , в то время как на опреснение такой воды путем перегонки расходуется около 80 .

Благодаря простоте мембранных установок, проведению процессов при обычной температуре и экономичности методы ультрафильтрования и обратного осмоса применяют для сгущения фруктовых соков, молока и творожной сыворотки, сахарных растворов, ферментных препаратов, опреснение морских и соленых вод, очистки виноматериалов, пива и других продуктов.

Установлено, что обработка ультрафильтрованием пищевых продуктов улучшает их качество. Это, по–видимому, объясняется отсутствием в полученном продукте вредных микроорганизмов и сохранением в нем нужных солей и кислот. Интересные результаты получены при применении ультрафильтрования вместо тепловой пастеризации пива. При этом из пива удаляются бактерии и высокомолекулярные вещества, ухудшающие качество пива. Такая обработка в 2,5 раза экономичней тепловой пастеризации и увеличивает срок хранения при улучшении качества пива.