Исследование удельного потока растворителя в процессах ультрафильтрационного и обратноосмотического разделения биологических растворов биохимических производств

Методы мембранной технологии в процессах разделения, очистки и концентрирования биологических растворов в биохимической промышленности приобретают в настоящее время все большую актуальность. В первую очередь, это связано с тем, что проблема снижения загрязнения окружающей среды вышла на передний план в списке глобальных проблем. Отсюда вытекает необходимость исследования данных методов и применение их на промышленных предприятиях. Исследования данных методов ведутся как в нашей стране, так и за рубежом. Данная работа посвящена исследованию удельного потока растворителя в баромембранных процессах разделения в биохимическом производстве. Основными показателями, которыми характеризуются методы баромембранной технологии, являются производительность и качество разделения. Производительность баромембранного разделения оценивается через удельную производительность или удельный поток растворителя, который равен расходу пермеата через единицу рабочей площади мембраны в единицу времени и также определяемый скоростью процесса баромембранного разделения.

Основным количественным показателем, характеризующим процесс ультра-фильтрационного и обратноосмотического разделения, считается удельный поток растворителя. Данный параметр зависит от многих факторов, например, от материала мембраны, природы растворенных веществ и их концентраций в растворе, от рабочего давления, температуры и гидродинамики процесса. Давление является движущей силой процесса разделения, поэтому воздействует на кинетические параметры процесса ультрафильтрации и обратного осмоса, определяющие производительность и качество разделения.

Влияние давления наудельный поток растворителя можно разделить на две части. Первая часть заключается в том, что удельный поток растворителя с ростом давления повышается. Вторая часть показывает, что при более высоких давлениях он остается неизменным.

Зависимость же удельного потока растворителя от концентрации заключается в следующем. Увеличение концентрации раствора приводит к уменьшению удельного потока растворителя. Это связано с ростом осмотического давления растворов разделяемых веществ и влиянием адсорбционных слоев на поверхности мембран, уменьшающий их проницаемость.

Увеличение рабочего давления при разделении водных растворов неорганических и органических веществ приводит к увеличению удельного потока растворителя [1-2]. Необходимо отметить, что наиболее достоверные результаты можно получить экспериментально, определив влияние давления для конкретной мембраны и конкретного растворенного вещества, поскольку в разных работах приводятся разнообразные зависимости удельного потока растворителя от давления.

Для описания удельного потока растворителя в ультрафильтрационной мембране применялось уравнение вида:

J = k ⋅ ( ∆ P - ∆ π ) (1)

где k – проницаемость мембраны по дистиллированной воде, м/с·МПа;

Δ P – перепад давления на мембране, МПа;

Δ π – перепад осмотического давления в растворах по обе стороны мембраны, МПа.

Отклонения от закона Дарси, при фильтровании через мембраны, объясняется наличием динамического осмотического давления, которое записывается:

Ап = ¹ - ( C о - C f ) (2)

Y где у- коэффициент распределения растворенного вещества между раствором и мембраной; Co, f - концентрация растворенного вещества в ядре потока и в пермеате, кг/м3.

Следовательно формулу (1) можно записать:

J = k - ( А Р -1 - ( C о - C f )) (3) Y

Из формул следует, что удельный поток растворителя мембран, при баро-мембранном разделении (стоит отметить, что бывают отклонения) сложным образом зависит как от концентрации, так и от движущей силы процесса [2-4].

Для ультрафильтрации и обратного осмоса характерно явление концентрационной поляризации, которое заключается в повышении концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны, в пограничном слое. Толщина пограничного слоя, в общем случае, зависит от режима движения раствора над поверхностью мембраны. Отмечается, что с понижением скорости течения раствора в мембранном канале развивается концентрационная поляризация.

При увеличении концентрационной поляризации падает удельный поток растворителя из-за роста осмотического давления и снижения движущей силы процесса. Это связано, в первую очередь, с повышением концентрации раствора у поверхности мембраны.

Стоит отметить, что в приведенных выше формулах для расчета удельного потока растворителя не учитывают влияние сорбции растворенных веществ на изменение удельного потока растворителя из-за уменьшения сечения пор мембраны, а также не учитывают влияние температуры на процесс. При расчете удельного потока растворителя температуру необходимо учитывать, поскольку вязкость и плотность раствора напрямую связаны с ней.

В связи с вышесказанным нами предложена следующая зависимость удельного потока растворителя от концентрации внешнего раствора и температуры [3]:

J = k - ( А Р m - k 1 - C ) - exp ( k ₂ - C n ) - exp ^ A 1 ^ (4) где k 1 , k 2 , n, A ₁ – числовые коэффициенты.

В таблице 1 приведены значения эмпирических коэффициентов для исследованных мембран и растворов. Формула должна отражать большую часть параметров процесса, которые влияют на удельный поток растворителя в мембране.

Из таблиц видно, что удельный поток растворителя имеет сильную обратную зависимость от концентрации растворенного вещества. Данный факт подтверждает влияние концентрации раствора на удельный поток растворителя мембран.

Т а б л и ц а 1

Значения эмпирических коэффициентов для расчета удельного потока растворителя через мембраны

Мембрана	k 1	k 2	т	n	A 1
УПМ-К	-0,664	4,367	0,275	-0,351	-1731,6
УАМ-200	-0,031	1,809	0,157	-0,857	-1096,6
УАМ-150	-0,664	4,367	0,276	-0,351	-2000,0
МГА-100	0,033	0,199	0,231	-2,138	365,3
ОПМ-К	0,117	0,042	0,038	1,7532	-388,0

В ходе данной работы было исследовано влияние концентрации и давления на удельный поток растворителя при очистке сточных вод от растворенных веществ с целью дальнейшего их использования во вторичных процессах производств.

Первый этап заключался в предварительной очистке водной массы от нерастворимых веществ гравитационным и центробежным отстаиванием. Далее проводили баромембранную очистку на лабораторной мембранной установке с использованием мембран УАМ-150, УАМ-200, МГА-100 и ОПМ-К и разделительной ячейки [1].

Для проведения исследования применялась следующая методика. После предварительной отмывки мембран от примесей сорбционного характера собирали разделительную ячейку и подсоединяли ее к установке. После проверки герметичности отдельных узлов установка была выведена в рабочий режим и оставлена в заполненном раствором состоянии на промежуток времени до 18 часов. Затем был проведен предварительный опыт для установления постоянной производительности с коэффициентом задержания мембран. После этого была выполнена серия основных экспериментов, в течение которых отбирали пробы исходного раствора и пермеата, измеряли объемный расход пермеата, давление, температуру и контролировали расход разделяемого раствора. Анализ растворенных веществ в водной массе осуществляли по бихроматной окисля-емости (ХПК) [5]. Далее рассчитывали удельный поток растворителя по результатам экспериментальных данных, полученных в процессе баромембранного разделения промышленных растворов биохимических производств.

На рисунках 1-4 представлены сравнение расчетных (пунктирная линия) и экспериментальных (сплошная линия) результатов в зависимости от концентрации исходного раствора и вида мембраны.

Рисунок 1. График зависимости удельного потока растворителя от концентрации исходного раствора для мембраны УАМ-150

Рисунок 2. График зависимости удельного потока растворителя от концентрации исходного раствора для мембраны УАМ-200

Рисунок 3. График зависимости удельного потока растворителя от концентрации исходного раствора для мембраны МГА-100

Рисунок 4. График зависимостиудельного потока растворителя от концентрации исходного раствора для мембраны ОПМ-К

В завершение работы необходимо сделать следующие выводы:

• 1.    Проанализирован удельный поток растворителя и математически описан уравнением, основанным на законе Дарси, устанавливающим прямопропорциональную зависимость от движущей силы процесса, концентрации и природы мембраны.

• 2.    При повышении концентрации уменьшается удельный поток растворителя. На ультрафильтрационных мембранах удельный поток растворителя выше, чем на обратно-осмотиче-

• ских мембранах. Данное явление зависит от механизма переноса в ультрафильтрационных и обратноосмотических мембранах.

• 3.    При повышении давления прямо пропорционально увеличивается поток растворителя, и, следовательно, производительность баромембранного разделения растворов. На удельный поток растворителя влияют концентрационная поляризация, гелеобразование и осадкообразование, которые образуются в результате адсорбции на поверхности мембраны растворенных веществ.