Характеристика полупроницаемых мембран

Полупроницаемая мембрана является главным элементом мем­бранных аппаратов. От свойств и характеристик полупроницаемых мем­бран зависит эффективность мембранных процессов. Полупроницаемые мембраны изготавливают из различных материалов. При эксплуатации важно определить влияние на свойства мембран рН обрабатываемого раствора, температуры и давления, при которых происходит разделе­ние растворов.

Первыми мембранами, нашедшими применение в молочной про­мышленности, стали ацетатцеллюлозные мембраны из тонкого (до 0,1 мкм) микропористого фильтрующего слоя и макропористой основы толщиной от 100 до 1000 мкм. Основную роль в мембранных процессах разделения жидкостей играет микропористый фильтрующий слой, кото­рый характеризует такие показатели мембраны, как скорость фильтра­ции и селективность. Путем регулирования состава полимера, из кото­рого состоит мембрана, а также технологии изготовления мембран можно получить фильтрующий слой с различным размером пор и разной толщины. Ацетатцеллюлозные мембраны эксплуатируют в диапазоне температур от 0 до 50 °С и рН от 3 до 8. Недостатками этих мембран являются узкий рабочий диапазон температуры и рН, а также низкая механическая прочность, уменьшающая срок их эксплуатации. Это создает трудности для мойки и дезинфекции мембранного оборудования.

Применение других полимерных материалов (ароматических полиамидов, полисульфонов, сополиамидов и др.) для изготовления мембран позволило улучшить характеристики последних и расширить диапазон температур и рН. Мембраны, изготовленные из этих материалов, можно эксплуатировать в диапазоне температур от 0 до 80 °С и рН от 2 до 12. Такие мембраны устойчивы к воздействию моющих и дезинфицирующих средств и сжатию под давлением. Структура мембран идентична ацетатцеллюлозным. Для повышения прочностных свойств макропористой основой в таких мембранах служат нетканые материалы — тонкий или толстый капрон, пропилен, а микропористым фильтрующим слоем, который наносят на эту подложку, − названные полимерные материалы.

Полупроницаемыми мембранами могут служить ядерные фильтры, имеющие регулируемую пористую структуру. Ядерные фильтры изготавливают из полиэтилентерефталатной (лавсановой) пленки толщиной до 10 мкм и диаметром пор от 0,01 до 2,5 мкм путем облучения этой пленки потоком ускоренных тяжелых ионов и последующего травления растворами щелочей. Фильтры могут выдерживать воздействие температур до 200 °С и стабильны в диапазоне рН от 1 до 14.

В последние годы созданы полупроницаемые мембраны из ме­таллокерамики, стекла, оксидов металлов и некоторых других материа­лов. Они обладают высокой механической прочностью, термостойко­стью (до 200 °С), химической стойкостью в диапазоне рН от 0 до 14, стойкостью к высокому давлению и т. д., что создает условия для их длительной эксплуатации.

Основные характеристики полупроницаемых мембран − предел (селективность) и скорость разделения.

Предел разделения мембран выражает задерживающую способ­ность мембран по конкретному компоненту молочного сырья (жир, белок, лактоза, минеральные вещества и т. д.):

R=(r_c −r_ф)/ r_с,

где r_с — массовая доля определяемого компонента в исходном сырье; r_ф — массовая доля определяемого компонента в фильтрате.

Предел разделения мембран определяется минимальной моле­кулярной массой молекулы, которая может быть отфильтрована. Кроме того, имеет значение форма отделяемой частицы, так как молекулу сферической формы отделить легче, чем молекулу вытянутой формы. Нужно принимать во внимание и наличие гелевого (белково-минерального) слоя, появляющегося в результате пропускания молочного сырья через мембраны и влияющего на размер задерживаемых частиц при дальнейшей фильтрации.

Полупроницаемая мембрана может иметь определенный или размытый предел разделения. Мембраны с определенным пределом разделения отделяют все частицы с определенной молекулярной массой. Мембраны с размытым пределом разделения пропускают некоторые частицы с более высокой молекулярной массой и задерживают частицы с более низкой молекулярной массой.

Предел разделения мембраны зависит от диаметра пор в фильт­рующем слое и диаметра молекулы задерживаемого вещества. Точность фильтрации мембран определяется размером пор и распределением раз­мера пор. Порог фильтрации более или менее размыт, так как невоз­можно выполнить точное разделение по молекулярной массе или диа­метру молекулы.

Скорость разделения компонентов молочного сырья при мембран­ной фильтрации зависит от характеристики используемых мембран, т. е. от толщины мембраны, площади ее поверхности и диаметра пор. Скорость разделения зависит также от параметров эксплуатации фильтрационных модулей, а именно от давления, рН, температуры и гидродинамических показателей разделения.