Кинетические закономерности и совершенствование электроультрафильтрационного разделения технологических растворов биохимических производств Лавренченко Анатолий Александрович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА1. Обзор литературных данных по очистке и концентрированию технологических растворов биохимических производств 11

1.1 Классические методы разделения растворов 11

1.2 Электро и баромембранные методы разделения растворов 14

1.3 Механизмы и гипотезы мембранного разделения растворов 24

1.4 Математические модели, используемые для описания кинетики мембранного разделения растворов 31

1.5 Методы расчета мембранных аппаратов и установок 35

1.6 Аппаратурно-технологическое оформление мембранных процессов 40

1.7 Выводы и формулировка цели и задач исследования 45

ГЛАВА 2. Методики и установки для исследования кинетических коэффициентов электроультрафильтрационного разделения технологических растворов 47

2.1 Объекты исследования 47

2.2 Методика исследования сорбционной емкости и коэффициента диффузионной проницаемости 51

2.3 Методика и экспериментальная установка для исследования коэффициентов задержания и удельного потока растворителя 56

2.4 Выводы по второй главе 60

ГЛАВА3. Результаты экспериментальных исследований кинетических закономерностей электроультрафильтрационного разделения технологических растворов и их анализ 61

3.1 Исследования сорбционной емкости и коэффициента распределения 61

3.2 Исследования коэффициента диффузионной проницаемости 64

3.3 Исследования коэффициента задержания 67

3.4 Исследования удельного потока растворителя 71

3.5 Выводы по третьей главе 76

ГЛАВА4. Математическая модель электроультрафильтрационного разделения технологических растворов и инженерная методика расчета 78

4.1 Математическая модель массопереноса в ультрафильтрационном концентрировании промышленных растворов биохимических производств 78

4.2 Проверка адекватности математической модели 83

4.3 Инженерная методика расчета технологических параметров электроультрафильтрационного аппарата 85

4.4 Выводы по четвертой главе 88

Глава 5. Аппаратурно-технологическое оформление электроультрафильтрационного разделения технологических растворов биохимических производств 89

5.1 Разработка конструкции электробаромембранного аппарата трубчатого типа 89

5.2 Разработка технологической схемы очистки технологических растворов биохимических производств с применением электромембранной технологии 97

5.3 Расчет эколого-экономической эффективности электроультрафильтрационного процесса очистки технологических растворов биохимических производств 100

5.4 Выводы по пятой главе 114

Основные выводы и результаты. 115

Список используемых источников 117

• Математические модели, используемые для описания кинетики мембранного разделения растворов
• Методика исследования сорбционной емкости и коэффициента диффузионной проницаемости
• Исследования коэффициента задержания
• Инженерная методика расчета технологических параметров электроультрафильтрационного аппарата

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В процессах химической технологии при многотоннажном получении этилового спирта и других продуктов органического происхождения из растительного сырья образуются сточные воды, утилизация которых затруднена из-за больших объёмов, высокой минерализации и повышенной кислотности. Использование их в качестве удобрений ограничено из-за тех же факторов, так как происходит засаливание и подкис-ление почв и в итоге дегенерация растений. Содержание калиевых солей и органических кислот, в частности, СН₃СООH в растворах, образующихся в процессах производства, негативно влияет на состояние воздушного бассейна. Выделение продуктов окисления при их биологическом разложении пагубно сказывается на воздушном бассейне. Наиболее эффективными методами очистки стоков являются мембранные методы разделения, которые в настоящее время имеют прочные позиции в арсенале производственных и технологических процессов. Среди большого класса мембранных методов важное место занимают электробаромембранные процессы, в частности, электроультра-фильтрация, когда энергетические затраты сведены к минимальным термодинамическим, используемым на деструкцию продуктов. Вместе с тем развитие электробаромембранных методов очистки требует дальнейшего исследования кинетики процессов, разработки методов математического анализа, инженерного расчета и совершенствования аппаратурного оформления. На решение ряда указанных вопросов и направлена настоящая диссертация.

Работа выполнена при поддержке федерально-целевых программ по ГК № 16.740.11.0525, 14.740.11.1028, 16.740.11.0659 и в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности № 2014/219 на 2014 – 2016 годы.

Цель исследования. Исследование кинетических закономерностей и совершенствование технологического оборудования процесса электроультра-фильтрационного разделения промышленных растворов биохимических производств.

Задачи исследований.

1. Обобщить литературные данные по существующим методам разделения растворов и аппаратурно-технологическому оформлению электроультра-фильтрационного процесса очистки промышленных растворов.

2. Усовершенствовать методики и конструкции установок для проведения экспериментальных исследований по кинетическим коэффициентам процесса электроультрафильтрационной очистки и концентрирования технологических вод биохимических производств.

3. Получить экспериментальные данные по величинам коэффициентов процесса электроультрафильтрационной очистки и концентрирования технологических вод биохимических производств.

4. Разработать математическую модель кинетики электроультрафильтра-ционного процесса очистки и концентрирования технологических растворов химических производств.

5. Разработать методику процесса концентрирования и очистки промышленных растворов с применением электробаромембранного аппарата трубчатого типа.

6. Разработать конструкции электробаромембранного аппарата трубчатого типа, характеризующиеся патентной чистотой.

7. Усовершенствовать технологическую схему электроультрафильтра-ционного процесса очистки и концентрирования технологических растворов химических производств и оценить эко лого-экономическую эффективность её применения.

Научная новизна.

1. Получены и интерпретированы экспериментальные данные по величинам сорбционной емкости, коэффициента распределения растворенного вещества и коэффициента диффузионной проницаемости, коэффициента задержания, удельного потока растворителя. Полученные результаты позволили выявить и обосновать физическую картину образования динамических мембран из растворённых веществ в содержащихся промышленных растворах (эффект фильтрации).

2. Рассмотрены структурные характеристики динамических мембран, которые экспериментально подтверждены технологическими характеристиками. Получено математическое выражение для теоретического описания изменения сопротивления динамической мембраны от давления. Определены численные значения сопротивления динамических мембран, образующихся на ультрафильтрах УАМ-150 и УПМ-К, в зависимости от давления. Они изменяются для мембраны УАМ-150 от 2,53 до 4,86 1/м, а для мембраны УПМ-К от 1,07 до 3,18 1/м.

3. Получены численные значения эмпирических коэффициентов, необходимых для расчёта технологических и кинетических коэффициентов распределения, диффузионной проницаемости, задержания и удельного потока растворителя мембран процесса электроультрафильтрационной очистки и концентрирования технологических растворов биохимических производств.

4. Разработана математическая модель кинетики электроультрафильтра-ционного разделения технологических растворов биохимических производств, позволяющая рассчитывать концентрацию растворённого вещества и объём в ёмкости раствора, коэффициент задержания и величину удельного потока растворителя.

Практическая значимость.

разработана методика расчёта электроультрафильтрационного аппарата, позволяющая определить рабочую площадь мембран и провести секционирование аппарата;

разработана и запатентована конструкция электробаромембранного аппарата трубчатого типа (патент РФ № 2540363);

значимость выполненных исследований для практики подтверждена разработанной программой и проведёнными вычислительными экспериментами по расчёту технологических и оптимальных конструктивных параметров электромембранных установок (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013661750);

разработана технологическая схема и оценена её эколого-экономи-ческая эффективность для процесса очистки промышленных растворов биохимических производств. Практическая реализация исследований подтверждена актом к внедрению на ОАО «Биохим», г. Рассказово Тамбовской области;

- предложена методика расчёта эколого-экономической эффективности концентрирования и очистки промышленных растворов на ОАО «Биохим», г. Рассказово Тамбовской области.

Положения, выносимые на защиту.

5. Экспериментальные данные, характеризующие электроультрафиль-трационное разделение растворов в широком диапазоне концентраций и эффект фильтрации, приводящий к образованию динамических мембран. Расчётные зависимости и значения эмпирических коэффициентов для теоретического определения кинетических параметров электроультрафильтрационной очистки технологических растворов.

6. Математическая модель кинетики электроультрафильтрационного процесса очистки и концентрирования растворов химических производств.

7. Методика расчёта рабочей площади электроультрафильтрационной установки и её секционирования.

8. Аппаратурно-технологическое оформление электроультрафильтрационного процесса очистки и концентрирования технологических растворов химических производств.

9. Методика оценки эколого-экономической эффективности применения электроультрафильтрационного процесса очистки и концентрирования промышленных растворов биохимических производств.

Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались на: ХVIII Всероссийском совещании с международным участием «Новости электрохимии органических соединений (ЭХОС - 2014)» (Тамбов, 2014 г.); VI Международной научно-инновационной молодёжной конференции «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2014 г.); II Международной научно-практической конференции «Современные предпосылки развития инновационной экономики» (Тамбов, 2014 г.); 2-й Международной конференции с элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (Тамбов, 2015 г.); на 8-й Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов, 2012 г.); на заседании круглого стола «Кооперация науки, образования, производства и бизнеса: новые идеи и перспективы развития в ближайшем будущем» (Тамбов, 2012 г.).

Публикации.

Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 23 публикациях, из них 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен один патент РФ на изобретение и одно свидетельство на ЭВМ.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, обобщающих выводов и результатов, списка используемых источников и приложения. Диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, в том числе 34 рисунка, 13 таблиц. Список цитируемой литературы включает 159 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Автор диссертации выражает глубокую благодарность за научные консультации при выполнении диссертационной работы коллективу Научно-

образовательного центра «Безотходные и малоотходные технологии», канд. техн. наук, доценту Головашину Владиславу Львовичу и заслуженному деятелю науки РФ, докт. техн. наук, профессору Полянскому Константину Константиновичу.

Математические модели, используемые для описания кинетики мембранного разделения растворов

Одним из приоритетных направлений в повышении эффективности промышленного производства в нашей стране и за рубежом является развитие мембранных технологий [25, 26, 27, 28]. Разработка новых типов мембран (например, с повышенной устойчивостью к образованию отложений, а также работающих при низких трансмембранных давлениях) расширяет области их применения [29, 30, 31]. Мембранные технологии имеют большой диапазон решения задач разделительного характера, от самых тонких, наукоемких, например, концентрирования изотопов урана способом газовой диффузии, до, сравнительно, жестких, с низкой наукоемкостью - процесса микрофильтрации водных растворов от растворенных веществ размером меньше микрона [30].

Мембранные системы водоподготовки, промышленное освоение которых началось примерно с 1985 года, в настоящее время применяются практически во всех отраслях, потребляющих очищенную воду и за ними конкурентное будущее [31, 32, 33]. Проблема экономии ресурсов в процессах мембранного фильтрования является весьма существенной, поэтому и применение этих технологий в водоразделении постоянно развивается [34].

В арсенале мембранных методов на сегодня актуальными являются баромембранные процессы, осуществляемые под действием перепада давления [25, 26, 35-36] и включающие в себя: обратный осмос (И.Манегольд, 1929г.), ультрафильтрацию, микрофильтрацию и нанофильтрацию (И.Бехгольд,1907 г.). Обратный осмос — процесс, в котором растворитель в результате разности давления вынужден проникать через полупроницаемую перегородку из раствора с большей концентрацией в раствор менее концентрированный, т.е. в направлении обратном для осмоса. Мембрана, пропуская растворитель, не пропускает некоторые растворённые в нём компоненты. Рассмотрим, технологию обратного осмоса (рис.1.1). В растворе насосом 1 нагнетается давление выше осмотического, после чего растворитель уносится через мембрану 3, расположенной в мембранном аппарате 2. По мере того, как раствор протекает вдоль поверхности мембраны, его концентрация возрастет. Из аппарата выводится два продукта: раствор с некоторой конечной концентрацией (концентрат) и пермеат, проникший через мембрану. исх.раствоо

Коэффициент удельной производительности (КG) является константой для данной мембраны и зависит от ее порометрических характеристик и физико-химических свойств материала мембраны [25]. Важной характеристикой мембраны является ее разделяющая способность для компонентов смеси. Эта ее особенность имеет и другие названия: солезадержание, селективность и количественно измеряется величиной R или и выражает долю вещества, задерживаемого мембраной: Я( Р) = " Ю0%= (1-7) 1/с, т.е. 0 R( p) l, (1.2) где: Сі - концентрация растворенного вещества в объеме разделяемого раствора в некотором произвольном сечении аппарата, С2 - концентрация растворенного вещества в фильтрате (пермеате) в том же сечении. Значение "R" всегда определяется для определенной системы «мембрана - исследуемый раствор» и определенного растворенного вещества, обычно путем экспериментов. В физическом смысле "R" - доля вещества, задерживаемого мембраной [37]. Обратноосмотические мембраны содержат самые узкие поры, и потому являются самыми селективными [38].

Важным в обратном осмосе является выбор материала мембраны по его "сродству" к воде, так как именно это определяет способность мембраны задерживать компоненты раствора. Эта способность зависит от присутствия в материале мембраны полярных групп и их фрагментов, что и определяет направление дальнейших исследований подбора лучших материалов для изготовления мембран [39, 40].

Обратный осмос всегда предполагает насыщаемость разделяемого раствора, поэтому с ростом его концентрации в системе "вода - растворенное вещество - мембрана" производительность и коэффициент задержания мембраны предположительно снижаются. Однако, эти характеристики зависят не только от самой мембраны, но и от параметров процесса разделения, к которым, в первую очередь, относятся: давление, температура, концентрация исходного раствора и гидравлический КПД.

С повышением рабочего давления диффузионный поток через мембрану возрастает линейно. Такая ситуация присуща мембранам с жесткой структурой в широком диапазоне давлений. Характер подобной зависимости для уплотняющихся полимерных мембран несколько иной: с ростом давления сначала наблюдается линейная связь, но при некоторой характеристической величине давления (зависящей от пористой структуры и материала мембраны), начинает уплотняться. Это снижает размер ее пор, и увеличивает удельную производительность мембраны (П), а связь П= f (р) становится нелинейной.

Коэффициент задержания мембраны с ростом давления увеличивается. Это характерно для жестких мембран и в некотором диапазоне давлений - для уплотняющихся полимерных мембран. При высоких давлениях, когда полимерные мембраны уплотняются, на зависимости разделяющей способности мембраны от давления также наблюдается максимум, хотя и не резко выраженный, и последующее снижение коэффициента задержания при очень высоких давлениях [41]. Рост температуры снижает вязкость растворителя (воды). Например, с изменением температурного режима процесса разделения от 10 до 40С вязкость снижается в 2 раза и приблизительно также увеличивается удельная производительность мембраны.

С достаточно малой погрешностью можно считать, что объемный поток через мембрану при изменении температуры изменяется обратно пропорционально вязкости пермеата в определенном температурном диапазоне (для ацетатцеллюлозных мембран 20 - 40С).

В растворах высокомолекулярных соединений и полиэлектролитов условия протекания баромембранного процесса существенно меняются, так как, во-первых, осмотическое давление очень мало, и, во-вторых, размер молекул в растворе значительно возрастает. Поэтому, в таких системах для получения тех же величин проницаемости, что и в обратном осмосе, не требуется высоких давлений, а мембраны используются с порами больших размеров [41-43]. Более важным является взаимодействие материалы мембраны с компонентами вещества, что выражается при сорбции вещества как на поверхности, так и в порах мембраны.

Методика исследования сорбционной емкости и коэффициента диффузионной проницаемости

Установка тупикового типа состоит из емкости исходного раствора (1), запорного вентиля (2), насоса- дозатора (3), перепускного вентиля (4), образцового манометра (5), запорных вентилей (6) и (7), ресивера (8), перепускного вентиля (9), емкости для сбора раствора(10), мембранного элемента (11), дросселя (12) и компрессора (13).

Мембранная установка функционирует по следующей схеме: исследуемый раствор из емкости (1) через блок вентилей высокого давления направляется в мембранную камеру насосом - дозатором (3). Далее раствор, «пройдя»межмембранный канал в разделительной ячейке (11), дросселем высокого давления (12) исследуемый раствор по трубопроводу (15) направляется в емкость исходного раствора (1).При обжатии и уплотнении полупроницаемых мембран дроссель высокого давления (12) перекрывается при достижении нагнетаемого давления, равным 4 МПа и мембранная установка функционирует в тупиковом режиме. Для сглаживания колебаний давления в системе имеется ресивер (8), представляющий собой цилиндрическую сварную емкость (V=3,5 л). Его предварительно заполняют сжатым воздухом до величины рабочего давления, составляющего 30 40 % от давления обжатия полупроницаемых мембран, компрессором высокого давления (13). Контроль рабочего давления в мембранной установке осуществляется образцовым манометром (5) (свидетельство о поверке № 6036 от 06.03.2015), установленным до ячейки (11). Помимо измерительного манометра, в мембранной установке имеется электроконтактный манометр(14), функцией которого является отключение системы при превышении давления выше установленного значения. Где он отключает плунжерный насос (3) с помощью электроконтактного реле, при снижении или превышении давления выше5 % от заданного значения. Исследуемый раствор, проникший сквозь поры полупроницаемой мембраны, собирается в емкость пермеата(10). Снижение давления в мембранной системе выполняется игольчатым вентилем высокого давления (6).Вся трубопроводная система, элементы насоса -дозатора, игольчатые вентили высокого давления выполнены из коррозионностойкого материала, т.е. нержавеющей стали. Изменения давления на мембранной установке не превышали 5 % от заданного значения.

Главным элементом мембранной установки является мембранный аппарат (11), в котором непосредственно идет процесс обжатия мембран. Мембранный аппарат представляет собой однокамерный разделительный модуль плоскорамного типа, а в случае обжатия рулонного элемента, рулонного типа. Мембранные аппараты выполняются из нержавеющей стали Х18Н10Т. Обжатие мембран осуществлялось до получения постоянных значений по удельному потоку растворителя.

В экспериментальных исследованиях использовались водные растворы биохимических производств Тамбовской области и других регионов. Технологические воды спирто-дрожжевого производства ОАО "Биохим", на материалах которого выполнены эксперименты, характеризуются следующим составом (табл.2.2), а ниже приведены характеристики исследуемого раствора взятого на том же производстве(табл. 2.3).

При производстве спирта и хлебопекарных дрожжей образуются технологические растворы - барда. Эти растворы содержит поверхностно-активные вещества, относящиеся к третьей группе (гелеподобные структуры). Таблица 2.2. Химический состав технологических вод ОАО "Биохим"

Исследование сорбционной емкости проводилось при достижении равновесия в системе «мембрана-раствор», в лабораторных условиях с применением следующих приборов: аналитические весы типа WА–31 (свидетельское удостоверение о поверке №40131/223 от 20.03.2014), обеспечивающие точность +0,510"4г.; стеклянные колбы объемом до 100мл; линейка, микрометр, водяной термостат ТС-80М2 и колбы (V = 500 мл) с различными растворами и концентрациями растворенного вещества. Измерительные принадлежности предназначались для определения длины, ширины и толщины исследуемых мембран.

Водяной термостат представляет собой массивный металлический шкаф с обогреваемой внутри водяной рубашкой. Рабочий объем такого устройства -0,024 м3, а регулируемая температура устанавливается в заданном диапазоне от 0-60 С (рис.2.2).

Равновесное состояние между полупроницаемой мембраной и исследуемым раствором создавалось после наполнения мембраны растворенным веществом. Величина отношения концентрации вещества в полупроницаемой мембране к его концентрации в исследуемом растворе представляет собой коэффициент распределения [104, 116-121].

Исследуемая концентрация растворенного вещества в мембране, в первом приближении, менялась по скачкообразному характеру от Сисх до См. Величины коэффициентов распределения находились по концентрациям растворенного вещества в исследуемых образцах мембран и в исходных растворах по нижеприведенной зависимости [122-124]: кр= См / Сисх, (2.2) где / –равновесный коэффициент распределения; См - концентрация исследуемого вещества в полупроницаемой мембране; Сисх- концентрация растворенного вещества в исследуемом растворе. Величину концентрации растворенного вещества в полупроницаемой полимерной мембране вычисляли по выражению следующего вида: CM = mM/ VM, (2.3) где тм - количество растворенного вещества в полупроницаемой мембране (находится экспериментально); - объем экспериментального образца полупроницаемой мембраны. Объем экспериментального образца полупроницаемой мембраны вычисляется из следующего выражения: VM = a bd, (2.4) где а и Ъ - длинна и ширина экспериментального образца мембраны; 3– величина толщины образца мембраны с учетом активного слоя и подложки.

Погрешность экспериментальных данных осуществлялась по уравнению материального баланса: Сиос КсХ =C-VM+Cl-Vucx (2. 5) где: С - концентрация вещества в полупроницаемой мембране; Сисх-концентрация вещества в исследуемом растворе; С1- концентрация вещества в исследуемом растворе после проведения сорбционных процессов; Vucx-величина объема исследуемого раствора; - величина объема образца полупроницаемой мембраны.

Исследования коэффициента задержания

Для выполнения инженерных расчетов процесса обратного осмоса необходимы экспериментальные значения кинетических параметров массопереноса, одним из которых является диффузионная проницаемость мембран. Диффузионный процесс переноса растворенного вещества последовательно проходит следующие стадии [40, 94]: - подвод растворенных веществ к поверхности активного слоя мембраны; - сорбирование растворенного вещества поверхностью активного слоя мембраны; - диффузионный перенос через мембрану; - десорбция растворенного вещества из подложки мембраны в пограничный слой; - отвод растворенного вещества из пограничного слоя в пермеат. Количественная оценка диффузионной проницаемости выражается соответствующим коэффициентом и зависит от материала мембраны, природы растворенных веществ и их концентраций в растворе, температуры и гидродинамической обстановки в аппарате [124-126].

Исследования по определению коэффициента диффузионной проницаемости мембран проводились на экспериментальной установке и по методике, приведенным в главе 2 данной работы. Нами проведены исследования по влиянию природы растворенных веществ, концентрации и температуры раствора на диффузионной проницаемости мембран УПМ-К, УАМ-150, УАМ-100 и УФМ-100. После определения концентрации растворов до и после эксперимента рассчитывали диффузионную проницаемость мембран с использованием зависимости:

Физический смысл параметров, используемых этой формулой, приведен в п.2.2 данной работы. Зависимости диффузионной проницаемости от температуры исследуемых систем раствор-мембрана представлены на рисунках 3.3и 3.4.

Зависимость коэффициента диффузионной проницаемости от температуры технологического раствора биохимических производств, мембрана УАМ - 150.1 (сплошная линия) – эксперимент, 2 (пунктиром) – расчетные данные. Из представленных на рис.3.3, 3.4 зависимостей следует, что с повышением температуры в исходном растворе коэффициент диффузии увеличивается для всех типов мембран. Повышение коэффициента диффузионной проницаемости вызвано увеличением скорости подвижности ионов и молекул, как в пограничном слое, так и в матрице мембраны.

Для аналитического расчета коэффициента диффузионной проницаемости получено выражение: где а, b, m – эмпирические коэффициенты, зависящие от природы исследуемых растворов и типа мембран (таблица 3.2).

Сравнения экспериментальных и расчетных данных приведены в приложении Б, таблица Б3. 3.3 Исследования коэффициента задержания Одной из экономически и технологически важных проблем по изучению мембранного процесса разделения водных растворов вообще, и технологических растворов биохимических производств, в частности, является возможность применения динамических мембран при ультрафильтрационной очистке сточных вод.

Важной характеристикой процесса электроультрафильтрации служит коэффициент задержания [127]. Он зависит от ряда факторов: типа системы мембрана-раствор, давления, температуры, концентрации и, особенно, от плотности тока. На рис.3.5. показана схема миграции ионов калия и уксусной кислоты и влияния на коэффициент задержания при электроультрафильтрационной очистки технологических растворов содержащих сульфат калия и уксусную кислоту. При наложении разности потенциалов в процессе электроультрафильтрации сульфат калия диссициирует на катионы К+ и анионы SО42-. Катионы мигрируют через прикатодную мембрану, а анионы - через прианодную отводятся в пермеат. Уксусная кислота слабо, но диссицирует на катионы Н+ и анионы СН3СОО-, которые вместе с водой мигрируют в тракт пермеата.

Коэффициент задержания динамических мембран объясняется формированием тонкого слоя частиц в коллоидном состоянии или сорбционным слоем макроионов, образованных на поверхности активного слоя пористой подложки в результате их сорбции из потока исследуемого раствора [128-130]. При образовании динамических мембран целесообразнее использовать коллоидные частицы, нейтральные органические полимеры, органические и неорганические полиэлектролиты. Так, в технологических растворах дрожжевого производства (бражке) содержание органических и минеральных веществ достигает 10 г/л. Эти продукты находятся в коллоидальном или растворенном состоянии и не оседают (коагулируются) в обычных условиях. Количество коллоидов составляет, примерно, 10% от общего количества растворенных веществ. Динамические мембраны образуются на пористой и полупроницаемой основе микро-, ультрафильтрационных мембран с величиной размера пор от 3 нм до нескольких микрон, причем, на различных по физической природе, материалах (пористые металлы, керамика, полимерные пленки) [131-132].

Для образования основы динамических мембран нами использованы водные растворы отходов спирто-дрожжевого производства биохимического предприятия «Биохим» Тамбовской области. Полученный раствор пропускали через ультрафильтрационную установку. Экспериментальные исследования по изучению динамических мембран, осуществлялись на ультрафильтрационных мембранах УАМ – 150, УАМ- 200 и УПМ-К при различных концентрациях (4,27; 5,32; 6,24; 8,40 кг/м3) и давлениях (0,8; 1,0; 2,0; 3,0 МПа), при температуре 200 С. Результаты исследования коэффициента задержания в зависимости от давления и концентрации для мембран УАМ – 150 и УПМ-К представлены на рис. 3.6 - 3.8. Из них вытекают следующие закономерности: при увеличении рабочего давления коэффициент задержания повышается.

Инженерная методика расчета технологических параметров электроультрафильтрационного аппарата

В нынешних сложившихся условиях решение проблемы устойчивости российской экономики напрямую будет определяться эффективностью развития чистых технологий, связанных, в том числе с утилизацией и вторичным использованием отходов. Развитие отходоперерабатывющих технологий на сегодня невозможно без мембранных методов. Считаем, это и должно быть современным вариантом ответа на ситуацию с неэффективным использованием имеющихся ресурсов субъектами экономики, нехваткой финансовых средств по причинам как внутреннего, так и внешнего характера.

В процессе производства этилового спирта и хлебопекарных дрожжей из свеклосахарной мелассы образуются технологические растворы в виде слабокислой барды. С одной стороны, технологический раствор — это отходы, вызывающие загрязнение окружающей среды. Закон РФ «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции», принятый еще в 1995г.,запрещает хозяйствующим субъектам сбрасывать барду в водоёмы или в канализацию без предварительной переработки (ст.8,п.5 Федеральный закон №171-ФЗ)[147]. Кстати, в других странах есть аналогичные нормы.

С другой стороны, технологический раствор, благодаря содержанию клетчатки, углеводов, белка и микроэлементов, является вторичным сырьевым ресурсом, она может служить сырьём для производства корма для животных и источником других полезных продуктов.

На заводе "Биохим", на материалах которого проведено данное исследование, технологический раствор ни коим образом не используют в хозяйственном обороте. Ее, пропустив через карт- отстойники, сливают затем в городскую канализацию. Тем не менее, она является ценным сырьем для комбикормовых предприятий, которые в условиях импортозамещения на продовольственном рынке имеют все возможности наращивания производства кормов, необходимых для отечественного бизнеса.

Повышение эффективности технологии переработки технологического раствора предполагает совершенствование методов ее очистки, концентрирования и получение сырья в производстве кормов [148]. В мировой практике переработки технологических растворов биохимических производств долгое время традиционно использовалась, как правило, технология «выпаривания фугата» на выкуум-выпарных установках. Высокие капитальные и эксплуатационные затраты, свойственные этой технологии, отрицательно сказываются на себестоимости готовой продукции. Снижение стоимости обеспечивается при использовании технологии аэробной микробиологической переработки технологического раствора с получением концентрированных кормовых дрожжей. Однако ее применение связано со значительными инвестициями и решением большого круга специфичных задач.

Основной из трудностей в утилизации технологических вод биохимических производств является переработка жидкой фазы - фугата, которого на ОАО "Биохим"образуется до 250 м3/сутки. Фактически в фугате содержится весь арсенал веществ, который вызывают загрязнение окружающей среды.

Для эффективного решения задач по переработке нашего раствора в технологическую схему переработки интегрируется оборудование мембранной фильтрации. Основное назначение фильтрационной установки - обессолить, минерализовать, разделив при этом фугат на два потока: фильтрат с низким ХПК и БПК, и концентрат с содержанием сухих веществ до50 %, что позволяет его далее эффективно переработать в корм животным.

Переработка промышленных растворов в предлагаемой инженерной схеме ОАО "Биохим" предусматривает использование электробаромембранного аппарата трубчатого типа. Традиционная схема очистки, существующая на ОАО "Биохим", не позволяет получить характеристики барды, требуемые для дальнейшего ее применения в производстве кормового продукта в животноводстве, а также в виде питательной среды для удобрения почвы.

Для проведения оценки экономической эффективности разработанной инженерной схемы очистки сточных вод ОАО "Биохим" были проведены следующие расчеты на основе данных по заводу и полученных результатов по сорбционным параметрам и коэффициентам проницаемости мембранных процессов в производстве разделения промышленных растворов.

На заводе установлено 6 карт- отстойников. Технологические воды (барда) очищаются механическим способом, т.е. после их отстаивания, жидкая фаза отделяется и сбрасывается в городские канализационные сети, а твердая фаза в виде "сжиженного" осадка вывозится тракторами за пределы завода.