 |
Фильтры применяемые вместо отстойников для сгущения сахарных сиропов.
|
|
|
|
21 обратный осмос и ультрафильтрации. К основным мембранным процессам относятся обратный осмос и ультрафильтрация.
Обратный осмос – это способ разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ.
Ультрафильтрацией называется процесс разделения, фракционирования и концентрирования растворов с помощью полупроницаемых мембран. При этом жидкость непрерывно подается в пространство над мембраной под давлением 0,1…1,0 МПа. При ультрафильтрации исходный раствор разделяется на два принципиально новых продукта: низкомолекулярный (фильтрат) и высокомолекулярный. Фильтрат проходит сквозь мембрану и удаляется через дренажную систему, а высокомолекулярный продукт концентрируется. Ультрафильтрация позволяет выделять молочные белки из вторичных продуктов молочной промышленности и ценные вещества из других пищевых растворов, получать дополнительные резервы производства продуктов питания. Применение мембранных процессов в пищевой технологии позволяет значительно снизить энергоемкость процессов обезвоживания
фруктовых и овощных соков, сиропов, эк страктов по сравнению с процессами выпаривания или вымораживания, улучшить качество и повысить выход получаемых продуктов. Выход фруктовых соков из исходного продукта при ультрафильтрации увеличивается до 95…99 %. Ультрафильтрацией обезжиренного молока получают молочный
концентрат, который используется в производстве различных видов сыров, творожных масс и кисломолочных продуктов, что увеличивает выход продукции. Ультрафильтрация сырого сахарного сока позволяет получить чистый, свободный от коллоидов фильтрат, идущий непосредственно на кристаллизацию сахарозы. Ультрафильтрация успешно заменяет пастеризацию пива. При этом из пива удаляются бактерии и высокомолекулярные вещества, ухудшающие его качество и снижающие стабильность. Стоимость обработки пива ультрафильтрацией в 2,5 раза ниже, чем пастеризацией.
|
|
|
22 аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации. В основе метода разделения растворов обратным осмосом лежит явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Если давление над раствором ниже осмотического (р <р), то растворитель будет переходить в раствор до достижения осмотического равновесия в системе. Равновесное состояние наступает, когда гидростатическое давление между раствором и растворителем, определяемое разностью уровней, станет равным осмотическому давлению (р =π). Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающ ее осмотическое (р > π), то рас-
творитель начнет переходить из раствора в обратном направлении. В этом случае будет иметь место обратный осмос. Растворитель, прошедший через мембрану, называют фильтратом. Движущей силой процесса обратного осмоса является перепад давления Δ р = р – π 1, где р − избыточное давление под раствором; π 1 − осмотическое давление раствора.
Если в процессе обратного осмоса наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества, то при расчете движущей силы следует учитывать осмотическое давление фильтрата р2, прошедшего через мембрану. Тогда Δ р = р – (π 1 – π 2) = р – Δ π.
Схема разделения раствора обратным осмосом
Для приближенного расчета осмотического давления может быть использована формула Вант-Гоффа:
π.= xRT,
где х − мольная доля растворимого вещества;
|
|
|
R − газовая постоянная;
Т − абсолютная температура раствора, К.
Давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше осмотического, так как эффективность процесса определяется движущей силой − разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так, например, при осмотическом давлении морской воды, содержащей 35 % солей, равном 2,45 МПа, рабочее давление в опреснительных установках должно составлять около 7,85 МПа (80 атм). Ультрафильтрацию применяют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных в растворителе компонентов значительно превышает молекулярную массу растворителя. Для разделения водных растворов ультрафильтрацию применяют, когда растворенные компоненты имеют молекулярную массу 500 и выше. Движущей силой ультрафильтрации является разность рабочего и атмосферного давления. Обычно ультрафильтрацию проводят при невысоких давлениях, равных 0,1…1,0 МПа. Ультрафильтрация протекает под действием перепада давлений до
и после мембраны. В зависимости от назначения процесса ультрафильтрации применяют мембраны, которые пропускают растворитель и преимущественно низкомо-
лекулярные соединения (при разделении высоко- и низкомолекулярных соединений), растворитель и определенные фракции высокомолекулярных соединений (при фракционировании высокомолекулярных соединений), толь-
ко растворитель (при концентрировании высокомолекулярных соединений). Разделение обратным осмосом и ультрафильтрацией происходит без фазовых превращений. Работа расходуется на создание давления в жидкости и продавливание ее через мембрану:
Ам = Ас + Апр,
где Ас − работа на сжатие жидкости, Дж;
Апр − работа на продавливание жидкости через мембрану, Дж.
Так как жидкость несжимаема, величиной Ас обычно пренебрегают. Работа на продавливание жидкости определяется по формуле
Апр = ΔpV,
где Δp − перепад давления на мембране;
V − объем продавливаемой жидкости.
Сравним работу на продавливание 1 м3 воды через мембрану и работу на испарение 1 м3 воды. В первом случае при давлении р = 4,9 МПа работа
на продавливание составляет 4,90 МДж, во втором случае − 2270 МДж. Из сравнения этих величин видно, что расход энергии на разделение обратным осмосом значительно ниже, чем на испарение жидкости. Разделение методами обратного осмоса и ультрафильтрации принципиально отличается от обычного фильтрования. При обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора: концентрированный и разбавленный, в то время как при фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке. В процессе обратного осмоса и ультрафильтрации накопление растворенного вещества у поверхности мембраны (вследствие концентрационной поляризации) недопустимо, так как при этом резко снижаются селективность (разделяющая способность) и проницаемость (удельная производительность) мембраны, сокращается срок ее службы. Селективность и проницаемость мембран − наиболее важные технологические свойства. Селективность 
(%) процесса разделения на полупроницаемых мембранах определяется по формуле
|
|
|
= (x1− x2)/х1 ∙ 100 = ( 1 − x2 / x1) 100,
где x 1, x 2 − концентрации растворенного вещества соотв етственно в исходном растворе и фильтрате. Иногда называют коэффициентом солезадержания.
Проницаемость G [в л/(м2ч)] при данном давлении выражается со-
отношением
G = V/(F 
),
где V − объем фильтрата, л;
F − рабочая площадь поверхности мембраны, м2;
− продолжительность процесса, ч.
Для объяснения механизма разделения растворов полупроницаемыми мембранами предложено несколько моделей. В последние годы распространение получила капиллярно-фильтрационная модель механизма полупроницаемости. Согласно этой модели, очень большое влияние на процесс разделения растворов неорганических и органических веществ оказывает поверхностный слой жидкости. В зоне контакта жидкости и мембраны действуют поверхностные силы: прилипания, поверхностного натяжения и молекулярного притяжения. Поэтому физико-химические свойства пограничного слоя жидкости у
мембраны могут значительно отличаться
от ее физико-химических свойств в объе-
ме. С уменьшением толщины пограничного слоя эти различия возрастают.
На селективность и проницаемость мембран большое влияние оказывает гидратирующая способность ионов. Гидратация заключается в том, что ионы растворенного вещества окружены растворителем и движутся с некоторой его частью, взаимодействующей с ним. Молекулы воды, расположенные в непосредственной близости от ионов растворенного вещества, образуют гидратную оболочку. На поверхности и внутри капилляров лиофильной мембраны образуется слой связанной воды толщиной 
, физико-химические свойства которой отличаются от характеристик жидкости в
|
|
|
объеме. Наличие связанной воды в капиллярах мембраны является основной причиной непроходимости через мембрану молекул растворенных веществ, которые не растворяются в связанной воде.
Если диаметр d капилляра мембраны d ≤ 2 
г + dги (где dги – диаметр гидратированного иона), через такой к апилляр будет проходить преимущественно только вода. Однако мембраны имеют капилляры различного размера, а связанная вода растворяет неорганические соли, поэтому селективность мембран будет ниже 100%.
Исходя из капиллярно-фильтрационной модели, явление обратного осмоса можно представить следующим образом: на поверхности и внутри капилляров гидрофильной полупроницаемой мембраны образуется слой связанной воды. Ионы солей в растворе при своем тепловом движении захватывают воду у поверхности мембран, образуя гидратные оболочки, и переносят ее таким образом в объем раствора. Снижение концентрации воды у
поверхности мембраны, обращенной к раствору, компенсируется переходом чистой воды через мембрану. Такой переход будет происходить до тех пор, пока силы, определяемые притяжением молекул воды к ионам, не будут уравновешены силами гидростатического давления со стороны раствора.
23 мембраны и их характеристика. Мембрана – полупроницаемая перегородка, пропускающая определеные компоненты жидких и газовых смесей.Мембраны должны обладать следующими свойствами: высокой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной производительностью (проницаемостью); постоянством своих характеристик в процессе эксплуатации; химической стойкостью в разделяющей среде; механической прочностью; невысокой стоимостью. Полупроницаемые мембраны, с помощью которых осуществляется процесс разделения водных растворов, являются основной частью мембранного аппарата и определяют технологические, технические и эксплуатационные характеристики аппаратов. Мембраны изготавливаются из различных материалов: полимерных
материалов, пористого стекла, графитов, металлической фольги и т. д. От материала мембраны зависят ее свойства (химическая стойкость, прочность) и структура.
|
|
|
Мембраны подразделяют на пористые и диффузионные. Наибольшее распространение получили мембраны из полимерных пленок. Через непористые мембраны растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентраций молекулярной диффузией. Поэтому эти мембраны называют диффузионными. Они представляют собой квазигомогенные гели. Скорость диффузии компонентов через эти
мембраны зависит от энергии активации при взаимодействии частиц компонентов с материалом мембран. Скорость диффузии также зависит от подвижности отдельных звеньев мембранной матрицы и от размеров диффундирующих частиц. Скорость тем выше, чем сильнее набухает мембрана.
Скорость диффузии молекул через диффузионную мембрану прямо пропорциональна коэффициенту диффузии, который зависит от размеров молекул и их формы. Диффузионные мембраны применяются для разделения компонентов с близкими свойствами, но с молекулами различных размеров. Так как диффузионные мембраны не имеют капилляров, они не забиваются и их проницаемость остается постоянной в процессе разделения. Диффузионные мембраны обычно применяют для разделения газовых и жидких смесей методом испарения через мембрану.
Для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации
применяются пористые мембраны, изготовляемые в основном из полимерных материалов. Полимерные мембраны могут быть анизотропными и изотропными.
Мембрана с анизотропной структурой состоит из тонкого поверхностного слоя на микропористой «подложке». Разделение происходит на поверхностном активном слое, и практически и весь перепад давления приходится на этот слой. Изотропные мембраны образуются при облучении тонких полимерных пленок заряженными частицами с последующим травлением химическими реагентами. В последнее время выпускаются изотропные
мембраны на основе поликарбонатных пленок. В настоящее время в промышленности применяются следующие
полимерные мембраны: целлюлозные, на основе эфиров целлюлозы, акрилонитриловые, нейлоновые, поливинилхлоридные, изготовленные на
основе поликарбонатов и полисульфонов.
|
|
|
