§8 Процесс фильтрации растворов методом мембранной технологии.

Наиболее эффективные методы фильтрации, концентрирования и разделения различных растворов и жидких пищевых продуктов, обеспечивающие высокое качество, являются методы мембранной технологии.

Сущность процесса заключается в следующем: через специальные приборы (из специальных пористых полунепроницаемых материалов) под давлением пропускают жидкий раствор. Пары, размерами меньше чем частицы в растворе, задерживают их. В зависимости от размеров пор и рабочего давления мембранные технологии делят на:

1. обычная (классическая)- диаметр пор больше или равен 10 мкм, изменение рабочего давления меньше 0,06 МПа.

2. микрофильтрация- диаметр пор 0,1..10 мкм, изменение рабочего давления 0,06..0,1МПа.

3. ультрафильтрация- диаметр пор 3..100 нм, изменение рабочего давления 0,1..2 МПа.

4. обратный осмос- диаметр пор меньше или равен 3 нм, изменение рабочего давления 2..25 МПа.

Сферы применения мембранной технологии: осветление сока, молока, очистка крови, кисломолочных продуктов, рассола, деминерализация, биотехнологии, очистка сточных вод, выделение сыворотки белка.

Исходный раствор

Концентрат мембраны

Насосная станция

фильтрат

Под влиянием давления молекулы жидкости и некоторые растворенные вещества проникают через мембрану, в результате исходная жидкость разделяется на фильтрат и концентрат.

Для определения режима мембранной технологии рассмотрим более подробно эти технологии:

Чистый раствор

Раствор соли

Полностью проницаемая мембрана

емкость

В сосуде с перегородкой из полностью проницаемой мембраны находится раствор и чистый растворитель отдельно. Растворы могут ходить туда-сюда, происходят диффузионные процессы в обоих направлениях (т.е. чистый растворитель будет протекать в сторону раствора, а раствор - наоборот). Процесс будет продолжаться до достижения равновесия концентрации.

Если использовать полупроницаемые мембраны (которые пропускают растворитель, но задерживают растворенное вещество вследствие малого размера пор), тогда диффузия раствора в растворитель практически прекратится, и диффузионный процесс будет иметь односторонний характер.

При этом растворитель, перетекающий в сосуд с раствором, будет повышать давление в нем и поднимать раствор по пьезометрической трубке. Этот процесс называется осмосом, а возникающий избыток давления - осмотическое давление.

h

Пьезометр трубка

Полупроницаемая мембрана

Раствор

Растворитель

Процесс этот называется «осмос», а возникающий избыток давления – осмотическим давлением, равное гидростатическому или пьезометрическому.

где

ρ – плотность раствора;

h- высота столба жидкости пьезометрической трубки.

Осмотическое давление способствует протеканию жидкости в сторону раствора. При этом по мере снижения концентрации вещества в растворе, осмотическое давление будет уменьшаться.

Рассмотрим обратный процесс, т.е. перетекание растворителя из большей концентрации в меньшую.

Для этого в сосуде с раствором необходимо большее давление, чем осмотическое.

Р=+

обеспечивает разделение раствора (перетекание растворителя через полупроницаемую мембрану).

Осмотическое давление имеет высокие численные значения, следовательно для разделения растворов необходимо создавать достаточно большие давления. Для практической оценки осмотического давления можно использовать выражение в зависимости от концентрации и температуры раствора:

(1)

Где С- концентрация молярно-бъемная

R- универсальная газовая постоянная

Т- температура

Формула (1) приближенная, но позволяет рассчитать величину Росм для практических целей. Формула используется для всех растворов, независимо от характера и среды растворов.

Концентрация рассчитывается по формуле:

С= м/МV (2)

Где м- масса раствора

М- масса 1 грамм на моль вещества

= 1000мRT/MV

При повышении концентрации вещества в растворе интенсивность процесса разделения снижается. Тем не менее процессы мембранной технологии энергосберегающие. Процесс опреснения морской воды:

1. Вымораживание 28 ;

2. Выпаривание 30 МДж;

3. Мембранная технология 13-15 МДж.