Описание технологического процесса

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

Ультрафильтрация это процесс разделения, фракционирования и концентрирования растворов с помощью полупроницаемых мембран. При этом жидкость непрерывно подается в пространство над мембраной под давлением 0,1 1,0 МПа. При ультрафильтрации исходный раствор разделяется на два принципиально новых продукта низкомолекулярный фильтрат и высокомолекулярный.

Фильтрат проходит сквозь мембрану и удаляется через дренажную систему, а высокомолекулярный продукт коннцентрируется. Ультрафильтрация позволяет выделять молочные белки из вторичных продуктов молочной промышленности и ценные вещества из других пищевых растворов, получать дополнительные резервы производства продуктов питания. 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 р л, то Рис. 1. Схема разделения раствора обратным осмосом 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 р л. Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое р л, то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направлении. В этом случае будет иметь место обратный осмос.

Растворитель, прошедший через мембрану, называют фильтратом. 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. Движущая сила ультрафильтрации разность рабочего атмосферного давлений. Обычно ультрафильтрацию проводят при невысоких давлениях, равных 0,1 1,0 МПа. Ультрафильтрация протекает под действием перепада давления до мембраны и после нее. В зависимости от назначения процесса ультрафильтрации применяют мембраны, которые пропускают растворитель и преимущественно низкомолекулярные соединения при разделении высоко- и низкомолекулярных соединений, только растворитель и определенные фракции высокомолекулярных соединений, при фракционировании высокомолекулярных соединений, только растворитель при концентрировании высокомолекулярных соединений.

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 и проницаемость мембран это наиболее важные технологические свойства их. Мембраны должны обладать следующими свойствами высоко-разделяющей способностью селективностью высокой удельной производительностью проницаемостью постоянством своих характеристик в процессе эксплуатации химической стойкостью и разделяющей среде механической прочностью невысокой стоимостью.

Мембраны изготовляют из различных материалов полимерных пленок, стекла металлической фольги и т. д. Наиболее распространены мембраны из полимерных пленок. Полупроницаемые мембраны бывают пористыми и непористыми. Через непористые мембраны растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентрации в результате молекулярной диффузии.

Поэтому эти мембраны называют диффузионными. Для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации применяют пористые мембраны, изготовляемые в основном из полимерных материалов. Полимерные мембраны могут быть анизотропными и изотропными. Предложено несколько моделей механизма разделения растворов. Согласно капиллярно-фильтрационной модели механизма полупроницаемости, предложенной Ю. И. Дытнерским, очень большое влияние на процесс разделения растворов неорганических и органических веществ оказывает поверхностный слой жидкости.

В зоне контакта жидкости и мембраны действуют поверхностные силы прилипания, поверхностного натяжения и молекулярного притяжения. Поэтому физико-химические свойства пограничного слоя жидкости у мембраны могут значительно отличаться от ее физико-химических свойств в объеме. С уменьшением толщины пограничного слоя эти различия возрастают. 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, взаимодействующей с ним. Молекулы воды, расположенные в непосредственной близости от ионов растворенного вещества, образуют гидратную оболочку. На поверхности и внутри капилляров лиофильной мембраны образуется слой связанной воды толщиной уг, физико-химические свойства которой отличаются от характеристик жидкости в объеме.

Наличие связанной воды в капиллярах мембраны является основной причиной непроходимости через мембрану молекул растворенных веществ, которые не растворяются в связанной воде. Если диаметр капилляра мембраны d 2угdг.и. где d диаметр гидратированного иона, через такой капилляр будет проходить преимущественно только вода рис. 2 Однако, мембраны имеют капилляры различного размера, а связанная вода все же растворяет неорганические соли, поэтому селективность мембран будет ниже 100 . Рис. 2. К объяснению механизма разделения полупроницаемой мембраной Исходя из капиллярно-фильтрационной модели, явление обратного осмоса можно представить следующим образом на поверхности и внутри капилляров гидрофильной полупроницаемой мембраны образуется слой связанной воды. Ионы солей в растворе при своем тепловом движении захватывают воду у поверхности мембран, образуя гидратные оболочки, и переносят ее таким образом в объем раствора.

Снижение концентрации воды у поверхности мембраны, обращенной к раствору, компенсируется переходом чистой воды через мембрану.

Такой переход будет происходить до тех пор, пока силы, определяемые притяжением молекул воды к ионам, не будут уравновешены силами гидростатического давления со стороны раствора. Масло Цельное молоко Сепарирование Сточные воды Концентрат Обратный осмос лактозы Ультрафильтрация Фильтрат Концентрат обезжиренного молока Обогащение Производство Производство Производство молока сыров кисломолочных мороженого протеином продуктов и творога Рис. 3. Схема переработки молока Схема переработки молока с получением основных молочных продуктов представлена на рис. 1. Основными технологическими стадиями являются сепарирование молока с получением масла, ультрафильтрация обезжиренного молока и обратный осмос.

Из концентрата обезжиренного молока получают ассортимент молочных продуктов. Использование мембранных аппаратов при переработке молока позволяет также решить проблему очистки сточных вод. 4.