Мембранные методы разделения жидкостных систем

Общие определения и характеристика мембран.Среди мемб­ранных процессов, которые можно в определенной мере отне­сти к фильтрационным методам разделения жидкостных систем, известны обратный осмос, ультрафильтрация и микрофильтра­ция. Во всех этих процессах в качестве фильтрующих перегоро­док используют так называемые полупроницаемые мембраны. Эти мембраны часто называют молекулярно-ситовыми. В насто­ящее время применение вразличных отраслях народного хо­зяйства находят три вида полупроницаемых мембран: пористые, непористые и жидкие. Для пищевой промышленности и обще­ственного питания используют главным образом пористые мемб­раны. Размер пор таких мембран очень незначителен – не бо­лее 0,5 мкм, а чаще он находится в пределах 10^-7 – 10^-10 м.

В качестве материалов для мембран используют различного рода пленки, изготовленные на ацетатцеллюлозной основе и из некоторых синтетических полимеров.

Применяемые в практике полупроницаемые мембраны характеризуются главным образом двумя показателями – прони­цаемостью и селективностью.

Селективность мембран – это их избирательная способность пропускать те или иные вещества. Проницаемость мембран – это удельная производительность. Она показывает, какое количество фильтрата пропускает мембрана, имеющая поверхность 1 м² за одну секунду.

Мембраны, которые применяют на практике, не обладают идеальной полупроницаемостью, в связи с этим всегда наблю­дается переход вместе с водой и некоторого количества раство­ренного вещества.

Общность процессов обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации заключается также и в том, что для их про­ведения применяют аналогичные по своей конструкции аппа­раты.

Вместе с тем они имеют определенные отличия. Эти отли­чия заключаются в их назначении и конечных целях. Назначе­ние процесса обратного осмоса заключается в разделении растворов, в результате которого молекулы или ионы растворен­ных веществ полностью или частично задерживаются полупро­ницаемыми мембранами. Иногда принято определять обратный осмос как процесс отделения низкомолекулярных веществ, раз­мер частиц которых колеблется от 10^-10 до 10^-8 м.

При обратном осмосе на мембранах задерживаются высокомолекулярные вещества и коллоидные частицы.

При ультрафильтрации выделяют на полупроницаемых мембранах высокомолекулярные фракции жидкостных систем с присутствием или без присутствия низкомолекулярных ве­ществ. Размер частиц этих фракций колеблется в пределах 10^-8 – 10^-7 м.

Наконец, микрофильтрация предназначена для отделения от растворителя частиц, имеющих размер от 10^-7 до 10^-5м.

Сущность процессов ультрафильтрации и обратного осмоса.Явление осмоса (рис. 14, а)заключается в том, что вода (рас­творитель) проходит через мембрану и разбавляет раствор. Яв­ление осмоса лежит в основе многих жизненных процессов. Он способствует обмену веществ в живых организмах. Это явление широко используется во многих отраслях пищевой промыш­ленности и общественном питании. Так, на явлении осмоса ос­новано консервирование путем посола продуктов и путем на­сыщения их сахаром. В этом случае вода из микроорганизмов, которые являются причиной порчи продуктов, проходит через их оболочку в раствор соли или сахара, в результате чего бак­терия погибает из-за обезвоживания. Оболочка бактерии, как оболочка клеток живого организма, представляет собой полу­проницаемую мембрану.

Рис. 14. Схема возникновения обратного осмоса:

а– осмос; б – состояние равновесия; в – обратный осмос

Однако переход растворителя (воды) в раствор не будет продолжаться бесконечно. Он происходит до определенного предела, называемого равновесным состоянием. При достижении равновесного состояния растворитель переходит в раствор и из раствора возвращается в растворитель. Равновесное состояние (рис. 14, б)наступает тогда, когда гидростатическое давление раствора, определяемое разностью уровней между раствором и водой, становится равным осмотическому давлению.

Если на раствор, находящийся в состоянии равновесия с во­дой, оказать давление, превышающее осмотическое, то вода из раствора будет проходить через мембрану в воду, находящуюся в левой части сосуда (рис. 14, в). Это явление в 1953 г. было названо обратным осмосом.

Устройство и принцип работы аппаратов для осуществления мембранных методов разделения.Простейшие схемы двух типов установок представлены на рис. 15. Исходная жидкостная система поступает во внутреннюю полость установки, проходит через полупроницаемую мембрану, расположенную на подложке. Подложку изготовляют из прочного пористого материала – ке­рамики, пористой нержавеющей стали и т. п.

На полупроницаемой мембране оседают частицы или моле­кулы, которые необходимо выделить из исходной жидкости. Фильтрат проходит через мембрану и подложку и удаляется из установки.

Принципиальное отличие обратноосмотических, ультрафильтрационных, микрофильтрационных установок от обычных фильт­рационных установок заключается в том, что в них недопустимо образование осадка на поверхности фильтрующей перегородки. У поверхности мембран со стороны раствора наблюдается повышенная его концентрация. Это неизбежное явление называ­ется концентрационной поляризацией. Оно приводит к снижению селективности мембран, их проницаемости и к существен­ному сокращению их срока службы.

Рис. 15. Схема установок для мембранного разделения жидкостных систем:

а – с плоским расположением мембран: 1 – нижнее основание;

2 – герметизирующая прокладка: 3– верхнее основание;

4 – полупроницаемая мембрана; 5 – подложка; б – с цилиндрическим

расположением мембран: 1 – цилиндрическая подложка;

2 – полупроницаемая мембрана; 3 –корпус установки

Для того чтобы избежать концентрационной поляризации или уменьшить ее отрицательное влияние на селективность и про­ницаемость мембран, прибегают к различным приемам. Так используют различного рода магнитные мешалки, в промышлен­ных аппаратах большой производительности увеличивают ско­рость течения жидкости и устанавливают различного рода турбулизаторы потока.

Промышленные установки для мемб­ранного разделения различных жидкостных систем получили ши­рокое распространение в пищевых производствах. Область их применения непрерывно расши­ряется. В настоящее время их широко применяют в молочной, сахарной промышленности. Они нашли применение в производ­стве соков, сиропов, концентратов, экстрактов. Полученные этими методами продукты (сгущенное молоко и молочная сыво­ротка, сахарные сиропы, концентрированные фруктовые и овощные соки, сгущенные бульоны, экстракты чая, кофе) отличаются более высоким качеством, чем те же продукты, полученные вы­париванием или вымораживанием. В них сохранены все исход­ные ценные компоненты (белки, витамины, ферменты, иммунные тела). Они имеют лучшие органолептические показатели.

Большую роль мембранные методы получили в целях очи­стки сточных вод промышленных предприятий, в том числе пи­щевых и предприятий общественного питания, что весьма благо­приятно сказалось на охране окружающей среды.