CC BY
20УДК 637.133.5
О.В. Пачина, В.М. Седёлкин, Г.П. Денисова, А.Н. Суркова, Л.Ф. Рамазаева
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ФОРМОВОЧНЫХ РАСТВОРОВ НА СТРУКТУРУ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕМБРАН НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО АЦЕТАТА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
(Энгельсский технологический институт (филиал) Саратовского государственного технического университета) E-mail: [email protected]
Предложена новая рецептура для получения ультрафильтрационных ацетат целлюлозных мембран. С целью повышения однородности растворов вторичного ацетата целлюлозы (ВАЦ) в ацетоне, в исходные растворы для получения ультрафильтрационных мембран добавлен этиловый спирт. Исследовано влияние содержания этилового спирта в растворе (варьировали от 5% до 25% объемных) на структуру мембран 5%-х, 7%-х и 10%-х по массе растворов ВАЦ. Исследована структура ультрафильтрационных мембран методом электронной микроскопии и структура растворов методом спектра мутности, также изучены традиционные параметры мембранной переработки: проницаемость и селективность мембраны по белку творожной сыворотки.
Одной из ведущих тенденций последних лет в развитии молочной промышленности в нашей стране и за рубежом является широкое использование мембранных методов обработки. Они открыли возможности для получения новых видов молочных продуктов и повлекли за собой коренное изменение технологий переработки сыворотки.
Эффективность мембранных процессов находится в непосредственной зависимости от свойства полупроницаемых мембран и присущих им характеристик.
Задачи совершенствования технологического процесса формования мембран тесно связаны с решением вопроса о влиянии структуры мембран на их свойства, что позволяет выявить возможности направленного регулирования свойств мембран путем изменения их структуры.
Для получения ультрафильтрационных мембран, разработанных нами ранее [1], в формовочные растворы ВАЦ-ацетон вводили этиловый спирт с целью повышения однородности исходного раствора, получения более однородной и развитой структуры мембраны, получения равномерно распределенной пористости по всей площади мембраны.
Свойства мембран зависят от структуры исследуемых растворов. Поэтому в ходе исследований изучили влияние содержания этилового спирта (варьировали от 5 до 25 % объемных) на структуру 5, 7, и 10 %-ных (по массе) растворов ВАЦ.
Методика формования ультрафильтрационных мембран на основе ВАЦ с использованием в качестве растворителя этилового спирта заключается в следующем:
- приготовление раствора ВАЦ в ацетоне заданной концентрации;
- добавление определенного количества этилового спирта;
- формование мембран (методом полива).
Растворы ВАЦ представляют собой структурно-сложные системы, которые содержат мик-рогелевые частицы (МГЧ), представляющие собой фрагменты целлюлозы и гемицеллюлоз (ксилана, манана и т.д.), которые не подверглись ацетили-рованию в процессе этерифекации и представляют собой кристаллические микроблоки, объединенные в один агрегат с помощью Н-связей различных уровней энергий. Под действием протофиль-ных веществ такие агрегаты могут распадаться на более мелкие фрагменты (дезагрегируют) вплоть до элементарного фрагмента ~0,02 мкм при этом раствор становится более однородным. Проблема МГЧ в растворах производных целлюлозы привлекает внимание исследователей в связи с технологическими трудностями при производстве волокон, пленок, мембран, обусловленными их присутствием в растворе (засорение фильтров, нарушение стабильности фильтрования, появление разнотолщинности пленочных материалов).
Структуру полученных растворов изучали с помощью метода спектра мутности [2]. Метод спектра мутности основан на измерении зависимости мутности системы т от длины волны падающего света X в определенном интервале ДА, и позволяет определять мутность растворов т, приведенное число МГЧ в единице объема раствора
— и средние эффективные радиусы частиц г>. с
С увеличением содержания этилового спирта заметно уменьшается мутность растворов, уменьшаются радиусы МГЧ и увеличивается их число в единице объема раствора. Наибольшие размеры имеют МГЧ в 10% -х растворах, которые изменяются от 0,225 мкм до 0,14 мкм при увеличении содержания спирта до 25 %. При уменьшении концентрации исходного раствора ВАЦ размеры МГЧ соответственно уменьшаются, в 7%-х растворах они составляют ~0,19 мкм и уменьшаются при добавлении этилового спирта до 0,12 мкм и в 5%-х растворах они составляют ~0,16 мкм и уменьшаются до 0,09 мкм.
Ультрафильтрационные мембраны были получены методом полива. На рис. 1 представлены фрагменты поверхности мембран, изготовленных из 7%-ного исходного раствора ВАЦ в ацетоне с различным содержанием этилового спирта. Изображения получены с использованием просвечивающей электронной микроскопии.
в г
Рис.1. Фрагменты пористой структуры ультрафильтрационных мембран, полученных из 7% исходного раствора ВАЦ в ацетоне: а - без наполнителя; б, в, г - с добавлением этилового спирта, содержание этилового спирта 5%, 10%, 15%
(масс.) соответственно, при увеличении 670. Fig.1. Fragments of porous structure of the ultrafiltrational membranes obtained from the 7% initial acetone SAC solution. а-without of filler; б, в, г -with ethanol addition at ethanol content of 5%, 10%, 15% (mass), respectively.
Рис. 1 наглядно демонстрирует, что при увеличении содержания этилового спирта число пор в мембране значительно возрастает.
Проницаемость мембран исследовали на лабораторной ультрафильтрационной ячейке типа
ФМ0Г-200. В качестве объекта ультрафильтрации использовали молочную сыворотку, полученную при производстве творога методом кислотной коагуляции обезжиренного молока. Исследовали зависимость проницаемости мембран по воде и творожной сыворотке от процентного содержания этилового спирта и от концентрации исходного раствора. На рис. 2 представлена зависимость проницаемости мембран по воде и творожной сыворотке соответственно.
Q, л/(м2^ч) 3000
2000
1000 -
Q, л/(м-ч) 140 -
120 -
100 -
80 -
60 -
40 -
20 -
0
0
С,%
Рис.2. Зависимость проницаемости мембран от процентного содержания этилового спирта: а - по воде; б - по творожной сыворотке: мембраны, полученные на основе: 1 -5%-х растворов; 2 -7%-х растворов; 3 - 10%-х растворов ВАЦ в ацетоне
Fig.2. The membrane permeability vs percent content of ethanol: а- on the water, б- on the whey curds protein. Membranes were prepared on the base of 5% solutions (1), 7% solutions (2), 10% solutions (3) of SAC in acetone.
Изучение проницаемости мембран показывает, что, как и следовало ожидать, наибольшей проницаемостью по воде обладают мембраны, полученные на основе 5%-ного исходного раствора ВАЦ в ацетоне. Проницаемость изменяется в пределах от 694,594 л/(м2час) (содержание спирта 5%) до 2432,432 л/(м2час) (содержание спирта 25%). То же самое можно сказать о проницаемости мембран по творожной сыворотке: для мембран, полученных на основе 5%-ных растворов ВАЦ - ацетон, проницаемость изменяется от 16,729 до 148,4 л/(м2час). При увеличении концентрации исходных растворов производительность мембран снижается примерно в 2,6 раза.
В свою очередь, проницаемость мембран зависит от размера пор. Средний размер пор был определен из уравнения Пуазейля:
W-P-r2-A-t
V-■
8-rj-d
0
где г| - вязкость смачиваемой жидкости, МПа-с; й - толщина мембраны, мм ; V - объем жидкости, протекающий через мембрану, л; Ж - общая пористость, %; Р - рабочее давление, МПа; А - площадь поверхности мембраны, м2; ^ - время, с; г -средний радиус пор, м2.
На рис. 3 приведена зависимость среднего радиуса пор мембран от процентного содержания этилового спирта.
Рис.3. Зависимость среднего радиуса пор ультрафильтрационных мембран от процентного содержания этилового спирта: 1 - мембраны, полученные на основе 5%-х растворов ВАЦ в ацетоне; 2 - 7%-х растворов; 3 - 10%-х растворов Fig.3. The average pore radius of the ultrafiltrational membranes vs a percent content of ethanol. 1,2,3 - membranes prepared on the base of 5% ,7%, 10% acetone SAC solutions, respectively.
Из графика видно, что этиловый спирт позволяет регулировать структуру мембран и размер пор в мембранах. С ростом концентрации добав-
ленного спирта средний размер пор увеличивается от 5,21 нм до 43 нм. Наибольший размер пор получается при добавлении спирта 25 объемных %. Увеличение содержания спирта более 25% нецелесообразно, так как данные мембраны не пригодны для ультрафильтрации из-за дефектности в структуре мембран.
Таким образом, добавление этилового спирта в формовочные растворы ВАЦ в ацетоне в количестве от 5 до 25 объемных % способствует значительной дезагрегации МГЧ, сопровождающейся увеличением их числа в единице объема, что приводит к увеличению проницаемости ультрафильтрационных мембран как по воде, так и по молочной сыворотке. Экспериментальные данные показывают, что оптимальной мембраной для ультрафильтрации творожной сыворотки является мембрана, полученная из 7 %-ного раствора ВАЦ в ацетоне с содержанием этилового спирта 15 об. %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Седелкин В.М. и др. // Химические волокна. 1998. № 4. С. 46-47.
2. Кленин В.И., Щеголев С.Ю. Лаврушин В.И. Характеристические функции светорассеяния дисперсных систем. Изд-во сарат. ун-та. 1977. С. 177.
3. Роговин З.А. Основы химии и технологии химических волокон. М.: Химия. 1974. Т 1. 518 с.
4. Реометрия пищевого сырья и продуктов: Справочник / Под ред. Ю.А. Мачихина. М.: Агропромиздат. 1990. 291 с.
Кафедра машин и аппаратов пищевых производств и теплотехники
УДК 543.2:542.61:661.185.1 С.А. Куличенко, В.А. Дорощук, О.И. Федорчук
ФАЗООБРАЗОВАНИЕ В РАСТВОРАХ ПОЛИОКСИЭТИЛИРОВАННЫХ НЕИОННЫХ
ПАВ В ПРИСУТСТВИИ ФЕНОЛА
(Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко) E-mail: [email protected]
Изучено фазовое расслоение в растворах неионных поверхностно-активных веществ различного типа в присутствии фенола. Установлено влияние основных факторов на температуру помутнения и объем формирующейся мицеллярной фазы. На основе полученных данных предложен способ оценки степени оксиэтилирования неионных ПАВ.
Мицеллярная экстракция фазами неионных поверхностно-активных веществ (НПАВ) является высокоэффективным методом концентрирования и разделения микрокомпонентов и интенсивно развивается в последнее время [1, 2]. Пре-
имуществами мицеллярной экстракции являются высокие коэффициенты абсолютного концентрирования, использование малых объемов проб, возможность концентрирования веществ различной природы (гидрофильные, гидрофобные и «за-
