Теоретические основы защиты окружающей среды мембранным методом: ультрафильтрация, диализ

     Возможность проведения процессов без использования  тепловых воздействий обусловила широкое  использование процессов ультрафильтрации в медицине и пищевой промышленности. Получение высококачественных вакцин, сывороток, ферментов и антибиотиков невозможно без применения ультрафильтрации. Применение мембран дает возможность осуществлять очистку высокомолекулярных веществ от низкомолекулярных, в частности удаление электролитов, карбамида, лактозы и других веществ из растворов протеинов. С помощью ультрафильтрации удается одновременно осуществлять процессы концентрирования и очистки белков, гормонов, антибиотиков, ферментов и т. п. При использовании ультрафильтрации не только увеличивается выход готового продукта и улучшается его качество, но и резко сокращается число стадий технологического процесса при производстве медицинских и биологических препаратов. Так были созданы новые виды препаратов, не содержащих балластных веществ и обладающих высокой активностью при введении их в организм в малых объемах.

     Благодаря созданию большого ассортимента ультрафильтрационных мембран в последнее время  стало возможным фракционирование белков, полисахаридов и других биополимеров.

     Процессы  ультрафильтрации позволили создать  новые технологические схемы  переработки молока и молочных продуктов  с комплексным использованием сырья. Так осуществляют концентрирование белка в обезжиренном молоке без увеличения концентрации лактозы и солей, что позволяет стандартизовать содержание в молоке не только жира, но и белка. Концентрат с повышенным содержанием белка используют для получения творога, сыра, йогурта, а также сухого обезжиренного молока, продуктов детского питания и т. д. Лактозу, содержащуюся в фильтрате, концентрируют методом обратного осмоса и высушивают. Использование ультрафильтрации для концеитрирования обезжиренного молока, например в производстве сыров, позволяет увеличить выход готового продукта на 15 - 20%. В пищевой промышленности метод ультрафильтрации используют для отделения красящих веществ от свекольного и тростникового сахара, обессахаривания яичного белка, очистки крахмала и т. д.

     При разделении жидких смесей методом ультрафильтрации, а также при разделении газовых смесей используются разделительные аппараты без опорного типа. Система может быть подана либо в каналы волокон, либо в межволоконное пространство. В первом случае компонент смеси, проникающий через стенки волокон, выводят через боковые штуцера корпуса (рис. 1). Смесь, обогащенная малопроникающим компонентом, выводят со стороны, противоположной вводу разделяемой системы, через штуцер крышки. Во втором случае разделяемую систему подают в один из боковых штуцеров, а проникающий компонент смеси выводят из торцов аппарата.

     Как правило, ультрафильтрационные безопорные аппараты эксплуатируют при небольших  рабочих давлениях (до 0,3 МПа). Во избежание высокого гидродинамического сопротивления протоку жидкости используют волокна со значительным диаметром цен« трального канала (0,2 - 1,5 мкм). С этой же целью избегают изготовления аппаратов большой длины. Обычно длина ультрафильтрационного (или диализного) безопорного аппарата с подачей разделяемой системы внутрь каналов волокна не превышает 1000 мм. При длине аппарата, превышающей 250 - 300 мм, используют полые волокна с внутренним диаметром 0,5 - 1,5 мм. При меньшей длине аппарата (до 250 - 300 мм) возможно применение волокна с внутренним диаметром 0,2 мм. Естественно, что при уменьшении диаметра создается возможность увеличить плотность упаковки волокна в аппарате.

     На  рис. 2 представлена схема разделительного аппарата «Dowex RO-4K Permeator». Разделительные элементы этих аппаратов изготавливают на специальном станке. На вращающемся шпулярнике укрепляют бобины с полым волокном. С помощью вращающегося раскладчика волокна натягивают между двумя параллельными стренгами. Образующимся холст непрерывно наматывают на перфорированную трубку с одновременным склеиванием волокон по обеим сторонам движущегося холста. Подобный станок используют и при изготовлении разделительных элементов для аппаратов типа «Permasep». Полое волокно в этих разделительных элементах уложено вдоль опорно-распределительных трубок слоями, разделенными тонким ненабухающим нетканым материалом.

     Необходимость разделения слоев волокна вызвана  тем, что при высоких скоростях  движения жидкости в аппаратах изменяется взаимное расположение волокон, что ухудшает гидродинамический режим работы разделительных элементов. Нетканый материал, уложенный между слоями волокна и легко проницаемый для жидкости, препятствует смещению волокна в разделительных элементах при эксплуатации. Концы полых волокон, собранные вместе, заполммеризовы-вают с помощью компаунда (обычно для этой цели применяют эпоксидные смолы). Торцы волокон вместе с компаундом образуют цилиндрический блок-коллектор.

     Разновидностью  ультрофильтрации является микрофильтрация

     М и к р о ф  и л ь т р  а ц и я (мембранная фильтрация)-разделение коллоидных систем и осветление р-ров отделением от них взвешенных микрочастиц. Процесс занимает промежуточное положение (без резко выраженных границ) между ультрафильтрацией и фильтрованием, проводится под давлением 0,01-0,1 МПа и отличается от др. баромембранных процессов, осуществляемых без фазовых превращений, возможностью образования на поверхности мембраны твердой фазы (осадка солей). Размеры микрочастиц и пор проницаемых перегородок идентичны (0,1-10 мкм). Наряду с полимерными мембранами для микрофильтрации перспективны также ядерные фильтры. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3 Диализ. Мембраны для диализа

     Диализ – старейший метод очистки коллоидных растворов от ионных и молекулярных примесей с применением мембран. Он основан на различной скорости диффузии веществ с различной молекулярной массой. Через мембрану проходят низкомолекулярные растворенные вещества и ионы, в то время как коллоидные частицы и растворенные вещества с массой более 1000 задерживаются.

      Чтобы очистить золь от молекулярных и  ионных примесей, его помещают в сосуд с полупроницаемыми стенками (или дном) М и опускают в большой сосуд с чистым растворителем. Молекулы и ионы диффундируют в наружный сосуд Б диализатора, коллоидные частицы остаются во внутреннем А. Сменяя воду в наружном сосуде, можно очистить коллоидную систему от примесей. Основным недостатком этого метода является его малая скорость и разбавление исходной системы осмотическим потоком растворителя. Поэтому все усовершенствования диализа шли по линии его ускорения. В настоящее время применяются также электродиализаторы, в которых диффузия ионов заменяется их движением в электрическом поле, происходящим с гораздо большей скоростью.

     Диализ  широко используется для очистки  растворов белков и других ВМС  от растворенных солей, для отделения щелочи от гемицеллюлоз после процесса обработки целлюлозы щелочью (мерсеризации) и т. п., электродиализ – для обессоливания воды, молочной сыворотки, обескисливания цитрусовых соков.

       Диализ является простейшим методом  очистки коллоидных систем. Очистка  коллоидных методом диализа заключается в том, что с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны) коллоидные мицеллы могут быть отделены от примесей растворенных в дисперсионной среде низкомолекулярных веществ. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а коллоидные частицы, неспособные диализировать (проникать через мембрану), остаются за ней в виде очищенного коллоидного раствора. Явление диализа для коллоидных систем возможно благодаря тому, что размер мицелл гораздо больше размера молекул низкомолекулярных веществ. 
Простейшим прибором для диализа - диализатором - является мешочек из полупроницаемого материала (коллодия), в который помещается диализируемая жидкость. Мешочек опускается в сосуд с растворителем (водой). Периодически или постоянно меняя растворитель в диализаторе можно практически полностью удалить из коллоидного раствора примеси электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Недостатком метода является большая длительность процесса очистки (недели, месяцы). Отчасти также недостатком диализа является факт, что длительный диализ обусловливает не только удаление из раствора примесей, но и стабилизатора, что может повлечь за собой коагуляцию коллоидного раствора. 
В настоящее время существует много усовершенствованных конструкций диализаторов, ускоряющих процесс диализа. Интенсификация процесса достигается увеличением поверхности, через которую идет диализ, непрерывной заменой растворителя и нагреванием, ускоряющем процесс. 
Процесс диализа обусловлен процессами осмоса и диффузии, что объясняет методы интенсификации процесса диализа. 

     4 Электродиализ. 

     Диализ  является очень медленным процессом; для более быстрой и полной очистки применяют электродиализ. Электродиализатор состоит из трех частей; в среднюю часть, отделенную от двух других полупроницаемыми мембранами, за которыми помещены электроды, наливается золь. При подключении к электродам разности потенциалов катионы содержащихся в золе электролитов диффундируют через мембрану к катоду, анионы - к аноду. Преимущество электродиализа заключается в возможности удаления даже следов электролитов(необходимо помнить, что степень очистки ограничивается устойчивостью коллоидных частиц; удаление из золя ионов-стабилизаторов приведет к коагуляции).

     Электродиализ - процесс диализа, ускоряемый действием электрического тока. Электродиализ применяют для очистки коллоидных растворов, загрязненных электролитами. В случае необходимости очистки коллоидных растворов от низкомолекулярных неэлектролитов, процесс электродиализа малоэффективен. В принципе, процесс электродиализа мало отличается от обычного диализа. Существенное отличие заключается в том, что с помощью внешнего электрического поля удается более быстро и полно отделить катионы и анионы электролитов от коллоидного раствора. 
Простейший электродиализатор представляет собой сосуд, разделенный на 3 камеры. В среднюю камеру, снабженную мешалкой, наливают подлежащий очистке коллоидный раствор. В боковые камеры помещены электроды, подключенные к источнику постоянного тока и трубки для подвода и отвода растворителя (воды). Под действием электрического поля происходит перенос катионов из средней камеры в катодную камеру, а анионов - в анодную. 
Преимуществом электродиализа перед обычным диализом является малое количество времени, необходимое для очистки (минуты, часы). 
Следует отметить, что электродиализ особенно эффективен только после предварительной очистки с помощью обычного диализа, когда скорость диффузии из-за падения градиента концентрации электролитов между золем и водой мала и можно применять электрическое поле большого напряжения, не боясь сильного разогревания золя.

    Рис. 3. Многокамерный электродиализатор для обессоливания растворов NaCl: А, К-соотв. анионо- и катионооб-менные мембраны.

     Раньше  в диализе использовались исключительно  целлюлозные мембраны. Однако вновь  разработанные синтетические мембраны для обратного осмоса и ультрафильтрации также могут использоваться для  диализа. Например, амфотерные мембраны для ультрафильтрации могут эффективно использоваться для отделения макромолекул растворенного вещества из водных растворов, содержащих электролиты. Катионо- и анионообменные мембраны могут также с успехом использоваться для разделения растворов электролитов и органических веществ с малой молекулярной массой.

     5 Требования к мембранам 

     В зависимости от того, для каких  целей предполагается применять  процесс диализа, к мембранам  предъявляются различные требования. Однако можно выделить некоторые  общие требования.

       Мембраны для диализа должны  иметь малую толщину и обеспечивать  высокую производительность и  селективность по целевому компоненту. Эти параметры важны для диализных  мембран, т.к. диализ по своей  сути - процесс достаточно медленный. Кроме того, толщина мембраны             определяет сопротивление массопереносу, т.к. диализ – диффузионный             процесс. В процессе диализа почти всегда имеет место осмотический поток             растворителя, который направлен из диффузата в разделяемый раствор и             обусловлен разностью концентраций в диализате и в диффузате. Высокий             положительный осмотический поток, который встречается в виде потока             диффузата, направленного в разделяемый раствор, обычно оказывает            нежелательное воздействие. Он снижает концентрацию исходного             раствора и поэтому уменьшает полезную движущую силу. В том случае,             когда разделяемый раствор является сбросным потоком, его разбавление             еще более нежелательно. Поэтому крайне важно выбирать такую             мембрану, для которой характерен низкий положительный или             отрицательный осмотический перенос. Если диффундирующее вещество             находиться в ионной форме, то осмотический перенос в некоторой             степени может контролироваться выбором мембраны со слабым             электрическим зарядом. Например, при диализе водного раствор каустика через мембрану из поливинилового спирта ион натрия адсорбируется с образованием алкоголята, а мембрана приобретает положительный электрический заряд. Так как подвижность иона гидроксила высока по сравнению с несвязанным ином натрия, то возникает положительный осмос, поэтому мембрана малопригодна для разделения этой смеси. Применение в таком процессе мембраны со слабыми анионообменными свойствами за счет,            например, аминных групп обеспечивает преимущественный отрицательный             осмотический поток воды. Аналогично, при выделении кислоты для контролирования осмотического потока эффективна мембрана со слабыми катионообменными свойствами. Однако подвижность диффундирующего электролита в таких ионообменных мембранах обычно уменьшается. Поэтому необходимо подбирать электрически заряженные мембраны с подходящей ионной силой.