CC BY
57
УДК 66.067.38 661 515
УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ КРАХМАЛЬНО-ПАТОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
© В.Л. Головашин, С.И. Лазарев
Ключевые слова: улмрафнльтрация; мембрана; коэффициент задержания.
Проведены исследования по определению разделительных характеристик ультрафилырационных мембран УЛМ-150 и УПМ-К в зависимости от- концентрации исходного раствора Выявлено, что с повышением концентрации коэффициент задержания уменьшается.
ВВЕДЕНИЕ
При производстве крахмала из картофеля и кукурузы образуется ценный продукт - крахмальная патока [1], которую необходимо сконцентрировать и в дальнейшем утилизировать. Для решения данной задачи концентрирования был использован один из баромем-бранных методов - ультрафильтрация. Задачей исследований являлось изучение влияния концентрации на коэффициент задержания ультрафильтрационных мембран при очистке патоки от растворенных веществ, с последующим использованием продуктов разделения во вторичных производствах. Коэффициент задержания является важной кинетической характеристикой процесса ультрафильтрациопного разделения, зависящим от множества параметров: физико-химических свойств растворов и мембран, гидродинамической обстановки над мембраной и ряда других [2]. Коэффициент задержания необходим для проектирования и математического описания ультрафильтрационных аппаратов, а также для анализа эксплуатации ультрафильтрационного оборудования. Коэффициент задержания зачастую можно определить только экспериментальным путем, т. к. в расчетные формулы входят величины, плохо поддающиеся прогнозированию и математическому моделированию [3].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Экспериментальные исследования проводились на мембранной разделительной установке трубчатого типа с использованием ультрафильтрационных ацетат-целлюлозных (УАМ-150) и полисульфонамидных (УПМ-К) мембран (рис. 1).
Установка работает следующим образом. Из расходной емкости (1) через систему вентилей высокого давления рабочий раствор нагнетается в камеру разделения плунжерным насосом (2). Пройдя трубчатый модуль (3), дроссель (5), разделяемый раствор по шлангу возвращается в расходную емкость (1). Для сглаживания пульсации давления и расхода в системе установлены ресиверы (6), которые представляюг собой цилиндрические сварные сосуды (V, = 3,5 л;
= 8 л), предварительно заполненные сжатым возду-
хом до давления, составляющего ЗСМ-40 % от рабочего, компрессором высокого давления (9).
Давление в установке контролируется образцовым манометром (7). Кроме измерительного манометра в установке используется электроконтактный манометр (8), который при превышении давления в системе выше установленного значения отключает плунжерный насос (2) с помощью электроконтактного реле. Расход раствора контролируется и регулируется шаровым расходомером (4), подключенным ко вторичному прибору, путем изменения частоты вращения вала привода плунжерного насоса (2). Все элементы установки, соприкасающиеся с исследуемыми растворами, изготовлены из нержавеющей стали.
Эксперименты по определению коэффициента задержания мембран проводились по нижеизложенной методике. В ультрафильтрационный модуль (3) вставлялась и закреплялась трубчатая мембрана. Затем систему заполняли рабочим раствором. Проводили холостой опыт в течение 30 минут. Затем выключали установку, сбрасывали давление в системе. При этом но тракту ретентата установка работала в замкнутом режиме, и оставляли установку на несколько часов (обычно на ночь). После ночной выдержки раствор
установки фубчатого типа
сливали из установки, перемешивали и заливали в емкость {!}. Запускали установку, выводили на рабочий режим и проводили контрольный опыт в течение 4 часов. По окончании контрольное опыта собранный пермеат сливали в емкост ь (] )_ Рабочий опыт проводили в течение 30 минут. Время опыта фиксировалось секундомером. После рабочего эксперимента сбрасывалось давление, установка отключалась. Замерялся объем собранного во время рабочег о опыта пермеата.
Затем по бихроматной окис.тис мости (ХПК) [4] определялись концентрации растворенных веществ а исходной жидкости и нермеате, Коэффициент -задержания рассчитывался по формуле (1):
«-(»•^Й»«»*. 0)
где Я ~ коэффициент задержания, %; С„ср - концентрация растворенного вещества в нермеате, кг/м'; Сис* - концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м3.
Результаты расчетных данных приведены на рис. 2 в виде функции коэффициента задержания от концентрации.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Рассмотрим влияние концентрации на коффициент задержания. Как видно из рис. 2, при увеличении концентрации коэффициент задержания мембран в исследуемом диапазоне концентрации уменьшается. Данный эффект объясняется следующим образом: продукты крахмально-паточных производств, в частности крахмальная патока, являются коллоидными растворами, которые при ультрафильтрации (за счет огтока растворителя) способны образовать на поверхности мембраны и в примембрапной области слой геля. Концентрация в слое геля является повышенной по сравнению с объемом раствора [5, 6] из-за оттока растворителя, при этом возрастает диффузионный поток растворенною вещества через мембрану. Диффузионный поток растворенного вещества через мембрану зависит от поверхностных сил, величины нсрастворяющего объема, электростатических сил [5, 6] и является различным для исследованных ультрафильтрационных мембран, поскольку материал активного слоя мембран различный - ацетат целлюлозы у УАМ-150 и полиамид у УПМ-К. Приведенные выше соображения объясняют уменьшение коэффициента задержания мембран при повышении концентрации исходного раствора,
ВЫВОДЫ
При очистке крахмальной патоки от растворенных веществ на поверхности ульграфилы рационной мембра-
Рнс. 2. Зависимость коэффициента задержания от конце tnpa-ции исходного раствора
ны и в примембранной области образуется слой геля из растворенных веществ, при этом коэффициент задержания снижается вследствие увеличения вклада диффузионной составляющей в обшнй массоиеренос.
ЛИТЕРАТУРА
1, Анерьянпва А В., Сгвпдин В.П. Крахмал Бийыг Изд-во Алт. гос. -гехн ун-та, [999.33 с
2, Лазарев С.И., Коробов ff.fi. Клиот МБ.. Пирагвл H.A. Очистка сточных вод производства сульфенаыида Ц обратным осмосом Н И». вузоа. Химия н хнм. технология. 1993 Вии 5 № 36 С 76-S0.
3, Лазарев С.И., Кпробгм В.И., Абамоашев O.A. Влияние давленая на эффективность ультрафилырацконной очистки лидных растворов сниргоаы* няюичкодста // Итв. вузов. Иишевал технология 19Л8 № f.C. 7К-Я0
А. Лурье Ю Ю- Унифицировании? методы аналиэа сточных вод М : Химия, 1973 376 с.
5. Брык М.Т.. Цапюк Е А. Ультрафильтрацвя. Киев: Наукова думка 1989 28So.
6. Дытнерскии Ю.И. Баромембранные тгрццсссы. Теория и расчет М.: Химия, 1986. 37В с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Поступила в редакцию 27 мая 2011 г.
Golovashin V.L., Lazarev S.l. ULTRA FILTRATION SEPARATION OF WATER SOLUTIONS OF STARCH AND SYRUP PRODUCTION
Study of detection of separation characteristics of ultra filtration membranes of UAM-150 and 1JPM-K according of concentration of original solution is made. It is shown, that increase of concentration makes coefficient of retard low.
Key words: ultra filtration; membrane; coefficient of retard.
УДК 622 83
ОЦЕНКА УПРУГИХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ЖЕЛЕЗИСТОГО КВАРЦИТА МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО МИКРО-И НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ
© Ю.И. Головин, А.Н. Кочанов, А.В. Шуклипов
Ключевые слова: твердость, модуль Юнга; трешиностойкость; гсматито-магнетитовый кварцит; динамическое микро- и наноиндснтированне
В ходе проведенных исследований определены параметры упругих и прочностных свойств минеральных компонентов железистого кварцита. Показано, что твердость кварца значительно выше, а трешиностойкость ниже других минеральных компонентов железистого кварцита
Изучение деформационных и прочностных свойств в процессе непрерывного вдавливания индентора получило широкое распространение для самых различных материалов [1]. Для получения таких характеристик, как твердость, модуль Юнга, трешиностойкость, впервые для горных пород проведены эксперименты по динамическому микро- и наноиндентированию образцов гематито-магнетитового кварцита, основными породообразующими минералами которого являются магнетит, гематит, кварц. Для этих целей был использован прибор - динамический микро- и наноинденто-метр ПМТ-М, разработанный в НОЦ «Нанотехнологии и паноматериалы» ФГЬОУ ВПО «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина», с применением трехгранных алмазных инденторов Е.С. Бер-ковича. Количество замеров для отдельного типа испытаний составляло не менее 10-15. Максимальная величина нагрузки, прикладываемой к ипдентору, составляла 200 и 500 мН. В качестве примера на рис. 1 представлен вид отпечатка индентора при внедрении его в магнетит и система образовавшихся трещин.
Для каждого из минеральных компонентов кварцита определялись твердость, модуль Юнга, трешиностойкость (табл. 1). Представляет интерес сопоставление величин твердости и модуля Юнга, полученных в опытах по микро- и наноиндентированию, со справочными данными и результатами определений другими методами. Сравнение этих данных, представленных в табл. 1, показывает, что между ними наблюдается хорошее соответствие.
Таблица 1
Значения показателей физико-механических свойств минеральных компонентов гематит-магнетитового железистого кварцита
Минерал Плотность, кг/м3 Предел прочности на сжатие. МПа Модуль Юнга, ГПа Твердость, П 1а Трешиностойкость, МПа м1/2
Гематит 5,1 60* 230/210* 6,4/5,0** 1,65
Магнетит 4,7 50* 180/105* 5,9/7,9** 1,5
Кварц 2,66 400* 110/96* 17,1/10,3** 0,5
Примечание. * - справочные данные [2]; ** - по данным исследований [3]
Проведена также оценка твердости для минералов методом микро- и наноиндентирования в зависимости от глубины залегания (рис. 2).
Таким образом, в ходе проведенных исследований определены параметры упругих и прочностных свойств минеральных компонентов железистого кварцита. Показано, что твердость кварца значительно выше, а трешиностойкость ниже других минеральных компонентов железистого кварцита.
Рис. I. Изображение отпечатка индентора и образовавшихся микротрещин для магнетита
ISSN 1S10-0 i 98 Вестник ЧТУ, г. 16, вып.5, 2011
гематит □
магнетит 1
кварц я
38,5 Ь7,00 106,5
Глубина отбора кернов, м
Рис. 2. Значения твердости минеральных компонентов гема-пгг-магнетитового железистого кварцита в зависимости от глубины залегания
неразрушающими испытаниями методами микро- и нано ш щенти р ов ан и я.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галивин Ю-И Наноиндентирование м его возможности. М.: Машиностроение, 2009. .112 с
2. Ржевасив ВВ, Ное их ГЯ, Основы физика горнык порол. 4-е изд. М ; Недра, 1984. 250 с
3. И.парионт А А Петрография я минералогия железистых кварцитов Михайлове ко с о месюроадения Курской магнитной аиомллии. М.: Наука, 1965.162 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: ПИР проведена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-псдагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Для оценки прочностных и деформационных свойств горных пород наряду с пределами прочности необходимо использовать показатели тре щи постой ко-еги и твердости, которые могут определяться на разных масштабных уровнях. Эти показатели являются важными независимыми параметрами, характеризующими процесс разрушения горных пород. Представляется возможным для определения упругих и прочностных свойств минеральных компонентов железистого кварцита замена стандартных испытаний на образцах большого размера с их разрушением многократными
Поступила в редакцию 27 сентября 2011 г.
Ciolovin Yu.l,, Kochanov A.N., Shuklinov A.V. ASSESSMENT OF ELASTIC AND STRENGTH OF FEATURES OF JASP1L1TE BY METHOD OF DYNAMIC OF MICRO- AND NANOINDENTATION
During research the parameters of clastic and strength features of mineral components of jaspilite are determined. It is shown that the strength of quartzitc is higher and crack strength is lower than other mineral components of jaspilite.
Key words, hardness; Young module; crack strength; hematite magnetic quartzite; dynamic micro- and nanoindentation.
