Обратный осмос и ультрафильтрация

Обратный осмос - это способ разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ.

Ультрафильтрацией называется процесс разделения, фракционирования и концентрирования растворе] с помощью полупроницаемых мембран.

При ультрафильтрации исходный раствор разделяется на два принципиально новых продукта: низко­молекулярный (фильтрат) и высокомолекулярный (концентрат).

Фильтрат проходит сквозь мембрану и удаляется через дренажную систему, а высокомолекулярный продукт концентрируется.

Примеры: позволяет выделять молочные белки из вторичных продуктов молочной промышленности и ценные вещества из других растворов. Ультрафильтрация заменяет пастеризацию пива. При этом из пивг удаляются бактерии и высокомолекулярные вещества, ухудшающие его качество и снижающие стабильность. Стоимость обработки пива ультрафильтрацией в 2,5 раза ниже, чем пастеризацией. Обратным осмосом концентрируют яичный белок. При этом не происходит денатурирование протеинов и получают яичный белок с содержанием до 30 % протеинов.

Теоретические основы разделения обратным осмосом и ультрафильтрацией

В основе метода разделения растворов обратным осмосом лежит явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор (рис. 1). Если давление над раствором ниже осмотического ( ), то растворитель будет переходить в раствор до достижения осмотического равновесия в системе.

Равновесное состояние наступает, когда гидростатическое давление между раствором и растворителем, определяемое разностью уровней, станет равным осмотическому давлению ( ).

Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое ( ), то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направ­лении. В этом случае будет иметь место обратный осмос. Растворитель, прошедший через мембрану, называют фильтратом.

Дв. с. процесса обратного осмоса является перепад давления \, где — избыточное давление под раствором; — осмотическое давление раствора. Если в процессе обратного осмоса наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества, то при расчете дв. с. следует учитывать осмотическое давление фильтрата , прошедшего через мембрану. Тогда ;.

Для приближенного расчета осмотического давления может быть использована формула Вант -Гоффа:

,

где: - мольная доля растворимого вещества. — газовая постоянная: Т— абсолютная температура раствора, К.

Осмотические давления растворов могут достигать десятков МПа. Давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше осмотического, так как эффективность процесса определяется дв. с. — разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так, при осмотическом давлении морской воды, содержащей 35% солей, равном 2,45 МПа, рабочее давление в опреснительных установках должно составлять около 7,85 МПа.

Ультрафильтрацию применяют при разделении систем, в которых молекулярная масса растворенных в растворителе компонентов значительно превышает молекулярную массу растворителя. При разделении водных растворов ультрафильтрацию используют, когда растворенные компоненты имеют молекулярную массу 500 и выше. Дв. с. ультрафильтрации — разность рабочего и атмосферного Р. Обычно ультрафильтрацию проводят при невысоких Р, равных 0,1... 1,0 МПа.

Ультрафильтрация протекает под действием перепада давления до мембраны и после неё. В зависимости от назначения процесса ультрафильтрации применяют мембраны, которые пропускают рас­творитель и преимущественно низкомолекулярные соединения (при разделении высоко- и низкомолекулярных соединений), растворитель и определенные фракции высокомолекулярных соединений (при фракционировании высокомолекулярных соединений), только растворитель (при концентрировании высокомолекулярных соединений).

Разделение обратным осмосом и ультрафильтрацией происходит без фазовых превращений. Работа (Дж) расходуется на создание давления в жидкости и продавливание ее через мембраны:

где: — р-та на сжатие жидкости, Дж; — р-та на продавливание жидкости через мембрану, Дж.

Так как жидкость несжимаема, величиной обычно пренебрегают. Р-та на продавливание ж-ти:

где — перепад давления на мембране; Н/м²; — объем продавливаемой жидкости м³.

Сравним работы на продавливание 1 м³ воды через мембрану и работу на испарение 1 м³ воды.

В первом случае при давлении р = 4,9 МПа работа на продавливание составляет 4,90 МДж, во втором случае (при г (уд. теплота парообразования)=2260 кДж/кг) она равна 2270 МДж. Из сравнения этих величин видно, что расход энергии на разделение об. ос. значительно ниже, чем на испарение ж-ти.

Разделение методами обратного осмоса и ультрафильтрации принципиально отличается от обычного фильтрования. При обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора: концент­рированный и разбавленный, в то время как при фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке. В процессе обратного осмоса и ультрафильтрации накопление растворенного вещества у поверхности мембраны (вследствие концентрационной поляризации) недопустимо, так как при этом резко снижаются селективность (разделяющая способность) и проницаемость (удельная производительность) мембраны, сокращается срок ее службы.

Селективность (в %) процесса разделения на полупроницаемых мембранах определяется по формуле ( , где и — концентрации растворенного вещества соответственно в исходном растворе и фильтрате. Иногда называют коэффициентом солезадержания.

Проницаемость [в л/м²ч)] при данном давлении выражается соотношением , где — объем фильтрата, л; —рабочая площадь поверхности мембраны, м²; — продолжительность процесса, ч.

Мембраны должны обладать следующими свойствами: высокой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной производительностью (проницаемостью); постоянством своих характеристик в процессе эксплуатации; химической стойкостью в разделяющей среде; механической прочностью; невысокой стоимостью.

На селективность и проницаемость мембран большое влияние оказывает гидратирующая способность ионов. Гидратация заключается в том, что ионы растворенного вещества окружены растворителем и движутся с некоторой его частью, взаимодействующего с ним. Молекулы воды, расположенные в непосредственной близости от ионов растворенного вещества, образуют гидратную оболочку. На поверхности и внутри капилляров мембраны образуется слой связанной воды толщиной физико-механические свойства которой отличаются от характеристик жидкости в объеме.