Классификация мембранных процессов.

Основные понятия.

Мембранные методы разделения, промышленное применение которых началось в шестидесятых годах нашего столетия, сегодня используются практически во всех отраслях промышленности, особенно перспективно применение мембранных методов в пищевой промышленности, так как они позволяют проводить очистку и концентрирование растворов без подогрева и выпаривания.

Эти методы уже используют для подготовки технологической воды, стабилизации безалкогольных напитков и виноградных вин, концентрирования натуральных соков, пастеризации, извлечения ценных компонентов из технологических стоков различных производств, очистки промышленных стоков и т. д.

Несмотря на ореол новизны, который до сих пор окружает мембранные процессы, справедливость требует отметить, что они были описаны еще в середине XIX столетия. К первооткрывателям мембранных процессов следует отнести немецкого ученого А. Фика, который в 1855 г. создал математическую модель диффузии через искусственную пленку из нитрата целлюлозы. Этот закон, получивший его имя, вы изучали в разделе «Теоретические основы процессов массопередачи». Несколько позже, в 1866г., английский ученый Т. Грэм (Грэхем) опубликовал работу об использовании «коллоидной» перегородки для разделения газов.

Под названием мембранная технология понимают ряд процессов разделения жидких и газообразных смесей с помощью полупроницаемых мембран.

Слово «мембрана» латинского происхождения и переводится как кожица, перегородка. Мы будем называть мембранами фильтрующие перегородки с размерами пор, приближающимися к размеру молекул.

Издавна известны феноменальные способности некоторых растительных и животных клеток накапливать в себе калий. Причем этот процесс идет в условиях, когда концентрация калия в окружающей среде в тысячу раз меньше, чем в клетке, т. е. перенос осуществляется вопреки закону Фика и действующему градиенту концентрации.

Классификация мембранных процессов.

Мембранами могут служить полимерные пленки, тонкие металлические или керамические пластины и даже слой жидкости, пара или газа. Широкое разнообразие материалов для создания мембран, различные по своей природе движущие силы и различные цели процесса разделения предполагают множество различных процессов мембранной технологии. Эти же причины затрудняют саму классификацию мембранных процессов. Мембранные процессы классифицируют по разным признакам. Ограничимся здесь достаточно условной классификацией мембранных процессов на основе среднего разме­ра пор (рис. 2).

Рис. 2. Классификация мембранных процессов

К процессам обычного фильтрования принято относить гидромеханические процессы, не осложненные физико-химическими явлениями. На нашей схеме такие процессы проходят на фильтрующих перегородках с диаметром пор от 1 мкм и более.

Процессы на перегородках с диаметром пор порядка 0,1 до нескольких микрометров принято относить к микрофильтрации. В этих процессах могут отделяться как мельчайшие частицы механической примеси, так и отдельные клеточные организмы и частицы клеток, как, например, дрожжевые клетки в процессах микрофильтрации продуктов брожения. Процессы микрофильтрации осложняются образованием гелеобразных слоев на поверхности фильтрующей перегородки, которую в дальнейшем будем называть микрофильтрационной мембраной. Между гель-слоем и мембраной возникает физическое или физико-химическое взаимодействие, приводящее иногда к полной закупорке пор и прекращению процесса. В каждом случае следует учитывать, что проницаемость гель-слоя во много раз ниже проницаемости самой мембраны и именно она определяет производительность процесса.

Процессы ультрафильтрации выполняют на мембранах со средним диаметром пор от 0,01 до 0,1 мкм, называемых ультрафильтрационными мембранами. В процессах ультрафильтрации разделяют растворы, содержащие крупные молекулы, например молекулы полимеров, в том числе молекулы белков.

Мембраны для процессов обратного осмоса имеют поры, средний диаметр которых не превышает 0,01 мкм. Так как на практике используют обратноосмотические мембраны с размерами пор значительно ниже указанной границы, принято измерять средний диаметр пор в ангстремах.

Процессы микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса осуществляют под избыточным давлением, и поэтому их принято называть баромембранными процессами.

Остается добавить, что приведенные границы размеров пор в действительности весьма условны, поскольку характер процесса в значительной степени зависит и от других факторов. Кроме того, некоторые разные по своей природе процессы осуществляются на мембранах с порами одного размера. Например, процессы испарения через мембрану, диализ и электродиализ, как и обратный осмос, осуществляются на мембранах с порами размером менее 10 нм (100 А).

Особенности и основные характеристики мембранных процессов.Так как в процессах разделения с помощью мембран наблюдается некоторая аналогия с обычным фильтрованием, отметим принципиальные отличия мембранных процессов. В процессе простого фильтрования (рис. 8.5) частицы, содержащиеся в исходной смеси, задерживаются внутри пор фильтрующей перегородки или на ее поверхности с образованием слоя осадка. С течением времени фильтрующая перегородка забивается мелкими частицами и скорость фильтрования падает. Процесс останавливают и фильтрующую перегородку (например, фильтровальный картон) выбрасывают или регенерируют (фильтровальная ткань). В процессах с образованием слоя дополнительно вначале удаляют слой осадка.

Если представить себе мембрану с равномерными порами, то при разделении смеси, содержащей частицы размером большим, чем размер пор, справедливо полагать, что ни одна частица не проникнет в пору и не закупорит ее. Остается позаботиться об удалении образующегося слоя, что может быть достигнуто при перемещении исходного раствора с достаточно высокой скоростью вдоль мембраны. В этом случае мембрана обеспечивает разделение исходной смеси на два потока, один из которых проходит через мембрану (фильтрат), а второй (концентрат) уносит отделяемые компоненты смеси на следующую степень разделения или в сброс.

Основная идея мембранного разделения заключается в создании процесса, эффективно работающего теоретически неограниченное время, т. е. в создании «вечного фильтра», способного задерживать в одних случаях микрочастицы различных примесей, а в других — отдельные молекулы растворенного вещества. То обстоятельство, что существующее в настоящее время оборудование требует периодической замены мембран, свидетельствует лишь о несовершенстве аппаратов и способов организации процессов.

Для всех мембранных процессов характерно накопление у поверхности мембраны частиц (молекул) веществ, которые не проходят через мембрану. Это явление получило название концентрационной поляризации. Образующийся слой часто обладает меньшей проницаемостью, чем сама мембрана. Чтобы разрушить слой, необходимо перемешивать жидкость над поверхностью мембраны. Чем выше скорость (турбулентность) потока, тем меньше влияние концентрационной поляризации. Этим объясняется тот факт, что подавляющее большинство мембранных аппаратов работает в проточном режиме.

Микрофильтрация.Промежуточное положение между обычной фильтрацией и мембранными процессами занимает микрофильтрация. Принято считать, что поры микрофильтрационных мембран имеют средний размер от 0,1 до 10 мкм. Таким образом, применяемые в промышленности некоторые марки фильтровальных картонов по своим характеристикам соответствуют мембранам. В процессах с намывным слоем кизельгура и других мелкодисперсных материалов образуется пористая структура, обеспечивающая микрофильтрацию .

Ультрафильтрация.В процессах ультрафильтрации из исходной смеси отделяют самые мелкие бактерии и сферические вирусы, крупные белковые молекулы и т. п. Эти процессы используют для стерилизации жидких сред.

В отличие от процессов микрофильтрации ультрафильтрация может сопровождаться адсорбцией растворенных веществ на поверхности пор мембраны и даже межмолекулярным взаимодействием.

Обратный осмос.Среди мембранных процессов наиболее распространены процессы обратного осмоса — их применяют при опреснении воды.

Если крепкий раствор соли отделить от слабого раствора полупроницаемой мембраной, то вода немедленно начинает просачиваться сквозь мембрану от слабого раствора к крепкому. Силу, заставляющую воду проникать через микропоры мембраны, называют осмотическим давлением.

Если теперь приложить к сосуду с концентрированным раствором внешнее давление, то перенос воды через мембрану сперва уменьшится, а затем, когда внешнее давление станет равно осмотическому, вообще прекратится. Дальнейшее увеличение давления заставит воду проходить в обратном направлении, т. е. от концентрированного раствора к разбавленному. Это и есть обратный осмос.

Рабочее давление в процессе обратноосмотического разделения должно превышать атмосферное. Поэтому все обратноосмотические процессы, даже для разделения неконцентрированных растворов, характеризуются высоким давлением. Это давление тем больше, чем выше концентрация раствора.

В пищевой промышленности обратный осмос применяют при подготовке технологической воды, при концентрировании термолабильных растворов, в том числе фруктовых и овощных соков.