Исследование коэффициента задержания в процессе обратноосмотического разделения биологических растворов биохимических производств

Обратноосмотические процессы при разделении промышленных растворов биохимических производств пропускают растворитель в большей степени, но задерживают растворенное вещество. Задерживаемое мембраной растворенное вещество у поверхности мембраны постепенно накапливается в пограничном слое, где его концентрация возрастает. Повышенная концентрация у поверхности мембраны растворенных веществ повышает отток растворенных веществ от поверхности активного слоя мембраны в объем разделяемого раствора. Спустя некоторое время в системе устанавливается стационарное состояние. Конвективный поток растворенного вещества к поверхности мембраны будет уравновешиваться суммой потоков растворенного вещества через мембрану и от поверхности мембраны в объем раствора, т.е. в случае концентрационной поляризации образуется пограничный диффузионный слой. На концентрационную поляризацию при обратноосмотического разделении биологических растворов биохимических производств оказывает влияние величина потока растворителя ( J ) и коэффициент массопереноса ( к ) . Коэффициент мас-сопереноса ( к ) зависит от гидродинамики потока в мембранном канале и связан числом Шервуда уравнением [1,2] :

= bdh = a _Reb_Scc, (1) hD где Re – число Рейнольдса; Sc – число Шмидта; a, b и c – компоненты.

Вид течения раствора в мембранном канале ламинарный или турбулентный определяется числоRe. Переход от ламинарного к турбулентному в мембранном канале происходит при числе Рейнольдса равным примерно 2000

и описывается следующим уравнением. d _h ⋅ ν   ρν d _h

Vη

Число Шмидта:

ν

Sc =

D

где ν – динамическая вязкость; d – гидродинамический диаметр; V – скорость течения раствора в мембранном канале; D – коэффициент диффузии.

Кроме увеличения скорости течения раствора, осуществляют пульсацию потока. Коэффициент массопереноса в основном зависит от коэффициента диффузии и скорости течения раствора в мембранном канале. Так коэффициент диффузии растворенных веществ можно увеличить повышением температуры, а также увеличением скорости течения раствора вдоль мембраны или за счет изменения формы и размеров модуля, уменьшая длину модуля и увеличивая гидродинамический диаметр. Особенно сильно действует концентрационная поляризация при обратноосмотическом разделении водных растворов спиртовых производств, поскольку большая величина потока растворителя ( J ), а коэффициент массопереноса очень маленький ( к ) . Так как в процессе обратноосмотического разделения, коэффициент диффузии растворенных высокомолекулярных веществ и коллоиднообразующих веществ низкий [1-2].

Целью данной работы было исследовать влияния концентрации исходного раствора на коэффициент задержания процесса обратноосмотического разделения биологических растворов биохимических производств.

При оценке экспериментальных данных по коэффициенту задержания от концентрации растворенных веществ для исследуемых типов мембран приведенных на рисунках 1-3, следует учитывать изменения обрабатываемого раствора в результате выделения растворителя. Значительная часть экспериментальных исследований по коэффициенту задержания растворенных веществ полупроницаемыми мембранами выполнена в результате, когда извлекался растворитель из раствора в незначительном объеме. В практическом случае обычно желательно выделить, возможно, большее количество воды, например, сконцентрировать раствор до возможно больших концентраций, чтобы реальнее оценить влияние концентрационной поляризации. Выделение воды ограничивается одной из трех причин: 1) высокой концентрацией растворенных веществ, при котором дальнейшее концентрирование (из-за уплотнения мембран, недостатков оборудования, больших расходов электроэнергии) становится невозможным; 2) сильное засорение мембран в результате концентрационной поляризации или адсорбции коллоидных частиц из раствора; 3) невысокийвеличи-ной коэффициента задержания мембран [4-6]. Очевидно, чтобы процесс можно было считать эффективным, задерживание определенных фракций должно с большим избытком превышать выделение (отходы) этих фракций. При сравнении системы обратного осмоса с другими мембранными методами разделения или очистки следует использовать значения коэффициента задержания, полученного при соответствующих средних концентрациях обрабатываемого раствора и ретентата. В большинстве случаев применения в первую очередь принимаются во внимание экономические факторы [7].

Рисунок 1. Зависимость коэффициента задержания обратноосмотического разделения водных растворов производства спирта из зернового сырья от исходной концентрации растворенных веществ на мембранах МГА-100 и ОПМ-К (АР=4,0 МПа, t= 200С, W= 0,25 м/с)

Рисунок 2. Зависимость коэффициента задержания обратноосмотического разделения водных растворов производства спирта из зернового сырья от исходной концентрации растворенных веществ на мембранах МГА-95П и МГА-95К (АР=4,0 МПа, t= 200С, W= 0,25 м/с)

Рисунок 3. Зависимость коэффициента задержания мембран МГА-100 и ОПМ-К от исходной концентрации растворенных веществ в водных растворах производства спирта и дрожжей из свеклосахарной мелассы

Коэффициент задержания является важной характеристикой обратноосмотического процесса разделения растворов. Оценим характер влияние концентрации растворенных веществ на коэффициент задержания с теоретической точки зрения (рисунки 1-3). Из полученных экспериментальных данных наблюдается, что повышение концентрации растворенного вещества влечет к повышению нелинейной зависимости коэффициента задержания по всем видам исследуемых полупроницаемых обратноосмотических мембран (в экспериментально исследуемом интервале). Эту зависимость можно объяснить следующей гипотезой: растворенные вещества с начальной концентрацией адсорбируется на поверхности пор и аморфной части мембран, дальнейшее увеличение концентрации приводит к более плотному объемному заполнению пор мембран растворенными веществами, причем не исключено в какой-то мере блокирование пор. Также, дальнейшее увеличение концентрации растворенных веществ приводит раствор в более упорядоченное состояние, то есть образуются молекулярные агромераты и другие более сложные пространственные структуры, состоящие из молекул и ионов, а возможно и из молекул структурированной воды, как в примембранном слое, так и в поровом пространстве мембраны, что влечет за собой повышение коэффициента задержания обратноосмотической мембраной. Если идет дальнейшее повышение концентрации растворенных веществ, то это влечет повышение количества переносимого растворенного вещества через мембрану, что, следовательно, снижает коэффициент задержания.

На коэффициент задержания влияет и физическая природа полупроницаемой мембраны. В каждом конкретном случае его значения несколько выше, на одной из мембран выше по сравнению с другой. Это связано с различным видом физического взаимодействия растворенного вещества с активным слоем и разной пористой структурой активного слоя этих мембран [8-10].

Математическое выражение, описывающее коэффициент задержания получено на основе дифференциальных уравнений конвективной диффузии и неразрывности потока, и является интегральной величиной зависящей от многих факторов: концентрации исходного раствора, температуры раствора, рабочего давления, материала мембраны, гидродинамической обстановки в канале и над мембраной, и ряда других. Теоретический учет всех параметров влияющих на коэффициент задержания в настоящее время является практически невозможным, поэтому при расчетах используют ряд поправочных коэффициентов. В результате анализа проведенных экспериментальных исследований было принято решение использовать для теоретического расчета коэффициента задержания математическое уравнение Дерягина Б.В., Чурае-ва Н.В., Старова В.М. и Мартынова Г.А. [14].

k = 1--

¹ + ( Y - 1 )

где D , D - коэффициенты молекулярной диффузии растворенного вещества как в свободном объеме, так и в мембране, на которые влияет исходная концентрации растворенного вещества и температуры исследуемого раствора.

Коэффициент молекулярно диффузии в мембране растворного вещества рассчитывали как:

D m = k₆ • D o ⁽⁵⁾ где к р –коэффициент распределения растворенного вещества между мембранной и растворителем:

k6 = V y                 (6)

вычисляется при проведении экспериментальных исследований сорбционных свойств обратноосмотических мембран.

В результате проведенных преобразований для наших исследуемых биологических растворов формула (4) примет следующий вид:

^k = ¹ — П--- ^---- 1------------- (7)

¹ +L _c„ - ¹ IE ¹ - exp ( - G ■ k 2 ) ]• exp ( - G ■ k з )

где: k 1 , k 2 , k 3 , n – эмпирические коэффициенты, зависящие от вида мембраны и типа исследуемого раствора.

В результате эмпирической обработки полученных экспериментальных данных были определены конкретные значения величин эмпирических коэффициентов k 1 , k 2 , k 3 , n для обратноосмотических мембран и растворенных веществ, находящихся в исследованных биологических растворах (таблица 1).

Т а б л и ц а 1

Значения величин эмпирических коэффициентов k 1 , k 2 , k 3 , n приведенных в уравнении (2.4)

Раствор	Мембрана	k 1	n	k 2	k 3
Производство спирта из зернового сырья	МГА-100	0,035	1,76	0,04	-0,9
	ОПМ-К	0,665	0,21	0,99	-0,15
Производство спирта и дрожжей из мелассы	МГА-100	141,4	0,67	0,0006	0,336
	ОПМ-К	209,3	0.58	0,13	0,31

Проведенный сравнительный анализ полученных экспериментальных и расчетных значений по коэффициентам задержания на обратноосмотических мембранах показало приемлемый результат. Расхождение между значениями по коэффициенту задержания лежит в пределах ±10%.

Для оценки влияния параметров процесса на коэффициент задержания по методике, изложенной в приложении были рассчитаны коэффициенты корреляции [11-12] коэффициента задержания от концентрации исходного раствора, полученные значения приведены в таблице 2. Из таблицы видно, что коэффициент задержания имеет сильную обратную зависимость от концентрации растворенного вещества, что подтверждает влияние концентрационной поляризации на коэффициент задержания мембран.

Т а б л и ц а 2

Значения коэффициентов корреляции от концентрации

Вид растворенного вещества	Тип мембраны	Коэффициент корреляции
Производство спирта	МГА-100	-0,979
из зернового сырья	ОПМ-К	-0,916
Производство спирта и	МГА-100	-0,995
дрожжей из мелассы	ОПМ-К	-0,944

В заключение проведенных экспериментальных исследований по обратноосмотическому разделению биологических растворов биохимических производств можно сделать следующие выводы:

• 1 . Полученные экспериментальные данные, позволяют констатировать, что с помощью процесса обратного осмоса можно эффективно