Глава 6. Прикладная мембранная технология

Промышленное применение мембранных процессов разделения сегодня настолько широко, что какого-либо обобщения сделать невозможно, и мы проведем обзор по отдельным отраслям и производствам. В любом случае надо отметить, что мембранные процессы могут быть использованы при следующих задачах производства:

- получение обессоленной и очищенной воды;

- фракционирование смесей;

- очистка продукта от сопутствующих примесей;

- концентрирование продукта;

- регенерация ценных компонентов для повторного использования;

- холодная стерилизация;

- решение экологических проблем.

Все эти задачи решаются, если правильно выбрать мембранный процесс, подобрать наилучшие мембраны и конструкцию мембранного аппарата, организовать необходимую предварительную обработку исходного сырья, создать оптимальную технологическую схему, где будут минимизированы проблемы поляризации и отложений на мембранах.

Но часто решение можно упростить, если использовать некоторые технологические приемы, значительно интенсифицирующие процесс. Рассмотрим некоторые из них.

6.1. Технологические приемы осуществления мембранных процессов разделения

6.1.1. Диафильтрация

Диафильтрацией называют такой способ проведения баромембранного процесса разделения многокомпонентного раствора, когда одновременно с выводом пермеата в исходный раствор добавляют чистый растворитель. Схема процесса с диафильтрацией представлена на рисунке 6.1.

Рис.6.1. Схема мембранного процесса разделения с диафильтрацией

Исходный раствор, содержащий два компонента А и В, по которым задерживающие способности мембраны резко различаются (R_A>>R_B), постоянно прокачивается через мембранный аппарат. Пермеат, содержащий компонент В, выводится из установки, а концентрат, обогащенный по компоненту А, возвращается в емкость исходного раствора. В нее же добавляется чистая вода в количестве, равном количеству выведенного пермеата. Это позволяет гораздо эффективнее освободить компонент А от компонента В.

Пример 6.1. Исходный раствор объемом 6 м³ содержит белковый компонент (А) с молекулярной массой 65000, концентрация С^о_А = 2,0 г/л, и солевой компонент (В) с молекулярной массой 58, концентрация С^о_В = 5,0 г/л. Необходимо провести концентрирование и обессоливание белкового компонента до концентраций С^к_А = 24 г/л и С^к_В < 0,05 г/л.

Решение. Для концентрирования выбираем полисульфонамидную мембрану УПМ+50 с величиной «cut-off» 50000. Задерживающая способность по белковому компоненту R_А = 0,995 ~ 1,0. При это R_В = 0.

На первом этапе производим концентрирование исходного раствора в 12 раз, до V_К = 0,5 м³. Выход пермеата составил 5,5 м³, концентрация компонентов в нем С^П_А = 0; С^П_В = 5 г/л. В оставшемся в емкости растворе концентрация компонентов будет: С¹_А = 24 г/л, С¹_В = 5 г/л.

На втором этапе добавляем в емкость 5,5 м³ чистой воды. Концентрации компонентов будут: С²_А = 2 г/л, С²_В = 0,42 г/л.

На третьем этапе проводим повторное концентрирование раствора до V_К = 0,5 м³. Концентрация компонентов во втором пермеате С^П_А = 0; С^П_В = 0,42 г/л. В оставшемся в емкости растворе концентрация компонентов С³_А = 24 г/л; С³_В = 0,42 г/л.

На четвертом этапе проводим повторное разбавление концентрата чистой водой. Концентрации компонентов станут С⁴_А = 2 г/л; С⁴_В = 0,035 г/л.

На пятом этапе проводим последнее концентрирование раствора до V_К = 0,5 м³. Концентрация компонентов в третьем пермеате V^П_А = 0; V^П_В = 0,035 г/л. В конечном концентрате С^К_А = 24 г/л; С^К_В = 0,035 г/л.

Соотношение концентраций С_А/С_В; С^о_А/С^о_В = 0,4. С^К_А/С^К_В = 685.

Чаще диафильтрацию проводят в непрерывном режиме, что можно осуществлять с перекрестным или противотоком раствора и растворителя (рис.6.2).

Рис.6.2. Схемы процесса непрерывной диафильтрации

с перекрестным током (а) и противотоком (б) раствора и растворителя

Для достижения равнозначного результата непрерывный процесс требует меньшего количества растворителя, чем периодический, но большего количества мембранных аппаратов. Поскольку R_A ≠ 1 иR_B ≠ 0, расчет процесса диафильтрации усложняется.

Для уменьшения расхода чистой воды процесс диафильтрации обычно проводят с предварительным концентрированием. На рисунке 6.3 изображена блок-схема такого процесса.

Рис. 6.3. Блок-схема процесса очистки и концентрирования продукта

с промежуточной диафильтрацией