5. Мембранні елементи і установки з капілярними мембранами

Як випливає з першої теорії міцності, з основного рівняння безпечної експлуатації деталей у формі циліндра, з_ст=(РК/сЗ)£ [з'_т 1 при зменшенні радіуса К. трубчастої мембрани можна прямопропорційно збільшувати тиск Р розділюваного розчину. Для полімерних матеріалів, з яких виготовляються мембрани (ацетати целюлози, полісульфон, поліаміди і тощо), це співвідношення може бути таким: зовнішній діаметр 50...250мкм, товщина стінки d=10...50мкм; зовнішній діаметр 800...2000мкм, товщина стінки d=50...200мкм. При таких співвідношеннях між радіусом і товщиною капілярної мембрани забезпечується характерний тиск розділюваного розчину при його подачі в середину капіляра: для процесів ультрафільтрації - Р£ 0,4МПа, для процесів зворотного осмосу - Р£ 6МПа. Таке зменшення діаметра трубчастої мембрани до діаметра капіляра, який без дренажної основи витримує тиск, необхідний для проведення процесів зворотного осмосу, ультрафільтрації тощо, значно підвищує технологічність її виготовлення та надійність експлуатації. Питома поверхня мембран у капілярному модулі на порадок більша, ніж в рулонних фільтрувальних елементах, на два порядки більша, ніж у трубчастих фільтрувальних елементах і досягає 20000м²/м³.

Фільтрувальні елементи з капілярними мембранами поділяються за способом подачі розділюваного розчину: на елементи з подачею розчину всередину волокон (процеси ультрафільтрації) і в міжволоконний простір елемента з центральним розподілювальним колектором, на який навивається пучок волокон (процеси зворотного осмосу та нанофільтрації). За способом розташування волокон в елементах з центральним колектором, останні поділяються на елементи з укладанням волокон- капілярів вздовж колектора і ІІ-подібним розташуванням капілярів.

Ультрафільтрувальний елемент марки АР з подачею розчину в середину волокон з ароматичного поліаміду С2-В зображено на рис. 11.22.

Приблизно 1000 волокон-капілярів 2 (для фільтрувального елемента марки АР-2) у вигляді пучка довжиною їм вставляються в корпус 3 і з обох кінців заливаються епоксидним компаундом. Утворений таким чином блок розрізається по краях корпуса З в площинах, перпендикулярних осі елемента, з утворенням вхідного та вихід ного колекторів для подачі розділюваного розчину І та виведення концентрату П. У процесі ультрафільтрації розчинник та низькомолекулярні розчинені речовини проходять крізь стінку капіляра-мембрани, заповнюють пустоти між капілярами і внутрішньою поверхнею корпуса і як пермеат ІП виводяться через верхній боковий ішуцер 1 фільтрувального елемента. Через нижній боковий штуцер 4 видаляється залишок пермеату після циклу концентрування і подається розчин для миття і дезинфікації дренажної камери фільтрувального елемента. Технічна характеристика упьтрафільтраційних елементів марки АР наведенав табл. 11.2.

Таблиця 11.2.

Марка елемента	Загальна площа поверхні капілярних мембран, м2	Габаритні розміри елемента (довжина, діаметр), мм	Продуктивність елемента за дистильованою водою при температурі 20°С і тиску 0,1 МПа, л/год
АР-0,05	0.05	310x27	2,3...6,6
АР-0,1	0.1	320x45	4,7... 13,0
АР-0,2	0.2	510x45	9,5...26,5
АР-1	1.0	580X86	47... 132
АР-2	2.0	1000x86	94...265

Кожен елемент може бути екепірований капілярними мембранами з затримуючою здатністю за білком-калібрантом 15000Да,50000Да і 100000Да.

На основі цих елементів були розроблені лабораторні та пілотні ультрафільтраційні установки.

НВП "Філтокон'' УДУХТ розроблено пілотну ультрафільтраційну установку УФМ-1/60П, ультрафільтраційний блок якої складається з 3-х паралельно з'єднаних фільтрувальних елементів марки АР-2,0 (рис. 11.23). Установка дозволяє очищати від колоїдно-диспергованої фази і низькомолекулярного комплексу розчини білків, ферментів, пектинів, желатинів тощо і призначена для відпрацювання технологічних режимів очищення і концентрування цих розчинів і напрацювання дослідно- промислових партій таких продуктів.

Початковий розчин із реактора 3 насосом 5 подається в мікрофільтраційні елементи 2, які екіпіровані мембранами з розміром пор 0,2мкм, де повністю очищається від колоїдно-диспергованої фази і поступає в реактор 4. Після цього реактор З промивається і дезинфікується, а насос 5 переключається на ультрафільтраційний блок, який складається з елементів 1.

Під час процесу ультрафільтрації високомолекулярні речовини концентруються і залишаються в розділюваному розчині реактора 4, а розчинник і низькомолекулярні сполуки, які пройшли крізь капілярну мембрану з затримуючою здатністю 15000Да, повертаються в реактор 3. В кінці технологічного процесу одержується два продукти: концентрат високомолекулярних речовин в реакторі 4 і розчин низькомолекулярних речовин в реакторі 3, які направляються на подальше перероблення чи використовуються як готові продукти.

НВП "Філтокон" УДУХТ розроблено також промисловий модуль для концентрування і очищення розчинів високомолекулярних сполук у харчовій та інших галузях промисловості, який складається з шести паралельно з'єднаних фільтрувальних елементів UFTA-1,5.

Фільтрувальний елемент UFTA-1,5 складається з 350 паралельно з'єднаних капілярних мембран РSF-30-1,2 на основі полісульфону з внутрішнім діаметром 1,2

мм і відсікаючою здатністю за білком-калібрантом 30000 Да.

Технічна характеристика ультрафільтраційного модуля МКМ-9,0 на основі фільтрувальних елементів UFTA-1,5 подана в табл. 11.3.

Таблиця 11.3.

Продуктивність за знесоленою водою при тиску 0,22 МПа і температурі 30°С, м3/год , не менше	1,8
Продуктивність за пермеатом желатинового розчину (бульйону) при тиску 0,1 МПа і температурі 50°С, м3/год, не менше	0,1
Робоча поверхня мембран, м2	9,0
Об'єм гідросистеми модуля, м3	0,0024
Тиск, МПа : -на вході в модуль -на виході з модуля	0,3 0,05
Температура розділюваного розчину, "С , не більше	70
Діапазон рН розділюваного розчину	2...12
Габаритні розміри, мм	400x400x1500
Маса, кг	100

Для опріснення солоних вод методом зворотного осмосу найбільш розповсюджені фільтрувальні елементи з центральним розподільчим колектором, який подає воду в міжволоконний простір.

У цих елементах застосовуються капілярні волокна-мембрани на основі ароматичного поліаміду. Капілярні волокна розташовуються паралельно до центральної розподільної трубки-колектора 1 на шар нетканого матеріалу , який обгортається навколо колектора в процесі виготовлення елемента разом з пучком волокон (рис. 11.24).

Ц-подібні волокна-мембрани 6 фіксуються в епоксидних блоках (рис. 11.24), а кінці в одному блоці 2 відкриті для видалення пермеату III. Пучок волокон з блоками 2,8 і центральною трубкою-колектором розташовують у склопластиковому корпусі 7, закриваються кришками 5 і 9, які фіксуються в корпусі пружинними шайбами 4 .Між блоком 8, в якому не фіксуються відкриті кінці волокон, і корпусом 7 є зазор для витікання концентрату. Кришка 5, яка утримує пористий диск 3, призначений для рівномірного збирання пермеату, має отвір для видалення останнього.

Солона вода І під тиском 2,8…5,6МПа подаєгься в трубку-колектор 1,через отвори в стінці якого поступає в міжволоконний простір. Крізь стінку волокна мембрани відбувається селективне розділення цієї води і в середину волокна поступає вже прісна вода-пермеат ІП, яка витікає через пористий диск 3 і центральний отвір в кришці 5 з елемента. Соляний концентрат II через зазор між епоксидним блоком і корпусом елемента і отвір в кришці 9 виводиться з фільтрувального елемента.

Основні технічні характеристики фільтрувальних елементів наведені в табл.11.4.

Фільтрувальні елементи В-9, НR і 4,5К можуть застосовуватися для опріснення солонуватих вод тому, що селективність капілярних мембран у Всі типи мембранних елементів, модулів, апаратів та установок на їх основі, які були розглянуті в цьому розділі, використовувались для опріснення морської і солонуватих вод. Сьогодні сфера застосування цього обладнання поширюється на більшість галузей промисловості: хімічну, харчову, мікробіологічну, фармацевтичну тощо. При проектуванні нових виробництв вже закладаються окремі відділення, цехи для концентрування желатинів, пектинів, ферментних препаратів, молочних білків; будуються виробництва для одержання ультрачистої води, стерильних розчинів та станції для очищення стічних вод. У міру вдосконалення властивостей полімерних мембран і відповідного обладнання для процесів зворотного осмосу, нано-, ультра- та мікрофільтрування, первапорації і мембранної дистиляції, сфери застосування цих процесів будуть поглиблюватися та поширюватися.

Таблиця11.4.

Тип і марка	Його	Продуктив-­	Селек­	Режим випробувань
фільтрувального­	довжина і	ність за	тивність
елемента	діаметр,	прісною водою,	за сіллю,	Р,	с,	α*
	мм	м3/добу	%	МПа	г/л
В-9,0410	440x102	5,3 ,	90	2.8	1,5	0,25
В-9 ,0420	640x102	9,1	-II-	-II-	-II-	-II-
В-9 ,0440	1190x102	15.9	-II-	-II-	-II-	-II-
В-9 ,0,840	1220x203	60,6	-II-	-II-	-II-	-II-
В-9,0,840Н	890x203	60,6	-II-	-II-	-II-	-II-
В-9,0,040	1350x254	94,6	-II-	-II-	-II-	-II-
В-9 ,0,040К	890x254	94,6	-II-	-II-	-II-	-II-
В-10,6410	490x102	0,95	98,5	5.6	30,0	0,7
В-10 ,6440	1220x102	6,0	-II-	-II-	-II-	-II-
В-10 ,6840	1500x203	24,0	-II-	-II-	-II-	-II-
В-10 ,6840К	990x203	24,0	-II-	-II-	-II-	-II-
В-10,6840Т	1500x203	19,0	-II-	-II-	-II-	-II-
В-10, 6840ТК.	990x203	19,0	-II	-II-	-II-	-II-
НК-3110	420x90	0,3	90	1,0	0,5	0,9
НК-5110	420x140	1,0	-II-	1.0	0,5	0,9
НК-5230	840x150	9,0	-II-	3.0	1,5	0,25
НК.-5330	1240x150	15,0	-II	3.0	1,5	0,25
4,5К	1220x159	17,0	>92	1.8	1,5	0,25

цих елементах складає 90...92%,