ПОВЫШЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАН ПРИ РАЗДЕЛЕНИИ ЖИДКИХ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 664.08

Бабенышев С. П., Емельянов С. А., Жидков В. Е., Мамай Д. С., Шапаков Н. А.

Babenyshev S. P., Emelyanov S. A., Zhidkov V. Е., Mamay D. S., Shapakov N. A.

ПОВЫШЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАН

ПРИ РАЗДЕЛЕНИИ ЖИДКИХ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ

ПОЛИДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

INCREASE MEMBRANE PERMEABILITY IN HIGH-LIQUID SEPARATION POLYDISPERSE SYSTEMS

Развитие мембранной техники и технологии открывает новые перспективы применения процесса баро-мембранного разделения для переработки таких жидких высокомолекулярных полидисперсных систем (ЖПВС), как биологически активные клеточные суспензии, молочная сыворотка, сыворотка крови и т. п., то есть везде, где требуется сохранение нативных свойств компонентов системы. Это может дать новый импульс к созданию замкнутых технологических производств, обеспечивающих комплексную переработку сырья животного и растительного происхождения. Вместе с этим необходимо отметить, что исследования мембранного процесса разделения указывают на относительно низкую его эффективность.

Анализ литературных данных и результатов собственных исследований позволяет предложить классификацию основных способов снижения концентрационной поляризации в виде условной схемы. Указанные способы можно разделить на две основные группы:

- связанные с интенсификацией процесса перераспределения частиц дисперсной фазы от поверхности мембраны к центральной оси потока разделяемой дисперсной системы, что позволяет с той или иной степенью эффективности выравнивать их концентрации у поверхности мембраны и в объеме раствора;

- основанные на установлении низкой скорости процесса баромембранного разделения, при которой концентрационная поляризация в примембранной зоне не достигает значительных величин.

Среди способов так называемого активного воздействия на концентрационную поляризацию наиболее простыми являются те, которые предусматривают или увеличение скорости потока разделяемой жидкой полидисперсной системы, или использование аппаратов с узкими мембранными каналами. Однако эта относительная простота часто предусматривает увеличение энергозатрат на проведение процесса баромембранного разделения ЖВПС.

Ключевые слова: баромембранное разделение, проницаемость мембран, жидкие высокомолекулярные полидисперсные системы.

Development of membrane technology and technology opens up new prospects for the application process baromembrane separation for recycling of such liquid macromolecular polydisperse systems (ZHPVS) as biologically active cell suspensions, whey, blood serum, etc., that is, wherever required to preserve the native properties of the components system. This can give new impetus to the creation of closed technological industries, providing comprehensive processing raw materials of animal and vegetable origin. However, it should be noted that studies indicate a membrane separation process at a relatively low efficiency.

Analysis of published data and the results of our research allows us to offer a classification of the main ways to reduce the concentration polarization in the form of conditional scheme. These methods can be divided into two main groups Py:

- Associated with the intensification of the process of redistribution of dispersed particles from the membrane surface to the central flow axis shared disperse system, making it more or less effective ness to align their concentration at the surface of the membrane and in the bulk solution;

- Based on the low speed setting process baromembrane separation at which concentration polarization in the near-membrane zone reaches significant tional units.

Among the methods of so-called active influence on concentration polarization most simple are the ones that provide or increase the flow rate of the liquid shared polydisperse system or the use of devices with narrow membrane channels. However, this relative simplicity often involves increasing energy costs for carrying out the process of separation baromembrane ZHVPS.

Key words: baromembranes separation, membrane permeability, high-liquid polydisperse systems.

Бабенышев Сергей Петрович -

доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения и технологического оборудования

Северо-Кавказский федеральный университет г. Ставрополь Тел.: (8652) 23-39-43 Е-mail: stmemb@yandex.ru

Емельянов Сергей Александрович -

доктор технических наук, начальник отдела аспирантуры и докторантуры профессор кафедры экологии и ландшафтного строительства Ставропольский государственный аграрный университет г. Ставрополь Тел.: (8652) 35-64-98 E-mail: sergemelyan@mail.ru

Babenyshev Sergey Petrovich -

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Technology Engineering and Technological Equipment North-Caucasus Federal University Stavropol

Tel.: (8652) 23-39-43 Е-mail: stmemb@yandex.ru

Emelyanov Sergei Aleksandrovich -

Doctor in Technical Sciences,

Head of Department of Postgraduate Study

Professor of the Department of Ecology and Landscape

Construction

Stavropol State

Agrarian University

Теl.: (928) 810-52-81

Е-mail: sergemelyan@mail.ru

в

№ 4(16), 2014

Жидков Владимир Евдокимович -

доктор технических наук, профессор, ректор

Технологический институт сервиса (филиал)

Донской государственный технический университет

г. Ставрополь

Тел.: 8(8652) 39-69-96

E-mail: mail@stis.su

Агроинженерия

13

Zhidkov Vladimir Evdokimovich -

Doctor in Technical Sciences, Professor, Rector of Technological Institute of Service (branch) of Don State Technical University Stavropol

Tel.: 8(8652) 39-69-96 Е-mail: mail@stis.su

Мамай Дмитрий Сергеевич -

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии машиностроения и технологического оборудования

Северо-Кавказский федеральный университет

г. Ставрополь

Тел.: 8-918-770-27-10

E-mail: dima-mamaj@yandex.ru

Шапаков Николай Андреевич -

аспирант

Технологический институт сервиса (филиал) Донской государственный технический университет г. Ставрополь Тел.: 8(8652) 39-69-96 E-mail: www.brendan@mail.ru

Mamay Dmitry Sergeevich -

PhD in Technical Sciences, Senior Lecturer of Department

of technology engineering and technological equipment

North-Caucasus Federal University

Stavropol

Tel.: 8-918-770-27-10 Е-mail: dima-mamaj@yandex.ru

Shapakov Nicholay Andreevich -

Ph.D. student

Technological Institute of Service (branch) of Don State Technical University Stavropol

Tel.: 8(8652) 39-69-96 Е-mail: www.brendan@mail.ru

Анализ результатов ряда исследований [1-3, 4] указывает на то, что развитие мембранной техники и технологии открывает новые перспективы применения процесса баромембранного разделения для переработки таких ЖПВС, как биологически активные клеточные суспензии, молочная сыворотка, сыворотка крови и т. п., то есть везде, где требуется сохранение нативных свойств компонентов системы [6, 4]. Это может дать новый импульс к созданию замкнутых технологических производств, обеспечивающих комплексную переработку сырья животного и растительного происхождения. Вместе с этим необходимо отметить, что исследования мембранного процесса разделения [2, 3] указывают на относительно низкую его эффективность.

Сложность физико-химического состава компонентов, наличие белковых веществ, входящих в состав технологических жидкостей, используемых в пищевой промышленности, не только усложняют мойку и регенерацию мембран, но и значительно затрудняют сам процесс разделения ЖВПС. В качестве основной причины этого называют явление концентрационной поляризации. В то же время единое мнение относительно механизма формирования этого слоя, а, следовательно, и способа эффективного воздействия на него с целью повышения проницаемости мембраны в настоящее время пока не выработано.

Есть основания [6, 7, 4, 8] полагать, что при недостаточно предварительно очищенном от механических примесей исходном растворе ультрафильтрационная мембрана может выйти из строя в течение нескольких часов. Исследования по проблемам, связанным с загрязнением мембран, в настоящее время ведутся в четырех основных направлениях:

- изучение ЖВПС как объекта баромембранного разделения;

- поиск методов повышения проницаемости мембран путем предварительной обработки разделяемых систем;

- определение гидродинамических условий проведения процесса, способствующих снижению интенсивности концентрационной поляризации;

- разработка способов очистки, мойки и регенерации мембран.

Загрязнение мембран могут вызывать коллоидные и взвешенные частицы, микроорганизмы, органические соединения, а также малорастворимые компоненты разделяемой ЖВПС, которые осаждаются на мембранных поверхностях в процессе ее обработки. Это особенно характерно для процесса баромембранного разделения ЖВПС, в которых дисперсионной средой является вода, при этом степень загрязнения мембран взвешенными и коллоидными частицами зависит от следующих основных факторов:

- концентрация частиц дисперсной фазы в ЖВПС;

- удельное соотношение в разделяемой системе ее основных компонентов;

- величина коэффициентов диффузии этих частиц в дисперсионной среде;

- величина рН разделяемой ЖВПС;

- основные параметры процесса - давление, температура, скорость потока;

- физико-химические свойства материала мембраны.

Анализ результатов кислотно-щелочной мойки ультрафильтрационных мембран УПМ-500 и УПМ-150 показал необходимость её проведения в три этапа [6, 7]:

- мойка с обратным и прямым током;

- обработка дезинфицирующим раствором с неокисляющим составом;

- ополаскивание для удаления остатков моющего и дезинфицирующего растворов.

Однако следует отметить, что в отличие от коллоидных и минеральных веществ биологические отложения удалить гораздо труднее, так как бактерии в процессе своей жизнедеятельности выделяют особое полимерное вещество (состоящее в основном из полисахаридов, протеинов и др.), которое способствует закреплению их на различных поверхностях. Эти внеклеточные вещества, обеспечивающие сохранение и развитие бактерий даже в жестких условиях окружающей среды, защищают их и от воздействия биоцидов. И на мембранных поверхностях образуются целые участки биопленки. За счет создаваемого ею экранирующего эффекта происходит уменьшение рабочей площади мембранной поверхности, что и приводит к уменьшению начальной производительности установок. Предотвратить биологическое загрязнение ультрафильтрационных, особеннополимерных, мембран, используемых для разделения ЖВПС, очень сложно. Традиционные способы дезинфекции баромембран-ного оборудования растворами, содержащими ионы хлора или озона, имеют ряд недостатков. Один из них заключается в том, что некоторые бактерии, а особенно их споры, выживают после обработки этими окислителями или в противном случае становятся источником биогенных веществ для сохранившей жизнеспособность оставшейся части биопленки [3, 7]. В отсутствие конкурентов составляющие ее микроорганизмы более активно размножаются. Кроме того, озон и хлор разлагают гуминовые соединения на более простые составляющие, которые легко усваиваются микроорганизмами, что способствует их биологическому росту. Ввиду того, что часть бактерий и биопленки после обработки биоцидами все-таки остается на поверхности мембраны, то для их удаления необходимо интенсивное гидромеханическое воздействие - организация высокоскоростного циркуляционного потока в мембранном канале аппарата [2, 6]. Следует отметить, что подавляющее большинство ЖВПС в пищевой промышленности, в частности молочная сыворотка, кроме микробиологических загрязнений содержат целый комплекс осадкообра-зующих веществ, в том числе фосфат кальция, окислы железа и коллоидные вещества. Поэтому наличие на мембранной поверхности слоя органических отложений еще не означает, что преимущественно этот вид осадков в большей степени вызывает снижение проницаемости мембран. Тем не менее это дает основания полагать, что проблему мойки и дезинфекции баромембранных аппаратов, ввиду ее сложности, следует выделить в отдельную область исследований.

Ввиду многообразия видов ЖВПС исследования в области разработки методов снижения уровня загрязнения мембран при осуществлении процесса баромембранного разделения ведутся в самых разных направлениях. Среди них следует указать лишь основные:

- изучение влияния параметров процесса (скорости потока, рабочего давления, температуры и т. д.) на проницаемость и селективность мембран;

- разработка оптимальных конструкций ба-ромембранных аппаратов;

- модификация поверхности мембран, позволяющая придать ей отталкивающие свойства в отношении некоторых частиц дисперсной фазы.

Отдельно можно указать на исследования в области предварительной обработки разделяемых систем. Изменения физико-химических свойств компонентов ЖВПС может способствовать снижению интенсивности адсорбционного взаимодействия между частицами дисперсной фазы разделяемой системы и мембраной. Интерес представляют также и нетрадиционные способы снижения интенсивности формирования загрязнений мембран путем изменения гидродинамики потока:

- периодические резкие колебания рабочего давления в канале аппарата;

- изменение прямого направления потока пермеата и (или) концентрата в канале баромембранного аппарата на обратное;

- формирование псевдоожиженного слоя относительно твердых частиц дисперсной фазы в мембранном канале.

Периодическое сбрасывание давления вызывает осмотический поток со стороны пермеата, благодаря которому загрязнения отслаиваются от мембраны. Применение псев-доожиженного слоя особенно эффективно при ультрафильтрации ЖВПС, сопровождающейся гелеобразованием.

Методы очистки мембран можно условно подразделить на четыре основные группы: механические, гидродинамические, химические и физические. Суть механической очистки заключается в воздействии на поверхность мембраны с помощью различных скребковых приспособлений. Этот метод весьма эффективен, но применим обычно только в аппаратах с трубчатыми мембранами. К тому же при этом не всегда удается обеспечить отсутствие эрозионного воздействия на тонкий селективный слой мембраны со стороны рабочих элементов очищающих устройств.

Гидродинамические способы чаще всего предусматривают воздействие на мембрану пульсирующим потоком, промывку напорного канала газожидкостной эмульсией, обратную продувку мембраны (как правило, микрофильтров) сжатым воздухом или обратную промывку пермеатом. Сюда же относится метод, заключающийся в резком сбрасывании давления. При этом загрязнения отслаиваются и вымываются из аппарата потоком пермеата в напорном канале. Гидродинамические способы наиболее просты и дешевы, но при их использовании удаляются только осадки, непрочно связанные с мембраной.

в

№ 4(16), 2014

Агроинженерия

15

Химическая очистка предусматривает промывку мембранного канала различными реактивами, состав которых определяется природой веществ, образовавших осадок. Этот метод сопряжен с расходом химических реагентов и образованием загрязненных сточных вод. Его использование сокращает срок службы большинства мембран, особенно с низкой химической стойкостью.

Физическая очистка происходит при воздействии на мембрану различных полей (электрических, магнитных, ультразвуковых и т. п.). Физическую очистку можно проводить в процессе эксплуатации мембранного аппарата, без его остановки, которая необходима при химической, механической и большинстве способов гидромеханической очистки. Это дает возможность комбинировать ее с другими методами предотвращения формирования загрязнений на поверхности мембран при осуществлении процесса баромембранного разделения.

Предварительная обработка разделяемых ЖВПС [1-3] перед их подачей в мембранный аппарат является важнейшей стадией в схемах, включающих баромембранные процессы. Хотя способы предварительной обработки предусматривают хорошо известные процессы (коагуляции, осаждения, фильтрации и т. д.), выбор их применительно к конкретной задаче мембранного разделения представляет собой серьезную проблему. Это, прежде всего, связано с тем, что при ее решении необходимо учитывать влияние многих факторов - физико-химические свойства ЖВПС, типы аппаратов и марки мембран, условия проведения баромембранно-го процесса и т. п. Соответственно вся система «предочистка ЖВПС - аппарат и условия его работы - очистка мембран от загрязнений» долж-

на проектироваться в такой совокупности, чтобы обеспечить минимальные энергетические затраты на осуществление процесса разделения. Как уже отмечалось, концентрационная поляризация способствует загрязнению мембран, однако этим далеко не исчерпывается ее отрицательное влияние на баромембранные процессы. Именно она в первую очередь определяет изменение важнейших показателей мембран - их проницаемость и селективность. Причем поскольку отношение концентраций частиц дисперсной фазы у поверхности мембраны и в объеме разделяемой дисперсной системы экспоненциально возрастает с увеличением проницаемости, то уровень концентрационной поляризации может явиться фактором, ограничивающим предел величины проницаемости мембран в процессах ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса. Анализ литературных данных и результатов собственных исследований позволяет предложить классификацию основных способов снижения концентрационной поляризации в виде условной схемы (рисунок 1). Указанные способы можно разделить на две основные группы:

- связанные с интенсификацией процесса перераспределения частиц дисперсной фазы от поверхности мембраны к центральной оси потока разделяемой дисперсной системы, что позволяет с той или иной степенью эффективности выравнивать их концентрации у поверхности мембраны и в объеме раствора;

- основанные на установлении низкой скорости процесса баромембранного разделения, при которой концентрационная поляризация в примембранной зоне не достигает значительных величин.

Рисунок 1 - Условная схема классификации способов снижения концентрационной поляризации при баромембранном разделении ЖВПС.

Последние носят, можно сказать, пассивный характер и должны рассматриваться скорее как условия, при которых концентрационная поляризация не оказывает заметного влияния на проницаемость мембран. Среди способов так называемого активного воздействия на концентрационную поляризацию наиболее простыми являются те, ко-

Литература

1. Бабенышев С. П., Евдокимов И. А. Мембранная технология очистки растительного масла // Хранение и переработка сельхозсырья. 2008. № 4. С. 78-80.

2. Бабёнышев С. П., Чернов П. С., Мамай Д. С. Моделирование процесса мембранной фильтрации жидких систем // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 76. С. 484-494.

3. Бабенышев С. П. Научно-технические аспекты совершенствования процесса баромембранного разделения жидких высокомолекулярных полидисперсных систем : дис. ... д-ра техн. наук. Ставрополь, 2007.

4. Бабёнышев С. П., Сергеев С. Ю. Особенности формализации описания потока пермеата молочной сыворотки через на-нопористую среду // Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. № 7. С. 37-39.

5. Бабенышев С. П., Евдокимов И. А. Технологические и экологические предпосылки применения мембранной технологии разделения жидких полидисперсных систем // Масложировая промышленность. 2004. № 4. С. 20.

6. Бабенышев С. П., Витанов Г. А., Скороходов А. Г. Расчет радиальной скорости частицы дисперсной фазы в канале ба-ромембранного аппарата со спиралевидным турбулизатором потока // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 7. С. 7-8.

7. Ультрафильтрация молочного сырья на аппаратах рулонного типа / С. П. Ба-бёнышев, В. Е. Жидков, Д. С. Мамай, В. П. Уткин // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 78. С. 217-226.

8. Лейбензон Л. С. Подземная гидравлика воды, нефти и газа. Гос. науч.-техн. изд-во, 1948. 351 с.

торые предусматривают или увеличение скорости потока разделяемой жидкой полидисперсной системы, или использование аппаратов с узкими мембранными каналами. Однако эта относительная простота часто предусматривает увеличение энергозатрат на проведение процесса баромем-бранного разделения ЖВПС.

1. Babenyshev S. P., Evdokimov I. A. Membrane technology for cleaning oil // Storage and processing of agricultural raw materials. 2008. № 4. P. 78-80.

2. Babenyshev S. P., Chernov P. S., Mamai D. S. Simulation of the process of membrane filtration of liquid systems // Multidisciplinary network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2012. № 76. P. 484-494.

3. Babenyshev S. P. Scientific and technical aspects of improving the separation of liquid baromembrane macromolecular polydisperse systems : dis. ... the doctor tehn. sciences. Stavropol, 2007.

4. Babenyshev S. P., Vitanov G. A., Skoro-hodov A. G. Calculation of the radial velocity of the particles of the dispersed phase in the channel baromembrane apparatus with a spiral baffle flow // Mechanization and electrification of agriculture. 2007. № 7. P. 7-8.

5. Ultrafiltration of raw milk on the devices roll type / S. P. Babёnyshev, V. E. Zhid-kov, D. S. Mamai, V. P. Utkin // Multidisciplinary Network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2012. № 78. P. 217-226.

6. Babenyshev S. P., Evdokimov I. A. Technological and environmental conditions of application of membrane separation technology liquid polydisperse systems // Fats industry. 2004. № 4. P. 20.

7. Babenyshev S. P., Sergeev S. Y. Features formalization of the description of the permeate flow whey through a nanoporous environment // Storage and processing of agricultural raw materials. 2009. № 7. P. 37-39.

8. Leibenzon L. S. Underground water hydraulics, oil and gas : Gos. scientific-technical. Publishing House, 1948. P. 351.