Особенности ультрафильтрационной очистки промышленных растворов крахмало-паточного производства

В агропромышленных производствах при переработке кукурузы на крахмал образуются большие объемы технологических растворов, характеризующиеся содержанием взвешенных веществ, крахмала, белка и солей. Предприятие, специализирующееся на производстве крахмала,

должны помнить о переработке технологических растворов и их последующей утилизации.

Составляющими технологических растворов крахмало-паточных предприятий являются органические загрязнения и соли, которые при попадании в грунт способны засаливать плодородные земли, что в итоге приводит к деградации

растений. По сравнению с технологическими растворами картофеле-крахмального производства, технологические растворы производства кукурузного крахмала характеризуются более высокой общей концентрацией органических веществ и солей, менее кислой реакцией среды.

На предприятиях кукурузно-крахмального производства в процессе получения 1 т крахмала с использованием прямоточных систем водоснабжения расходуется 17,0 м3 технологических вод, в том числе 4,0 м3 производственных, хозяйственно-бытовых – 1,4 м3, остальных условно чистых вод – 11,6 м3, а при повторном использовании технологических вод в процессе производства глюкозы с 1 т глюкозы общее количество вод составляет 260 м3, из них 0,5 м3 – хозяйственно-бытовые, 5,5 м3 – производственные, 254 м3 – условно чистые.

Материалы и методы

В работе были проведены исследования по ультрафильтрационному разделению технологических вод крахмало-паточного производства ОАО Хоботовское предприятие «Крахмалпродукт». Продукцией завода являются сухой кукурузный крахмал и крахмальная патока. Крахмал представляет собой сухой кукурузный глютен и кукурузный зародыш. Исследуемые технологические растворы предприятия являются многокомпонентными и содержат в своем составе крахмал, белок и другие вещества, значительно отличающиеся между собой по физико-химическим свойствам. Поэтому применение для разделения технологических водных систем при использовании ультрафильтрации напрямую, без предварительной очистки, малоэффективно.

Поэтому возникает необходимость в предварительной, специальной обработке промышленных растворов до предельно – допустимых концентраций (ПДК). Также, с помощью предварительной обработки этой системы, возможно, существенно увеличить удельный выходной поток растворителя, очищаемый через ультрафильтрационную мембрану. Биологические фильтры применяют для искусственной (биологической) очистки промышленных растворов и сточных вод, окисляя кислородом, загрязненные сточные воды при помощи микроорганизмов, которые образуют биологическую пленку на поверхности дискового фильтра.

Очистка технологических растворов проводилась с применением биоультрафильтрационной технологии (биофильтрация + ультрафильтрация процесс). Биофильтрация проводилась на пятисекционном каскадно-дисковом биофильтре, с вращающейся биопленкой, где эффективность очистки технологических растворов от органических веществ достигала до 98%.

Исследования процесса разделения исследуемого раствора осуществлялись на ультрафильтрационной установке с мембранами УАМ-150, УАМ-200, УПМ-К [1,2], представленной в работе.

Экспериментальные данные по ультрафильтрационному разделению технологических растворов крахмало-паточного производства приведены в таблице 1. При проведении экспериментальных исследований скорость течения раствора в межмембранном канале составляла 0,25 м/с, рабочая площадь мембран – 0,0078 м², время эксперимента – 3600 с, при фиксированном значении трансмембранного давления – 0,4 МПа. В процессе выполнения экспериментальных исследований проводился отбор проб пермеата и ретентата на анализ, измерялся объем пермеата и контролировалось трансмембранное давление и температура раствора. Общую концентрацию веществ в технологических растворах определяли по бихроматной окисляемости (ХПК) [3].

Таблица 1.

Экспериментальные и расчетные данные ультрафильтрационного разделения технологических растворов крахмало-паточных производств

Table 1.

Experimental and calculated data of ultrafiltration separation of technological solutions of starch and treacle productions

Тип мембраны Membrane type	С исх , кг/м 3 C in , kg/m 3	Ультрафильтрация / Ultrafiltration
		С пер ,кг/м 3 C p , kg/m 3	V . 10 3 , м 3 m 3	R, %	J. 10 6 , м 3 /м 2 с m 3 / m 2 s
УПМ-КUPM-K	2,20	1,16	0,442	47,3	15,7
	2,71	1,46	0,437	46,1	15,6
	2,84	1,56	0,432	45,1	15,4
	2,98	1,68	0,429	43,6	15,3
УАМ-150 UAM-150	2,20	1,00	0,165	54,4	5,90
	2,71	1,29	0,159	52,4	5,70
	2,84	1,38	0,155	51,4	5,50
	2,98	1,45	0,152	51,3	5,20
УАМ-200 UAM-200	2,20	1,19	0,199	45,9	7,10
	2,71	1,57	0,195	42,1	6,90
	2,84	1,63	0,193	42,6	6,80
	2,98	1,77	0,188	40,6	6,70

Удельный выходной поток определяется по следующей зависимости [2]:

J =

V

F ⋅ τ

м

где V – объем пермеата, м³; τ – время проведения эксперимента, с; F м – рабочая площадь мембраны, м².

Величину коэффициента задержания исследуемых мембран рассчитывали по формуле:

C

R = (1 - ^пер ) ⋅ 100% ,            (2)

Cисх где Cпер , Cисх – концентрация растворенного вещества в пермеате и исходном растворе соответственно, кг/м3.

Результаты и обсуждение

На рисунка х 1 и 2 представлены зависимости коэффициента задержания и удельного выходного потока от концентрации растворенных веществ в разделяемом растворе при ультрафильтрационном разделении технологических растворов крахмалопаточных производств.

Уменьшение коэффициента задержания по мере роста концентрации растворенных веществ в разделяемом растворе (рисунок 1) связано, вероятно, с образованием диффузионных пограничных слоев и уменьшением доли воды в активном слое и поровом пространстве ультрафильтрационной мембраны [4–7].

Рисунок 1. Зависимость коэффициента задержания ультрафильтрационных мембран от концентрации растворенных веществ в разделяемом растворе: 1, 2 – УПМ-К; 3, 4 – УАМ-150; 5, 6 – УАМ-200; 1, 3, 5 – эксперимент; 2, 4, 6 – расчет

Figure 1. Dependence of detention coefficient of ultrafiltration membranes on concentration of the dissolved substances in the divided solution: 1, 2 – UPM-K; 3, 4 – UAM-150; 5, 6 – UAM-200; 1, 3, 5 – experiment; 2, 4, 6 – calculation

Из рисунка 2 видно, что наибольшим удельным выходным потоком пермеата обладает полиамидная мембраны вида УПМ-К в отличие от ацетатцеллюлозных мембран типа УАМ-200 и УАМ-150. Определяющими факторами, по нашемумнению, являются толщина активного слоя мембраны, доля аморфных и кристаллических областей, размер пор и особенности их распределения по рабочей поверхности мембран. С ростом концентрации растворенных веществ в разделяемом растворе уменьшается удельный выходной поток пермеата, что объясняется возрастанием вязкости раствора и повышением осмотического давления раствора при его концентрировании.

/•10*. м3/м2с mWs

2       2.2     2.4     2.6     2.8      3      3.2

С. кг/м³ kg/m³

Рисунок 2. Зависимость удельного выходного потока пермеата ультрафильтрационных мембран от концентрации растворенных веществ в разделяемом растворе: 1,2 – УПМ-К; 3, 4 – УАМ-150; 5, 6 – УАМ-200; 1, 3, 5 – эксперимент; 2, 4, 6 – расчет

Figure 2. Dependence of specific output stream of permeate of ultrafiltration membranes on concentration of dissolved substances in the separated solution: 1 – UPM-K; 2 – UAM-150; 5, 6 – UAM-200; 1, 3, 5 – experiment; 2, 4, 6 – calculation

При анализе экспериментальных данных в качестве дополнения модельных представлений, описывающих закономерности переноса растворенных веществ и растворителя, на рисунка х1 и 2 приведено сравнение экспериментальных и расчетных значений по коэффициенту задержания и удельному выходному потоку. Отклонение экспериментальных от расчетных значений исследуемых параметров составляет не более 5% (см. таблицы 2 и 3) .

Таблица 2.

Сравнение экспериментальных и расчетных данных по коэффициенту задержания мембран

Table 2.

Comparison of experimental and calculated data on membrane retention factor

Тип мембраны Membrane type	С исх , мг/л C in , mg/L	R ,%		Погрешность, % Inaccuracy, %
		Эксперимент Experiment	Расчет Calculation
УПМ-К UPM-K	2,2	47,3	47,04	0,550
	2,71	46,1	46,06	0,087
	2,84	45,1	45,04	0,133
	2,98	43,6	43,65	-0,115
УАМ-150 UAM-150	2,2	54,4	54,63	-0,423
	2,71	52,4	52,56	-0,305
	2,84	51,4	51,32	0,156
	2,98	51,3	50,35	1,852
УАМ-200 UAM-200	2,2	45,9	44,99	1,983
	2,71	42,1	42,27	-0,404
	2,84	42,6	43,35	-1,761
	2,98	40,6	42,27	-4,113

Таблица 3.

Сравнение экспериментальных и расчетных данных по удельному выходному потоку

Table 3.

Comparison of experimental and calculated data on the specific output flow

Тип мембраны Membrane type	С исх , мг/л C in , mg/L	J , м3/м2с m3/ m2s		Погрешность, % Inaccuracy, %
		Эксперимент Experiment	Расчет Calculation
УПМ-К UPM-K	2,2	15,7	15,86	-0,999%
	2,71	15,6	15,65	-0,331%
	2,84	15,4	15,45	-0,311%
	2,98	15,3	15,24	0,365%
УАМ-150 UAM-150	2,2	5,9	5,87	0,425%
	2,71	5,7	5,71	-0,173%
	2,84	5,5	5,54	-0,775%
	2,98	5,2	5,37	-3,372%
УАМ-200 UAM-200	2,2	7,1	7,24	-1,938%
	2,71	6,9	6,97	-1,047%
	2,84	6,8	6,73	1,089%
	2,98	6,7	6,48	3,289%

Теоретический расчет коэффициента за-

держания мембран проводится по формуле:

где k 1 , k 2 , k 3 – эмпирические коэффициенты.

Значения эмпирических коэффициентов формулы (3) для расчета коэффициента задержания приведены в таблице 4

Таблица 4.

Значения эмпирических коэффициентов для формулы (3)

Table 4.

Values of empirical coefficients for the formula (3)

Мембрана Membrane	k 1	k 2	k 3
УПМ-К	6,8×10-3	10 -9	10 -2
УАМ-150	2,18×10-3	1,2×10-9	10-3
УАМ-200	1,3×10-3	4,5×10-9	2,65×10-1

Теоретический расчет удельного выходного потока проводится по формуле (4):

J = £(Др - (5 exp (л С_нсх) exp( AIT)))     (4)

где В, n, А – эмпирические коэффициенты.

Значения эмпирических коэффициентов для расчета удельного выходного потока приведены в таблице 5

Таблица 5.

Значения эмпирических коэффициентов для формулы (4)

Table 5.

Values of empirical coefficients for the formula (4)

Мембрана Membrane	В	n	А
УПМ-К	-6,8×10-3	-1,5×10-2	2,91×10-1
УАМ-150	6,5×10-2	-5×10-3	5×10-3
УАМ-200	-9×10-2	-4×10-2	-3,2×10-1

На рисунке 3 представлена технологическая схема, на основе которой были проведены исследования по ультрафильтрационной очистке технологических растворов крахмало-паточного производства. Составными элементами схемы являются: емкость с исходным раствором, фильтр для предварительной очистки сточных вод, насос, каскадно-дисковый биофильтр, емкость с раствором после биофильтрования, каскад ультрафильтрационных аппаратов для разделения раствора, адсорбционная колонна, а также линия рециркуляции ретентата.

Рисунок 3. Технологическая схема очистки промышленных растворов крахмало-паточных производств биоультрафильтрационным методом

Figure 3. Technological scheme of purification of industrial solutions of starch-treacle productions by bio ultrafiltration method

Основным элементом схемы очистки являются разделительные плоскокамерные ультрафильтрационные аппараты, в которых расположены активным слоем к разделяемому раствору полупроницаемые мембраны. Простота самой технологии изготовления плоскокамерных аппаратов является неоспоримым достоинством предложенного способа очистки. Целесообразность применения этих аппаратов заключается в том, что потребитель может самостоятельно проводить выбор оптимального типа мембран. В представленной установке можно использовать мембраны разных типов и в процессе оценочного эксперимента установить, насколько они соответствуют наиболее важным технологическим параметрам процесса (удельный выходной