Влияние давления на эффективность ультра фильтрационной очистки водных растворов спиртовых производств Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

663.5.067.38

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

СПИРТОВЫХ

С.И. ЛАЗАРЕВ, В.Б. КОРОБОВ, О.А. АБОНОСИМОВ

Тамбовский государственный технический университет

Большие объемы водной массы паточной барды, образующейся при производстве этилового спирта из зерна пшенццы, не могут быть полностью утилизованы. Использование ее ограничено как в качестве корма скоту — из-за значительного содержания калия, вредно влияющего на здоровье животных, так и в качестве удобрений — из-за наличия в барде минеральных солей, приводящих к снижению и прекращению роста растений. В то же время при разложении паточной барды в прудах фильтрации выделяются вещества с неприятным запахом, отравляющие воздух [1].

Нами исследовано влияние давления на селективность и удельную производительность ультра-фильтрационной очистки водной массы паточной барды от растворенных веществ с целью дальнейшего ее использования во вторичных производствах.

Таблица

Тип мембраны Давление Р, МПа Объем пермеата V-103, м3 Концентрация растворенных веществ, кг/м3

^■ясх г

УАМ-150 0,5 0,073. 23,8 9,8

УАМ-200 0,5 0,078 30,9 15,3

УПМ-К 0,5 0,091 30,9 15,8

УАМ-150 1,0 0,08 23,8 9,4

УАМ-200 1,0[ 0,085 30,9 14,7

УПМ-К 1,0 0,098 30,9 15,2

УАМ-150 2,0 0,094 23,8 8,2

УАМ-200 2,0 0,100 30,9 13,6

УПМ-К 2,0 0,116 30,9 14,0

УАМ-150 4,0 0,094 23,8 7,0

УАМ-200 4,0 0,100 30,9 12,6

УПМ-К 4,0 0,116 30,9 13,1

УАМ-150 6,0 0,094 23,8 5,9

УАМ-200 6,0 0,100 30,9 11,6

УПМ-К 6,0 0,116 30,9 12,2

Предварительно водную массу паточной барды Новолядинского спиртового завода (Тамбовская обл.) очищали от нерастворимых веществ гравитационным и центробежным отстаиванием. Ультра-

НРОИЗВОДСТВ

фильтрационную очистку осуществляли на лабораторной мембранной установке с использованием разделительной ячейки плоскорамного типа [2] и ультрафильтрационных мембран УАМ-150, УАМ-200, УПМ-К.

Исследования проводили в холодное время года по следующей методике. После предварительной отмывки мембран от примесей сорбционного характера собирали разделительную ячейку и подсоединяли ее к установке. Проверив герметичность отдельных узлов, выводили установку в рабочий режим и оставляли ее в заполненном раствором состоянии на 10—18 ч. Затем проводили предварительный опыт для установления постоянной производительности и селективности мембран. Далее выполняли серию основных экспериментов, в течение которых отбирали пробы исходного раствора и пермеата, измеряли объемный расход пермеата, давление, температуру и контролировали расход исходного раствора. Анализ растворенных веществ в водной массе осуществляли по бихроматной окисляемости (ХПК) [3].

По результатам экспериментальных данных, представленных в таблице (№ = 0,25 м/с; t = =20°С), рассчитывали удельную производительность и селективность мембран

в = У/Бт; (1)

<р И1 - Спер/Сисх-100%, (2)

где V — объем пермеата;

5 — рабочая площадь мембраны; г — время;

Спер,Сисх ;— концентрация растворенного вещества в пермеате и исходном растворе.

Являясь движущей силой процесса ультрафильтрации, давление воздействует на селективность и > удельную производительность мембран [4]. Эти зависимости представлены на рис. 1 и 2 (/ — УАМ-150; 2— УАМ-200; 3 — УПМ-К).

Характер изменения селективности и удельной производительности от давления при ультрафиль-трационной очистке водной массы паточной барды от растворимых веществ можно объяснить образованием на ультрафильтре динамических мембран [4, 5]. Их формирование происходит из мембранообразующего вещества, в данном случае из пшеничного крахмала, т.е. при прохождении пермеата через ультрафильтрационную мембрану увеличивается концентрация растворенного вещества у ее поверхности и в порах. Концентрация задерживаемого ультрафильтратом вещества у поверхности и в порах тем выше, чем больше его исходная концентрация в объеме и объемный поток через мембрану. Существование динамической мембраны обусловлено достижением равновесия между

80 |-

О / 2. 3 4 -5 &Р-ГО-%По

Рис. 1

С-Ю\м%<*-с

Рис. 2

количествами мембранообразующего вещества, подводимого к ее поверхности и смываемого с нее продольным потоком. Таким образом, структура формируемой динамической мембраны состоит из подложки (ультрафильтрационной мембраны) и селективного мембранного слоя. Поэтому разделительная способность динамической мембраны, формируемой из пшеничного крахмала, как и у полимерных мембран [5], зависит от условий проведения процесса разделения.

При изменении гидродинамических условий подачи (повышения давления) исходного раствора над мембраной селективность (рис. 1) по растворенным веществам повышалась во всем диапазоне возрастания давления и на всех видах ультрафильтров. Это повышение селективности вызвано особенностью динамических мембран, формируемых из крахмала, — высокой сжимаемостью, т.е. с ростом давления происходит сжимаемость мембранного слоя, вследствие которой возрастает вклад поверхностных сил (нерастворяемого объема, электроповерхностных сил, стерических ограниче-

ний) в процесс разделения. Эти вклады различны по величине для разных ультрафильтрационных мембран, на которых образуется селективный слой динамической мембраны.

Удельная производительность имеет более сложный характер зависимости от давления (рис. 2). В 1-м периоде с ростом давления она повышается, а при более высоких давлениях во 2-м периоде остается неизменной. Это объясняется тем, что в области давлений ультрафильтрации (до 2,0 МПа) сжимаемость динамической мембраны не влияет на повышение удельной производительности (1-й период). Дальнейшее повышение давления (выше 2,0 МПа) способствует увеличению удельного гидродинамического сопротивления мембранного слоя динамической мембраны, а содержание воды в нем за счет уплотнения становится более низким [5], в результате чего удельная производительное > становится независимой от давления (2-й период). Это подтверждает взаимосвязь удельной производительности и сопротивления динамической мембраны от давления в аналитическом выражении (закон Дарси) следующего вида:

Я = (Я,+Ч) = |£. О)

где — сопротивления динамической мем-

браны, ее сжимаемого селективного слоя и подложки (ультрафильтрационной мембраны);

АР — разность давления;

С — удельная производительность динамической мембраны; г} — динамическая вязкость жидкости. Таким образом, при очистке водной массы паточной барды от растворенных веществ на ультрафильтрационных мембранах образуются динамические мембраны из содержащихся в ней веществ, что позволяет, во-первых, осуществлять процесс самозадерживания таких веществ; во-вторых, достигать высокого качества и производительности разделения; в-третьих, за счет сжимаемости динамических мембран регулировать процесс разделения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фукс А.А. Технология спиртового производства. — М.: Пищепромиздат, 1951. — 538.

2. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Клиот М.Б., Пирогов П.А. Очистка сточных вод производств сульфекамида Ц обратным осмосом // Изв. вузов. Химия и хим. технология. — 1993. — № 5. — С. 76.

3. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. — М.: Химия, 1973. — 376 с.

4. Дытнерский Ю.И.Баромембранные процессы. Теория и расчет. — М.: Химия, 1986. — 278 с.

5. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. — Киев: Наукова думка, 1989. — 288 с.

Кафедра процессов и аппаратов химическои технологии

Поступила 14.0397