XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Мембранныетехнологииприменяютсядляочисткииразделениясмесей. Смесь - этопродукт смешения, механического соединения каких-нибудь веществ. Происходит это таким образом: сосуд разделен на две части (или секции) мембраной, секция 1 наполнена смесью из веществ A и B. К обоим веществам прилагается движущая сила. Движущей силой мембранных процессов могут служить градиенты давления, концентрации, температурыили электрического потенциала. Мембрана может отличать два типа молекул из-за различий в размерах, форме или химической структуре. Разделение будет достигнуто, но только в определенной степени. Мембрана не способна разделить смесь полностью. К системе подводится энергия в виде работы или тепла. Основной принцип всех процессов разделения- для их осуществления требуется некое минимальное количество энергии. Следовательно, два вещества A и B будут самопроизвольно смешиваться, если свободная энергия продукта (смеси) меньше, чем сумма свободных энергий индивидуальных веществ.

Мембранные процессы можно классифицировать на следующие типы: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос, газоразделение, электродиализ, первапорация, мембранная дистилляция.

Микрофильтрация - это мембранный процесс, в наибольшей степени близкий к обычной фильтрации. Он основан на применении мембран, которые пропускают только некоторые компоненты определенной жидкости или газа, исключая нежелательное попадание иных элементов. Размер пор в мембранах для микрофильтрации составляет от 0.1 до 10 мкм. Соответственно, величина разделяемых частиц лежит в том же диапазоне. Среди всех методов мембранной фильтрации микрофильтрация выделяется самым большим размером пор. Мембраны для микрофильтрации могут быть изготовлены из разнообразных органических (полимеры) или неорганических (керамика, металлы, стекла) материалов. Микрофильтрация применяется для стерилизации и осветления всех видов напитков и лекарственных препаратов в пищевой и фармацевтической промышленностях, получения ультрачистой воды в полупроводниковой промышленности. Также применяется в области биотехнологий и биомедицинских технологий. Данный метод фильтрации чаще всего применяется для очистки молока от бактерий и спор. В процессе микрофильтрации молоко проходит сквозь мембраны, а бактерии, размеры которых довольно велики, задерживаются. Микрофильтрацию можно использовать и для подготовки к пастеризации, что позволяет произвести продукты с увеличенным сроком годности при стандартной методике пастеризации.

Ультрафильтрация - метод отделения мелких частиц из суспензии или коллоидных растворов с использованием фильтрации под давлением. Малые молекулы, ионы и вода продавливаются через полупроницаемую мембрану. Крупные молекулы через мембрану не проходят. Ультрафильтрационные мембраны с размером пор от 0,01 до 0,1 мкм удаляют крупные органические молекулы (молекулярный вес больше 10 000), коллоидные частицы, бактерии и вирусы, не задерживая при этом растворенные соли. Такие мембраны применяются в промышленности и в быту и обеспечивают стабильно высокое качество очистки от вышеперечисленных примесей, не изменяя при этом минеральный состав воды. Ультрафильтрационная обработка речной, озерной воды и вод поверхностных источников в России в промышленности и коммунальном хозяйстве широко используют методы осаждения и фильтрования с предварительной коагуляцией. Этот метод широкомасштабно применяется с середины XX ви до сих пор не претерпел радикальных изменений. Ультрафильтрация - наиболее часто применяемый мембранный процесс при переработке молочного сырья. Ультрафильтрации подвергают цельное молоко, обезжиренное молоко, предварительно сквашенное молоко, а также сыворотку.

Задачами ультрафильтрации являются:

предварительное концентрирование белков в молоке для производства традиционных видов сыров;

значительное изменение соотношения между белками и другими компонентами для создания новых видов сыров;

нормализация молока по белку для обеспечения однородности и воспроизводимости свойств получаемого сыра независимо от сезонности;

выделение сывороточных белков из сыворотки с целью получения белковых концентратов и лактозного раствора.

Использование ультрафильтрации молока повышает выход сыра, например, в производстве сыра Фета расход молока сокращается с 8,5 до 6,5 кг сыра. Кроме того, ультрафильтрационное концентрирование позволяет сократить расход молокосвертывающего фермента (до 60%) и бактериальной закваски, уменьшить время созревания сыра и продолжительность технологического процесса, а также автоматизировать процесс производства и контроля.

Метод нанофильтрации применяют для получения высокоочищенной воды для использования в бытовых нуждах, в пищевой и фармацевтической промышленности, для удаления тяжелых металлов, для снижения содержания солей в системах водоподготовки для теплоэнергетики. Нанофильтрация воды базируется на способе её прохождения под давлением около 8 мПа через селективные мембраны. Основным материалом для изготовления мембран являются: полисульфоамид, фторопласт, ацетат целлюлозы и другие материалы. Размер отверстий мембран, который колеблется от 0,001 мкм до 0,01 мкм, подобран таким образом, что сквозь них могут проходить одновалентные ионы, а двухвалентные ионы и более крупные примеси остаются. Они задерживают органические соединения с молекулярной массой выше 300 и пропускают 15-90 % солей в зависимости от структуры мембраны. Наиболее эффективно при этом удаляются из воды разнообразные красители, пестициды, органические вещества, вирусы и некоторые растворённые соли. В результате нанофильтрации вода очищается, умягчается и теряет часть солей.

Обратноосмотические мембраны содержат самые узкие поры, и потому являются самыми селективными. Они задерживают все бактерии и вирусы, большую часть растворенных солей и органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность и патогенные вещества), пропуская лишь молекулы воды небольших органических соединений и легких минеральных солей. В среднем мембраны задерживают 97-99 % всех растворенных веществ, пропуская лишь молекулы воды, растворенных газов и легких минеральных солей.

Обратный осмос применяется для повышения концентраций пищевых жидкостей, например, фруктовых соков, и, является более экономичным, чем термические процессы. Преимущество заключается в низкой стоимости эксплуатации и возможности избежать термической обработки, что делает процесс пригодным для термочувствительных веществ, таких как белки и ферменты, в большинстве пищевых продуктов. Обратный осмос также широко используется в молочной промышленности для производства порошков сывороточного белка и для концентрации молока 

Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обуславливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки. Метод электродиализа обеспечивает более полное и быстрое удаление электролита. Под действием электрического поля ионы электролита проходят через мембраны к соответствующим электродам и уносятся проточной водой. По такому принципу работают электродиализаторы. Электродиализ применяется в настоящее время преимущественно для опреснения природных горько-соленых вод и при повышенной минерализации последних (более 5 - 10 г / л) является более экономичным, чем обессоливание на ионитовых фильтрах. Установлено, что метод электродиализа можно с успехом применять для глубокой очистки жидких кристаллов. Предлагаются также новые технологии производства безалкогольных напитков и извлечения биологически активных веществ из вторичного сырья продуктов переработки винограда с использованием электрохимически активированных растворов.

Первапорация - это процесс выпаривания воды через тонкую, похожую на осмотическую, мембрану. Эффективность и надежность первапорации в первую очередь обуславливается свойствами используемой мембраны, которая позволяет производить разделение жидкостей на молекулярном уровне. Очистка воды методом первапорации предполагает помещение жидкой смеси в корпус фильтра, разделенный непористой полимерной мембраной. В ходе продувки рабочей секции газом или воздухом со стороны подачи жидкости. В результате этого компоненты жидкости адсорбируются на поверхности мембраны, вследствие чего происходит их диффузия через мембрану и очистка, и в том числе обезжелезивание воды. За счет разности скоростей диффузии различных веществ достигается эффект первапорации воды - процесс образования пара с обратной стороны мембраны, в то время как загрязнитель остается в жидкой форме. Полученный методом первапорации пар дистиллируется и образуется кристально чистая вода, полностью избавленная от любого рода загрязнителей.

Дистилляция - этот метод предполагает мгновенное вскипание, когда морскую воду испаряют через несколько камер, в которых постепенно происходит понижение давления. Метод мембранной дистилляции подразумевает использование гидрофобной мембраны, по одну сторону которой производится нагрев морской воды. Пар проходит через мембрану, и с противоположной стороны ее охлаждается, и как следствие - конденсируется в чистую воду. Многоколонная дистилляция предполагает нагрев морской воды в первой колонне, а пар, который образуется вследствие нагрева - идет в последующие колонны. Метод вымораживания - это охлаждение морской воды до кристаллизации и выделение кристаллов, из которых потом можно получить пресную воду.

Мембранные методы считаются передовыми в производстве и широко используются для очистки, изменения концентрации и разделения жидких смесей. В промышленности мембранные технологии используются в качестве составляющих, как в простых, так и в многостадийных процессах.