Промышленное применение мембранных процессов разделения сегодня настолько широко, что какого-либо обобщения сделать невозможно, и мы проведем обзор по отдельным отраслям и производствам. В любом случае надо отметить, что мембранные процессы могут быть использованы при следующих задачах производства:
- получение обессоленной и очищенной воды;
- фракционирование смесей;
- очистка продукта от сопутствующих примесей;
- концентрирование продукта;
- регенерация ценных компонентов для повторного использования;
- холодная стерилизация;
- решение экологических проблем.
Все эти задачи решаются, если правильно выбрать мембранный процесс, подобрать наилучшие мембраны и конструкцию мембранного аппарата, организовать необходимую предварительную обработку исходного сырья, создать оптимальную технологическую схему, где будут минимизированы проблемы поляризации и отложений на мембранах.
Но часто решение можно упростить, если использовать некоторые технологические приемы, значительно интенсифицирующие процесс. Рассмотрим некоторые из них.
Технологические приемы осуществления мембранных процессов разделения
Диафильтрация
Диафильтрацией называют такой способ проведения баромембранного процесса разделения многокомпонентного раствора, когда одновременно с выводом пермеата в исходный раствор добавляют чистый растворитель. Схема процесса с диафильтрацией представлена на рисунке 6.1.
Рис.6.1. Схема мембранного процесса разделения с диафильтрацией
Исходный раствор, содержащий два компонента А и В, по которым задерживающие способности мембраны резко различаются (RA >> RB), постоянно прокачивается через мембранный аппарат. Пермеат, содержащий компонент В, выводится из установки, а концентрат, обогащенный по компоненту А, возвращается в емкость исходного раствора. В нее же добавляется чистая вода в количестве, равном количеству выведенного пермеата. Это позволяет гораздо эффективнее освободить компонент А от компонента В.
Пример 6.1. Исходный раствор объемом 6 м3 содержит белковый компонент (А) с молекулярной массой 65000, концентрация СоА = 2,0 г/л, и солевой компонент (В) с молекулярной массой 58, концентрация СоВ = 5,0 г/л. Необходимо провести концентрирование и обессоливание белкового компонента до концентраций СкА = 24 г/л и СкВ < 0,05 г/л.
Решение. Для концентрирования выбираем полисульфонамидную мембрану УПМ+50 с величиной «cut-off» 50000. Задерживающая способность по белковому компоненту RА = 0,995 ~ 1,0. При это RВ = 0.
На первом этапе производим концентрирование исходного раствора в 12 раз, до VК = 0,5 м3. Выход пермеата составил 5,5 м3, концентрация компонентов в нем СПА = 0; СПВ = 5 г/л. В оставшемся в емкости растворе концентрация компонентов будет: С1А = 24 г/л, С1В = 5 г/л.
На втором этапе добавляем в емкость 5,5 м3 чистой воды. Концентрации компонентов будут: С2А = 2 г/л, С2В = 0,42 г/л.
На третьем этапе проводим повторное концентрирование раствора до VК = 0,5 м3. Концентрация компонентов во втором пермеате СПА = 0; СПВ = 0,42 г/л. В оставшемся в емкости растворе концентрация компонентов С3А = 24 г/л; С3В = 0,42 г/л.
На четвертом этапе проводим повторное разбавление концентрата чистой водой. Концентрации компонентов станут С4А = 2 г/л; С4В = 0,035 г/л.
На пятом этапе проводим последнее концентрирование раствора до VК = 0,5 м3. Концентрация компонентов в третьем пермеате VПА = 0; VПВ = 0,035 г/л. В конечном концентрате СКА = 24 г/л; СКВ = 0,035 г/л.
Соотношение концентраций СА/СВ; СоА/СоВ = 0,4. СКА/СКВ = 685.
Чаще диафильтрацию проводят в непрерывном режиме, что можно осуществлять с перекрестным или противотоком раствора и растворителя (рис.6.2).
Рис.6.2. Схемы процесса непрерывной диафильтрации
с перекрестным током (а) и противотоком (б) раствора и растворителя
Для достижения равнозначного результата непрерывный процесс требует меньшего количества растворителя, чем периодический, но большего количества мембранных аппаратов. Поскольку RA ≠ 1 и RB ≠ 0, расчет процесса диафильтрации усложняется.
Для уменьшения расхода чистой воды процесс диафильтрации обычно проводят с предварительным концентрированием. На рисунке 6.3 изображена блок-схема такого процесса.
Рис. 6.3. Блок-схема процесса очистки и концентрирования продукта
с промежуточной диафильтрацией