EnglishGermanItalianRussian

Эффективность использования мембранных процессов в различных технологиях определяется рациональным выбором типа мембраны, аппарата и установки, а также технологическими условиями проведения этих процессов, позволяющими избежать или уменьшить ряд отрицательных явлений (концентрационная поляризация, гелеобразование, отравление, инкрустация и т. п.), снижающих эксплуатационные характеристики мембран и продолжительность их использования.

Отработка технологических режимов и создание для этих целей надежных, компактных и высокоэффективных мембранных аппаратов — важные проблемы мембранной технологии. Технологические решения, связанные с разработкой мембранных аппаратов, сохраняют свое значение, поскольку эксплуатация мембраны, заложенной в аппарат (схему, установку) неудачной конструкции, обречена на неудачу.
Особо следует отметить, что обратноосмотических и ультрафильтрационные процессы требуют создания и поддержания достаточно высокого рабочего давления и, следовательно, соответствующей аппаратуры, имеющей высокую герметичность и надежность в процессе эксплуатации. В случае же электродиализа должна быть обеспечена непрерывность электрической цепи и соответствующая электроизоляция элементов установки.
Поскольку в любом из рассматриваемых мембранных процессов по одну сторону мембраны концентрация растворенного вещества снижается, а по другую осуществляется его концентрирование, имеющее нежелательные технологические последствия, то необходимо обеспечить интенсивное перемешивание или удаление раствора с поверхности мембраны. С этой целью разрабатывают соответствующие конструкции аппаратов и их отдельных элементов. При обработке пищевых продуктов эти нежелательные явления связаны, прежде всего, с гелеобразованием на поверхности мембран, которое в определенной мере можно устранить подбором соответствующей конструкции мембранного аппарата и режима его работы.
Рассмотрим более подробно конструкционные и технологические характеристики аппаратов и установок, используемых в электродиализе, обратном осмосе и ультрафильтрации.

Электродиализные аппараты и установки.

Электродиализная установка для обессоливания пищевых продуктовЭлектродиализные аппараты выпускаются двух типов: прокладочные (рамочные) и лабиринтно-листовые.
Аппараты прокладочного типа представляют собой фильтр-прессовую конструкцию с горизонтальной осью электрического поля. В таких аппаратах прокладки образуют внешние стенки камеры, куда вкладывается сепаратор-турбулизатор. Сепараторы — это пространственно профилированные листы или сетки, конфигурация которых дает возможность осуществлять не только турбулизацию потока жидкости при минимальном экранировании поверхности мембран, но и механическую поддержку мембран.
Аппараты лабиринтного типа представляют собой фильтр-прессную конструкцию с вертикальной осью электрического поля. В них использована лабиринтно-сетчатая прокладка с косым расположением перемычек, состоящая из наложенных одна на другую сеток, выполненных в виде лабиринта с параллельными перемычками. Для улучшения турбулизации жидкости и упрощения изготовления прокладок перемычки к потоку жидкости расположены под углом 45′, образуя крестовину.
В аппаратах обоих типов используют электроды, изготовленные, как правило, из платинированного титана, а как основной материал для изготовления электродиализаторов — полимерные материалы, не выделяющие в воду токсичных веществ, например полипропилен.
В зависимости от гидравлической схемы соединения, все электродиализаторы можно разделить на прямоточные и циркуляционные. Последние могут быть периодического и непрерывного действия. В установках периодического действия исходный раствор циркулирует через камеры обессоливания и емкость для обессоленной воды до тех пор, пока в нем солесодержание не снизится до заданной величины. Затем обессоленную воду направляют на потребление, а бак снова заполняют соленой водой, и цикл обессоливания повторяется.
Основное преимущество периодической схемы обессоливания в том, что изменение солесодержания исходной воды или ее температуры влияет только на пропускную способность электродиализатора. Кроме того, изменение расхода воды в аппарате несущественно для технологического процесса, а изменение свойств мембран влияет только на снятие соли.
К недостаткам циркуляционных аппаратов периодического действия, следует отнести следующие:

  • плотность тока постоянно изменяется и процесс трудно контролировать;
  • мембраны не могут работать в условиях равновесия;
  • конструкционно установки довольно сложные, поскольку для их создания требуется большое количество трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры, а также насосы большой мощности, потребляющие значительное количество электроэнергии.

В циркуляционных установках непрерывного действия диализат циркулирует с помощью насоса через электродиализатор и соответствующий резервуар. По мере обессоливания воды часть ее непрерывно поступает потребителю, а на ее место добавляется такое же количество исходной воды. Концентрат может сбрасываться в сток или часть его разбавляется исходной водой и возвращается в рассольные камеры.
Преимущества такой схемы — обеспечение непрерывного выхода обессоленной воды и возможность обработки ее практически с любым солесодержанием. Кроме того, в циркуляционных установках непрерывного действия мембраны работают в одних и тех же равновесных условиях, а изменения легко контролировать. Эти аппараты просты в эксплуатации и легко могут быть автоматизированы.
К недостаткам их следует отнести большой расход электроэнергии, а также то, что в циркуляционных системах диалюат — рассол расходуется различное количество воды и скорость потока в диалюатиой системе выше, чем в предыдущей схеме.
Электродиализная установка для обессоливания сывороткиПрямоточные электродиализные аппараты могут быть одно- и многоступенчатыми. Одноступенчатые, состоят из одного или нескольких электродиализаторов, гидравлически соединенных между собой параллельно. Многоступенчатые аппараты на каждой ступени имеют по одному или несколько параллельно соединенных электродиализаторов. Ступени соединяются между собой последовательно. При обработке воды в прямоточных электродиализаторах ее солесодержание снижается от исходного до заданного за один проход. Степень обессоливания ее зависит от длительности нахождения воды в электродиализаторах и силы приложенного электрического тока.
Основные преимущества прямоточных электродиализных установок — большая пропускная способность; оптимальные условия работы мембран и электродиализных аппаратов; низкий расход электроэнергии; простота конструкций и возможность легко автоматизировать процесс.
Недостатки аппаратов этого типа — чувствительность к изменению расхода; быстрый выход аппаратов из строя при увеличении сопротивления мембран и снижении их селективности; изменение характеристик обессоливаемой воды требует соответствующего регулирования всего технологического процесса.

Ультрафильтрационные и обратноосмотические аппараты и установки.

Установки для баромембранных процессов состоят из разделительных аппаратов, включающих напорный или безнапорный корпус, снабженный выводами для подсоединения линий разделяемых систем и их компонентов, и разделительные элементы. Последние включают мембрану, пористую подмембранную подложку, опору, противостоящую давлению разделяемого раствора, а также турбулизаторы и дренажи.
В настоящее время используют следующие основные типы разделительных элементов: плоскокамерные, рулонные, трубчатые и на основе полых волокон. Конструкция разделительного элемента и технология его изготовления должны обеспечивать хорошие гидродинамические условия разделения растворов, отсутствие застойных зон и отложений на мембранах.

Плоскокамерные разделительные элементы — Технология получения их заключается в том, что пленочную мембрану с конфигурацией аппарата укладывают (или наносят в процессе изготовления мембраны) на пористую подложку, а затем на дренаж. Отдельные элементы собирают в блоки, из которых с помощью соответствующих конструкций монтируют плоскокамерный аппарат.

трубчатые фильтрационные элементы для пищевой промышленностиТрубчатые разделительные элементы — наиболее часто используют для разделения коллоидных систем, в том числе и пищевых продуктов. Получают их двумя основными способами. Первый основан на формировании трубчатых мембран с последующей их сборкой в элементы. Этот способ малоэффективный и низкопроизводительный, поэтому в промышленном изготовлении трубчатых элементов в основном распространен второй, который основан на формировании мембран непосредственно на поверхности пористых трубчатых каркасов с последующей их укладкой и герметизацией. Промышленность страны выпускает трубчатые элементы, полученные формированием мембран из растворов полимеров на внутренней поверхности стеклопластикового пористого каркаса. Трубчатый элемент можно также изготовлять из готовой пленочной мембраны путем намотки ее по спирали на пористую трубку так, чтобы намазанные клеем края перекрывали друг друга. Наиболее прогрессивна технология монтажа и эксплуатации трубчатых элементов, собранных в блоки.

Мембраны для молока осмосРулонные разделительные элементы — изготовляют путем свертывания в рулон на перфорированной трубке, отводящей фильтрат, сложенной вдвое мембраны, между листами которой находится дренажный материал. Рулонные разделительные элементы имеют существенные преимущества перед плоскокамерными и трубчатыми, однако их конструкция и условия фильтрации разделяемых растворов требуют тщательной подготовки последних. В связи с этим их, как правило, не используют для очистки и разделения сложных растворов, содержащих коллоидные взвеси, в том числе для обработки жидких пищевых продуктов.

половолоконная мембранаРазделительные элементы на основе полых волокон. Для процессов мембранного разделения с использованием полых волокон разработаны два типа аппаратов: безопорные и с опорно-распределительными трубками. Первые используют для ультрафильтрационного разделения, вторые — в обратном осмосе.
Для безопорных аппаратов разделительный элемент представляет собой пучок параллельно уложенных полых волокон, концевые части которых закреплены в пластмассовом блоке-коллекторе. Для закрепления концов волокон и герметичности торцевых частей аппарата используют заливочные компаунды, как правило, на основе эпоксидных смол. Готовые разделительные элементы помещают в пластмассовый, стеклянный или металлический цилиндрический корпус длиной не более 1000 мм и закрывают крышками с уплотнителями.
При изготовлении разделительного элемента с опорно-распределительными трубками полое волокно наматывают на цилиндры диаметром 500-600 мм, затем проклеивают вдоль них полосой. По месту склеивания волокна разрезают и снимают с цилиндра в виде полотен, которые затем оборачивают вокруг опорно-распределительной трубки. Концы волокон склеивают эпоксидным клеем. Готовый разделительный элемент покрывают слоем нетканого гидрофобного материала, а затем эпоксидной или фенолоформальдегидной смолой, которую армируют стеклотканью. В результате выполнения перечисленных операций получают стеклопластиковый аппарат, представляющий собой одно целое с разделительным элементом.
При изготовлении разделительных элементов особенно тщательно следует вскрывать торцы полых волокон, поскольку при этом можно повредить и деформировать волокна, выкрошить компаунды, а также засорить каналы волокон частицами срезаемой смолы. Используемые для заливки торцов волокон компаунды должны иметь хорошую адгезию к волокну.

Разделительные элементы на основе полых волокон находят применение наряду с плоскокамерными и трубчатыми элементами в изготовлении установок для очистки некоторых жидких пищевых продуктов (соки, пиво и т. п.).

Промышленные баромембранные аппараты и установки, применяемые в пищевой и молочной промышленности.

Основные требования, предъявляемые к мембранным аппаратам различных конструкций,— эффективное удаление с поверхности мембраны задерживаемых веществ (то есть снижение концентрационной поляризации, гелеобразования и загрязнения мембран) и компактность. Важны при этом также простота, удобство сборки и монтажа установки.
Разделение растворов в промышленных баромембранных процессах осуществляют на четырех основных типах аппаратов: фильтр-пресс (или плоскокамерных), трубчатых, рулонных и на основе полых волокон.

Плоскокамерная установка ультрафильтрации для молочной промышленностиАппараты и установки плоскокамерного типа (листовые, плоскорамные).

Аппараты этого типа собирают на основе плоскорамных элементов. Сборка такого аппарата довольно проста: набор мембран (мембранных пакетов) зажимают с помощью фланцев. Между мембранами по краям пакетов находятся рамки с отверстиями для отвода фильтрата и соответствующие прокладки (резиновые при ультрафильтрации и пластмассовые при обратном осмосе), предназначенные для герметизации. Схема ввода исходного раствора предусматривает последовательное и равномерное его прохождение над мембранами, расположенными на поверхности камер (рамок) сбора фильтрата, в которых находится дренажный материал. Эти аппараты широко используют для ультрафильтрационной обработки молочных продуктов.
Еще в СССР, был освоен выпуск обратноосмотических плоскокамерных установок УГ-1, УГ-10 и УГ-50. Последняя состоит из аппаратов безкорпусного типа с размером напорных камер 500 Х 1080 мм. В каждом аппарате вмонтировано 143 фильтрующих и распределительных элемента. Последние одновременно являются уплотнителями и изготовляются из полиэтилена. Фильтрующий элемент представляет собой два склеенных листа каландрированного винипласта с толщиной порядка 0,4 мм, между которыми расположена капроновая плетеная сетка с ячейками 2 — 3 мм. Листы для отвода фильтрата от мембраны в дренажный, образованный сеткой канал предварительно перфорированы по вершинам квадратной сетки с длиной стороны 10 мм, иглами толщиной 0,5 — 0,6 мм. С наружной стороны листов имеется слой нетканого материала, на котором располагается листовая обратноосмотическая мембрана. Фильтрующие элементы собирают в блоки. Опресняемая вода движется по напорным каналам одного блока параллельно. Напорные каналы отдельных блоков соединены последовательно. Блоки конструктивно разделены плитой из нержавеющей стали, в которой оборудованы отводы фильтрата из соответствующего блока. Расчетная скорость движения подаваемой на опреснение воды в напорной камере равна 1 м/с. При малой высоте (3 — 5 мм) такая скорость практически устраняет концентрационную поляризацию. Фильтрующие элементы (143 штуки) с рабочей площадью мембран 100 м2 сгруппированы в шесть блоков с 32, 29, 26, 19 и 16 элементами в каждом. Собранные таким образом плоскорамные аппараты характеризуются незначительными гидравлическими потерями в напорных камерах (порядка 0,1 МПа) при рабочих давлениях 4 — 5 МПа.
Имеется ряд других особенностей конструкции аппаратов этого типа. Достоинством плоскокамерных аппаратов является, прежде всего, простота в технологии изготовления. Они уникальны и в том отношении, что позволяют потребителю самостоятельно оптимизировать выбор мембран, поскольку в опытном образце можно разместить различные мембраны и в течение длительных испытаний установить их соответствие основным технологическим требованиям (коэффициент задержания, производительность, устойчивость к загрязнениям и т.д.). С другой стороны, данный тип аппаратов ограниченно используют при проектировании больших установок, поскольку сборку и демонтаж проводят главным образом вручную, что требует высокой тщательности и квалификации. Кроме того, существуют сложности при герметизации элементов; аппараты этого типа имеют сравнительно невысокую плотность упаковки мембран в единице объема. При ультрафильтрационном разделении растворов возникают проблемы, связанные с ограниченной скоростью рециркуляции раствора над мембраной и неравномерностью гидродинамических условий в отдельных зонах аппарата.

Аппараты трубчатого типа.

Подача исходного раствора в трубчатых элементах осуществляется внутрь трубки, разделительная поверхность (собственно сама мембрана) находится на внутренней ее поверхности, оптимальный внутренний диаметр трубки 8 — 25 мм. При сборке аппаратов трубки укладывают в виде блоков, а их концы заливают герметизирующим компаундом. Поскольку при такой конструкции трубка с нанесенной мембраной одновременно сочетает в себе функции разделительного элемента, дренажного материала и несущей конструкции, то такие аппараты имеют безнапорный корпус. Вследствие этого элементы и аппараты на их основе имеют низкую металлоемкость. Наиболее существенные преимущества такого типа элементов — гидродинамические характеристики, поскольку их сопротивление потоку незначительное, а линейная скорость протока может превышать 5 м/с. В связи с этим их используют прежде всего при ультрафильтрации, где необходимо разделить вязкие растворы, а также растворы с высокой склонностью к загрязнению мембран вследствие осадко- или гелеобразования, например, жидких пищевых продуктов. Конструкция практически дает возможность легко и эффективно осуществлять все способы очистки мембран, включая и механическую.
В СССР (НПО «Полимерсинтез», г. Владимир – ныне ЗАО “РМ Нанотех”) разработаны трубчатые ультрафильтры этого типа марки БТУ 05/2, промышленное производство которых было организовано в ПО «Тасма» (г. Казань). Их конструкция состоит из семи параллельно расположенных стеклопластиковых трубок с открытыми торцами, внутри покрытых полупроницаемой мембраной на основе ацетата целлюлозы, фторопласта или полисульфонамида. Концы трубок герметизированы в обоймах из утвержденной смолы. В зависимости от типа нанесенной мембраны ультрафильтры можно использовать для обработки растворов при разных условиях Длина элемента 2 м, диаметр обоймы — 60 мм, общая активная фильтрующая поверхность-0,5 м2, внутренний диаметр трубок 12,5 мм. Элементы выпускаются, транспортируются, хранятся и эксплуатируются в мокром виде (консервант при поставке заводом-изготовителем — глицерин, а в течение эксплуатации — растворы формальдегида или медного купороса концентрацией 4 кг/м2).
Основной недостаток трубчатых элементов такой конструкции, как и всех других элементов этого типа,— очень низкая полезная площадь мембран в единице объема аппарата. Кроме того, описанная конструкция, в частности, БТУ 05/2, удовлетворяя решению ультрафильтрационных, в том числе весьма специфических и трудно решаемых задач, не может быть использована для обратноосмотического разделения, где давление существенно выше, а поэтому данный принцип подачи раствора внутрь трубок неприемлем.
В обратном осмосе, аппараты трубчатого типа используют в меньшей мере, чем рулонные или на основе полых волокон. Однако, учитывая их очень высокие гидродинамические характеристики и слабую способность к загрязнению, они, по-видимому, незаменимы при очистке тех растворов, для которых все остальные типы аппаратов неприменимы (то есть стоимость предварительной подготовки выше критического уровня). Для решения подобных задач используют каркасные элементы с подачей исходного раствора снаружи трубки, то есть разделительный слой (мембрана) находится на внешней ее стороне.

Установка обратного осмосаАппараты рулонного типа.

Если элементы и аппараты трубчатого типа используют главным образом при ультрафильтрации, то рулонные преимущественно в обратном осмосе. Доля рулонных ультрафильтрационных мембран, среди всех рулонных мембран, не превышает 5%. Конструкция аппаратов этого типа характеризуется следующими преимуществами:
• высокой рабочей площадью мембран в единице объема;
• удобством изготовления и монтажа (демонтажа);
• сравнительной простотой конструкции;
• возможностью использования для его изготовления, заранее опробованной плоской мембраны.
В готовом рулонном элементе исходный раствор под давлением движется по напорному каналу параллельно оси элемента. Фильтрат, проходя через мембрану, попадает в дренажный слой и по спирали через него отводится в трубку-коллектор. Для того, чтобы гидродинамическое сопротивление дренажного канала не было слишком большим, его максимальная длина не превышает 3 м.
Рулонные элементы выпускают на основе мембранного полотна путем намотки на перфорированную винипластовую трубку пакетов, каждый из которых состоит из сложенной вдвое пленочной мембраны с помещенной внутрь полосы турбулизатора-разделителя. Между смежными пакетами прокладывают слой дренажного материала.
Эксплуатацию рулонных обратноосмотических элементов можно вести при рабочих давлениях в аппарате 3 — 5 Мпа.
На основе рулонных обратноосмотических, нано- и ультрафильтрационных элементов изготавливается большинство установок для пищевой и молочной промышленности.
Конструкции аппаратов и установок этого типа характеризуются высокой рабочей площадью мембраны в единице объема аппарата, удобством изготовления и монтажа (демонтажа), сравнительной простотой; возможностью использования для изготовления элемента, заранее опробованной пленочной мембраны и др.
Несмотря на широкое применение рулонных аппаратов для глубокого обессоливания минерализованных вод и для одностадийного опреснения морских вод, где остальные типы аппаратов обычно уступают рулонным, они также имеют недостатки и ограничения. Требования к предварительной очистке воды, молока, сыворотки, вина и т.д., намного жестче, чем для плоскокамерных и особенно трубчатых аппаратов. Невозможна механическая очистка мембран.
Таким же образом на экономике обессоливания сказывается необходимость весьма тщательной предварительной подготовки воды, требования к которой существенно превосходят требования к воде, поступающей на фильтр-прессные и, особенно, трубчатые аппараты. Хотя возможность загрязнения мембраны небольшая, поскольку гидродинамические условия разделения в рулонных элементах хорошие, основной причиной жестких требований к качеству поступающего на разделение раствора являются трудности, возникающие при очистке мембран, прежде всего невозможность их механической очистки.

половолоконная мембрана для пищевых средАппараты на основе полых волокон.

Как уже отмечалось, полое волокно (ПВ) представляет собой мембрану, выполненную в виде очень тонкого капилляра, строение которого может быть изотропным или чаще анизотропным по толщине стенок, при этом активный слой может находиться как с внутренней, так и с внешней стороны. Следовательно, существует определенная аналогия между полым волокном и трубчатой мембраной, что, обусловливает во многом конструкции аппаратов на их основе, аналогичные трубчатым.
Вместе с тем, малый диаметр полого волокна создает принципиально лучшие характеристики этих аппаратов. Прежде всего, в результате малого диаметра волокна самонесущая конструкция мембраны может выдерживать без нарушений структуры воздействие высоких давлений, то есть ее можно использовать в условиях обратного осмоса без каких-либо дополнительных мер по упрочнению каркаса. Вследствие малого диаметра как внутреннего, так и внешнего сечения полых волокон, их общая разделяющая поверхность в единице объема аппарата более чем на порядок превосходит аналогичный показатель рулонных элементов и более чем на два — трубчатых элементов. Кроме того, при равном объемном расходе линейная скорость во внутреннем канале полого волокна вблизи рабочей поверхности выше, чем в остальных аппаратах. Учитывая также то, что коэффициент гидравлической проницаемости (удельная проницаемость единицы площади мембраны при единичном давлении) существенно ниже, чем в пленочных мембранах (в общем, это компенсируется большой рабочей площадью мембран), уровень концентрационной поляризации и, следовательно, тенденция к загрязнению вследствие концентрационной поляризации в случае модулей на основе полых волокон незначительна.
Перечисленные преимущества полых волокон способствуют более интенсивному внедрению их модулей не только в обратном осмосе, но также в ультра- и микрофильтрации. Многообразие конструкций аппаратов этого типа можно отнести к двум группам: безопорные аппараты и аппараты с опорно-распределительными трубками.
Безопорные аппараты более просты по конструкции. Обычно аппарат представляет собой пучок полых волокон, помещенный в корпус, который в зависимости от назначения (рабочего давления), можно изготавливать из стекла, пластмассы или металла. Концы параллельно уложенных полых волокон закреплены в пластмассовом блоке-коллекторе. Безопорные аппараты используют в основном при низких давлениях, то есть в ультра- и микрофильтрации, а также в качестве диализаторов. Исходный раствор, подлежащий разделению, может подаваться во внутренние каналы волокон или в межволоконное пространство. В первом случае фильтрат выводится через боковые штуцеры корпуса, а концентрат — с противоположной от ввода стороны. Во втором случае разделяемый раствор подается в один из боковых штуцеров, фильтрат выходит из торцов аппарата, а концентрат — из противоположного бокового штуцера. Если схема потоков такова, что исходный раствор подается во внутреннюю часть полых волокон, то по мере прохождения волокна раствор постепенно концентрируется. Степень концентрирования и связанные с ней отрицательные эффекты тем ниже, чем большая скорость потока (больший внутренний диаметр капилляра) и чем меньшая длина полого волокна. Поэтому при проектировании размера аппарата (его длины) учитывают внутренний диаметр полого волокна; чем большее значение последнего, тем длиннее может быть аппарат, и наоборот. Так, при длине аппарата, превышающей 250 — 300 мм, используют полые волокна с внутренним диаметром 0,5 — 1,5 мм, тогда как при меньшей его длине (250 — 300 мм) внутренний диаметр волокна может составлять 0,2 мм; тем самым потери площади мембраны вследствие уменьшения длины компенсируются повышением плотности упаковки волокон. Естественно, что подобные проблемы не столь очевидны, при подаче исходного раствора снаружи полого волокна и в определенной мере такая схема потоков выглядит лучше в технологическом плане. Однако реализация такой схемы сдерживается тем, что в случае полых волокон с асимметричной структурой (а именно такие волокна намного производительнее) активный слой легче формировать с внутренней, чем с наружной поверхности волокна.
Как уже отмечалось, разделительная аппаратура на полых волокнах с точки зрения ее конструкции наиболее проста. Сочетая мембранную и конструкционную функции, полые волокна не требуют дренажных и поддерживающих систем, что значительно облегчает их разработку и изготовление. Кроме того, для аппаратов данного типа характерна очень высокая рабочая поверхность мембран в единице объема (на порядок и более превышающая аналогичный параметр для описанных выше аппаратов), компактность, низкая материалоемкость, легкость замены элементов. Отсутствие застойных и тупиковых зон облегчает стерилизацию оборудования. Для волокон с внутренним диаметром 0,5 — 1,0 мм хорошие гидродинамические условия обеспечиваются уже при тангенциальных скоростях подачи раствора порядка 0,5 м/с, в результате чего производительность процесса разделения на полых волокнах при прочих равных условиях выше, чем на мембранных аппаратах других типов.
модуль фильтрации на полых волокнах для сывороткиАппараты на основе полых волокон, предназначенные для разделения растворов обратным осмосом, как правило, имеют центральные опорно-распределительные трубки. Разделительный элемент, подготовленный, как описано выше, в этом случае помещают в стеклопластиковый корпус, а исходный раствор подается в межволоконное пространство через опорно-распределительную трубку. Фильтрат, проникающий через стенки полых волокон, по их каналам попадает в сборные камеры, откуда выводится наружу через штуцеры, расположенные по обоим краям аппарата. Концентрат выводится с противоположной стороны аппарата.
В связи с многообразием возможных вариантов укладки полых волокон в аппаратах с центральной опорно-распределительной трубкой специалистами нашей компании были сравнены конструкции с крестовой параллельной укладкой и крестовой укладкой с пористыми прослойками. В первом случае исходный раствор подавался в центральную трубку с перфорациями, обеспечивающими распределение потока по всей длине рабочей зоны радиально от центра к периферии. Во втором — полое волокно укладывали параллельно и послойно, а каждый слой был отделен пористым нетканым материалом на основе вискозы. С целью создания направленного потока раствора в торцах находятся эпоксидные блоки. Течение раствора радиальное. В третьем аппарате, также содержащем два эпоксидных блока, волокна разделены кольцевыми прослойками из пористого нетканого материала, а исходный раствор движется вдоль аппарата. Испытания показали, что наиболее стабильные и высокие показатели разделения достигаются в аппарате крестовой укладки полых волокон с пористыми прослойками, способствующими равномерному распределению подаваемого потока в межволоконном пространстве.
Несмотря на очевидные преимущества мембран в виде полых волокон и аппаратов на их основе они также имеют некоторые недостатки. Прежде всего, при их использовании особо важной является предварительная подготовка поступающего раствора. Попадание крупных частиц внутрь капилляра волокна необратимо выводит его из строя. К таким же последствиям приводит осадко-гелеобразование внутри капилляров. Хотя относительно концентрационной поляризации полые волокна являются удачной конструкцией, однако с точки зрения очистки загрязненных мембран она наиболее уязвима. Недостаток аппаратов этого типа заключается также в том, что дефектность отдельного волокна (а вероятность ее весьма высокая при количестве капилляров десятки тысяч) и выход его из строя, например, в случае разрыва, резко ухудшает показатели разделения аппарата вплоть до необходимости его замены. Именно этим обстоятельством объясняется, по-видимому, то, что по производительности (величина солезадержания) аппараты на основе полых волокон, в том числе выпускаемые ведущими зарубежными фирмами (DuPont, Toybo, Amicon, GE и др.), существенно уступают остальным типам, контроль качества мембран в которых более надежен.
Солезадержание обратноосмотическими аппаратами на основе полых волокон пока не превышает 80 % по хлориду натрия, вследствие чего их используют для опреснения слабоминерализованных вод, например, подземных и поверхностных. В отношении ультра- и микрофильтрационного разделения, имеющийся ассортимент полых волокон и модулей на их основе ограничен как со стороны высоких (больше 100000), так и низких молекулярных масс (меньше 1000).