Общие определения и характеристика мембран. Среди мембранных процессов, которые можно в определенной мере отнести к фильтрационным методам разделения жидкостных систем, известны обратный осмос, ультрафильтрация и микрофильтрация. Во всех этих процессах в качестве фильтрующих перегородок используют так называемые полупроницаемые мембраны. Эти мембраны часто называют молекулярно-ситовыми. В настоящее время применение в различных отраслях народного хозяйства находят три вида полупроницаемых мембран: пористые, непористые и жидкие. Для пищевой промышленности и общественного питания используют главным образом пористые мембраны. Размер пор таких мембран очень незначителен – не более 0,5 мкм, а чаще он находится в пределах 10-7 – 10-10 м.
В качестве материалов для мембран используют различного рода пленки, изготовленные на ацетатцеллюлозной основе и из некоторых синтетических полимеров.
Применяемые в практике полупроницаемые мембраны характеризуются главным образом двумя показателями – проницаемостью и селективностью.
Селективность мембран – это их избирательная способность пропускать те или иные вещества. Проницаемость мембран – это удельная производительность. Она показывает, какое количество фильтрата пропускает мембрана, имеющая поверхность 1 м2 за одну секунду.
Мембраны, которые применяют на практике, не обладают идеальной полупроницаемостью, в связи с этим всегда наблюдается переход вместе с водой и некоторого количества растворенного вещества.
Общность процессов обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации заключается также и в том, что для их проведения применяют аналогичные по своей конструкции аппараты.
Вместе с тем они имеют определенные отличия. Эти отличия заключаются в их назначении и конечных целях. Назначение процесса обратного осмоса заключается в разделении растворов, в результате которого молекулы или ионы растворенных веществ полностью или частично задерживаются полупроницаемыми мембранами. Иногда принято определять обратный осмос как процесс отделения низкомолекулярных веществ, размер частиц которых колеблется от 10-10 до 10-8 м.
При обратном осмосе на мембранах задерживаются высокомолекулярные вещества и коллоидные частицы.
При ультрафильтрации выделяют на полупроницаемых мембранах высокомолекулярные фракции жидкостных систем с присутствием или без присутствия низкомолекулярных веществ. Размер частиц этих фракций колеблется в пределах 10-8 – 10-7 м.
Наконец, микрофильтрация предназначена для отделения от растворителя частиц, имеющих размер от 10-7 до 10-5м.
Сущность процессов ультрафильтрации и обратного осмоса. Явление осмоса (рис. 14, а)заключается в том, что вода (растворитель) проходит через мембрану и разбавляет раствор. Явление осмоса лежит в основе многих жизненных процессов. Он способствует обмену веществ в живых организмах. Это явление широко используется во многих отраслях пищевой промышленности и общественном питании. Так, на явлении осмоса основано консервирование путем посола продуктов и путем насыщения их сахаром. В этом случае вода из микроорганизмов, которые являются причиной порчи продуктов, проходит через их оболочку в раствор соли или сахара, в результате чего бактерия погибает из-за обезвоживания. Оболочка бактерии, как оболочка клеток живого организма, представляет собой полупроницаемую мембрану.
Рис. 14. Схема возникновения обратного осмоса:
а – осмос; б – состояние равновесия; в – обратный осмос
Однако переход растворителя (воды) в раствор не будет продолжаться бесконечно. Он происходит до определенного предела, называемого равновесным состоянием. При достижении равновесного состояния растворитель переходит в раствор и из раствора возвращается в растворитель. Равновесное состояние (рис. 14, б)наступает тогда, когда гидростатическое давление раствора, определяемое разностью уровней между раствором и водой, становится равным осмотическому давлению.
Если на раствор, находящийся в состоянии равновесия с водой, оказать давление, превышающее осмотическое, то вода из раствора будет проходить через мембрану в воду, находящуюся в левой части сосуда (рис. 14, в). Это явление в 1953 г. было названо обратным осмосом.
Устройство и принцип работы аппаратов для осуществления мембранных методов разделения. Простейшие схемы двух типов установок представлены на рис. 15. Исходная жидкостная система поступает во внутреннюю полость установки, проходит через полупроницаемую мембрану, расположенную на подложке. Подложку изготовляют из прочного пористого материала – керамики, пористой нержавеющей стали и т. п.
На полупроницаемой мембране оседают частицы или молекулы, которые необходимо выделить из исходной жидкости. Фильтрат проходит через мембрану и подложку и удаляется из установки.
Принципиальное отличие обратноосмотических, ультрафильтрационных, микрофильтрационных установок от обычных фильтрационных установок заключается в том, что в них недопустимо образование осадка на поверхности фильтрующей перегородки. У поверхности мембран со стороны раствора наблюдается повышенная его концентрация. Это неизбежное явление называется концентрационной поляризацией. Оно приводит к снижению селективности мембран, их проницаемости и к существенному сокращению их срока службы.
Рис. 15. Схема установок для мембранного разделения жидкостных систем:
а – с плоским расположением мембран: 1 – нижнее основание;
2 – герметизирующая прокладка: 3 – верхнее основание;
4 – полупроницаемая мембрана; 5 – подложка; б – с цилиндрическим
расположением мембран: 1 – цилиндрическая подложка;
2 – полупроницаемая мембрана; 3 –корпус установки
Для того чтобы избежать концентрационной поляризации или уменьшить ее отрицательное влияние на селективность и проницаемость мембран, прибегают к различным приемам. Так используют различного рода магнитные мешалки, в промышленных аппаратах большой производительности увеличивают скорость течения жидкости и устанавливают различного рода турбулизаторы потока.
Промышленные установки для мембранного разделения различных жидкостных систем получили широкое распространение в пищевых производствах. Область их применения непрерывно расширяется. В настоящее время их широко применяют в молочной, сахарной промышленности. Они нашли применение в производстве соков, сиропов, концентратов, экстрактов. Полученные этими методами продукты (сгущенное молоко и молочная сыворотка, сахарные сиропы, концентрированные фруктовые и овощные соки, сгущенные бульоны, экстракты чая, кофе) отличаются более высоким качеством, чем те же продукты, полученные выпариванием или вымораживанием. В них сохранены все исходные ценные компоненты (белки, витамины, ферменты, иммунные тела). Они имеют лучшие органолептические показатели.
Большую роль мембранные методы получили в целях очистки сточных вод промышленных предприятий, в том числе пищевых и предприятий общественного питания, что весьма благоприятно сказалось на охране окружающей среды.
