автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка процесса очистки желатиновых фотоэмульсий на основе микро- и ультрафильтрации

Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологический институт имени Д. И. Л\енделеева

На правах рукописи

УДК 66.067.38:668.317:77.021.1 (043.3)

ШАБАЛИН НИКОЛАЙ ГЕРМАНОВИЧ

разработка процесса очистки желатиновых

Фотоамульоий на основе микро- и

ультрафильтрации

05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1990

)

Работа выполнена на кафедре процессов и аппаратов химической технологии Московского ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологического института им. Д. И. Менделеева.

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент Орлов Н. С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Волгин В. Д., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Завьялов Ю. Ф.

Ведущее предприятие — Производственное объединение «Славпч» (г. Переславль-Залесский Ярославской области).

Защита состоится _ 1990 г.

час. в ауд. № на заседании спе-

циализированного совета Д 053.34.08 при Московском химико-технологическом институте им. Д: И. Менделеева по адресу: 125190, г. Москва, А-190, Миусская пл., д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре МХТИ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан

/ &1СТЛ&рЛ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических науку доцент■ .

'<г%< Ю. А. КОМИССАРОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В большинстве развитых отраслей промышленности из-за высоких требований к качеству получаемых изделий все большее внимание уделяется процессам очлстки технологических сред. Для получения особо чистых сред в последние годы успешно применяют в сочетании с традиционными методами очистки баромембрашще процессы. Среди последних наиболее широкое применение находят микро- и ультрафильтрация (М5 и УФ). Вместе с тем из-за недостаточного количества отечественных промышленных мембранных установок реализация этих процессов на ряде предприятий осуществляется на импортном оборудовании.

По действующему в настоящее время на производственном объединении "Слааич" Министерства химической промышленности СССР регламенту очистку от микрозагрязнений желатиновых фотоэмульсий, иснодъзуышх в производстве внсокоразрешаюпих фотопластинок (БРП), осуществляют млкрофильтрацией на патронных и дисковых фильтрующих элементах производства фирм Ра2?,8а^ОГ1иЗ,(ге?ГТШП 0 диаметрами пор мембран от 1,0 до 3,0 мкм. Эти фильтрующие элементы работают в "тупиковом" режиме, то есть без протока очищаемого раствора вдоль поверхности мембраны и, в связи с этим, имеют ограничешшй срок эксплуатации от 6 до 24 часов. Поэтому основным недостатком данного процесса является большой расход фильтрующих элементов, т.к. они не подвержены регенерации.

Значительные валютные затраты, вызванные малым ресурсом фильтрующих элементов, а также повышение требований к качеству эмульсионного слоя ВРП со стороны предприятии, производящее изделия микроэлектроники, обусловили необходимость постановки исследований по применению 1ЛФ и УФ мембран отечественного производства для очистки фотоэмульсий.

В связи с тем, что ко времени начала лабот отсутствовал опыт применения для очистки желатиновых фотоэмульсий УФ и Ш, осуществ- -ляемой в проточном рекиме, было необходимо исследовать влияние характеристик пористости мембран и физико-химических свойств желатина на удельную производительность и селективность мембран, а такяе разработать методы расчета этих параметров с целью выбора режимов эксплуатации мембранного оборудования.

Актуальность диссертационной работы обусловлена также тем, что она выполнена в соответствии с постановлением Совета Министров СССР и ГКНТ СССР Л 713 от 31.07.85г., приказом Министерства химической промышленности СССР Л 735 от 31.10.85г. и общесоюзной научно-тех-

ничоской программой 0.10.03 / задание 01.Н.НЗ/, в которых подчеркивалась необходимость разработки методов расчета мембранных процессов очистки жидких смесей и аппаратов для их проведения. Номер государственной регистрации 76021709.

Цель работы. Разработка технологии очистки и концентрирования растворов желатиновой фотоэмульсии па основе отечественных микро-и ультрафильтрационных мембран, включающая:

- дефектоскопия и прогнозирование свойств мембран на основе исследования их пористой структуры;

- создание методики расчета удельной производительности микро-

и ультра/фильтрационных мембран на основе исследования гидродинамики, массоотдачи и физико-химических свойств концентрированных водных растворов желатина;

- выбор соответствующего мембранного оборудования и определение технологических режимов его эксплуатации.

Научная новизна работы. Разработана математическая модель процесса ультрафпльтрацин при очистке и концентрировании водных растворов ВМС, включающая методы расчета:

- виркальных коэффициентов уравнения состояния, базирующихся на зависимости фактора формы макромолекул от дисперсионных и электростатических взаимодействий компонентов раствора;

- осмотического давления и удельно! производительности ультрафильтрационных мембран в зависимости от гидродинамических режимов потоков раэделяег,1шх растворов и их концентраций.

Практическая значимость и реализация результатов исследования. Разработана и находится в стадии реализации на БО "Славич" двухступенчатая технологическая схема очистки и концентрирования водных растворов желатина, используемых в производство фотоэмульсий для ВРИ Исследованы и рекомендованы для применения соответствующие типы микро- и ультрафильтрационных мембран отечественного производства, а также режимы их эксплуатации в процессах очистки фотоэмульсий.

В результате изменения конструкции установки "Поромер" и разработки новой программы расчета характеристик пористости для персональ ной ЭВМ "йсйра-226" усовершенствована методика исследования поромет-рических характеристик мембран гидродинамическим методом.

На базе этой методики, а также с помощью растровой электронной микроскопии исследована пористая структура отечественных микро- и ультрафильтр.чционных мембран.

В 1986 году установка "Поромер", методика исследования мембран гидродинамическим методом и программа расчета порометрических харак-

теристик внедрены на опытном производстве Московского института теплотехники о реальным годовом экономическим эффектом 50,5 тысяч рублей (акт внедрения Й 410 от 29.12.86г.).

В 1988 году методика и программа расчета характеристик порисtooth внедрены на ПО "Электроника" (г.Воровэз) для исследования микро-и ультрафильтрациониых мембран, примэняа.адх в охемах получения особо чистой воды (акт внедрения № 251 от 03.01.89г.).

Лпробр.ггл.ч работы. Материалы диссертации докладывались на:

- Всесоюзной научной конференции "Состояние и развитие мембранной техники" (г.Краснодар, апрель 1989 г.);

- Всесоюзном научно-практическом семинаре-школе "Мембранная технология в решении экологических проблем" (г.Улан-Удэ, июнь 1390г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы, содержащего §9 наименований и <2О приложений, общий объем работы гсъ страниц, в том числе рисунков, "/3 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой глат^ приводен анализ литературы по существующей технологии производства ВРП, методам очистки и физико-химическим свойствам концентрированных водных растворов нелатина. Рассмотрены современные методы исследования пористой структуры мембран и вопросы математического моделирования мембранных процессов.

Исходя из потребностей действующего производства и основываясь на результатах анализа литературных данных была сформулирована цель исследований, заключительны.! этапом которых являлась разработка современной технологической схемы очиотки выоокоразреиающих яопатино-вых фотоэмульсий о применением микро- и ультрафильтрацин. Для достижения поставленной цели было необходимо:

- усовершенствовать методику исследования порометрических характеристик мембран и на ее основе осуществлять подбор и прогнозирование свойств отечественных мембран;

- на основе анализа электростатических и дисперсионных взаимодействий расочитать физико-химические свойства - коэффициенты диффузии и седиментации, а также динамическую вязкость ноидеалышх растворов ВМС;

- разработать методики расчета осмотического давления и удел$-» ной производительности мембран.

Вторая глава посвящена описанию использованных в работе экоперп^„

ментальных установок, расчетных и аналитических методик, а также объектов исследования и ах овойств.

Для исследования порометрических характеристик мембран была использована разработанная ранее на кафедре процессов и аппаратов химической технология МХТИ ш.Д.И.Менделеева установка "Поромер", базирующаяся на гидродинамическом методе.

В результате усовершенствования конструкции установки за счет разработки оптического измерителя расхода проникающей жидкости достигнута более высокая стабильность получаемых результатов.

Методика количественной оценки характеристик пористой структуры мембран базируется на уравнениях Лапласа (I)

.««■»с» ri= atfKco.e/(\ ся

el=37piSnLn."/8/',E (2)

где б' - поверхноотное натяжение на границе раздела проникающей п смачивающей жидкостей £h/mJ ; К - коэффициент Шлезингера, учитывающий окорость изменения давлэяга; 0 - краевой угол смачивания; pj - избыточное давлэние над мембраной Jjla] ; £ - толщина мембраны [H]; - вязкость проникающей жидкости [na.cj .

Эксперименты по мккро- и ультрафильтрацки водных растворов аела-тина были проведены на стандартной лабораторной ячейке объемом 250 см3, снабженной магнитной мешалкой и змеевиком для термостати-розания раствора. Площадь мембраны составляв 25,5 см"\ Частоту оборотов мешалки измеряли с помощью частотомера. Опыты проводили в шь тервалах температур 40+70 °С, частот оборотов ыеыалки П =7+20 с-*, концентрацией желатина C-j =10*50 кг/м3, рН 3+8,2, рабочих давлений ûP=(CH4,5). Ю5 Па .

При определении концентрация гелеобраэования Сг желатина и коэффициентов массоотдачи и использовали известное соотношение:

G = >tn(Cr/Cj <3>

Экспериментально порченные значения удельной производительности G мембраны по пермеату при различных С^ и П представляют в виде графика / ( Eh (Cil) в полулогарифмических координатах. Концент рация, соответствумдая гелеобразованшо, характеризуется величию)!, пропорциональной отрезку отсекаемому на оси абсцисс при экстраполяции прямых на этом графике. В соответствии с уравнением (3) J3 раяочатыэался как тангенс угла наклона экспериментальной зависимости б полулогарифмических координатах (т ~ J (Cr/Ci)) .

3 экспериментах были использованы воднце растворы высоковязксго фотографического желатина. Концентрация желатина в исходном растворе, ретантз и лермэате определялась на спектрофотометре ЁРЕСОРР 1/У-УТ£ М~40 _ (ГДР) в интервале длин волн 26СЧ230 ни. Б работа Применялись отечественные макро- и ультрафильтрациояние мембраны следующих марок МФЖ, -ЩФ, УЗФ, УФ®, ЭТИЛ, ПСУ, ПСЫ, УАМ. Исследования пористой структура мзыбран методом электронной микроскопии были проведеш на сканирующем микроокопе _ ~ 35£~ фирмы 1Е01*

(Япония).

Третья глава посвящена обсуждению результатов экспериментов по определению характеристик пористости микро- и ультрафлльтрацюнных листовых полимерных мембран отечественного производства, по влиянии внешних факторов на процессы МБ и УФ водных растворов аелатина и математическому моделированию процесса ультрафильтрации водных растворов ВМС.

Компьютерная программа обеспечивает обработку экспериментальной кривой & - У ( Р) и представление поромзтрических характеристик в удобном табличном или графическом виде на окране дисплея, печатавшем устройстве или графопостроителе. Текст расчетной программ "По-ромер" составлен с использованием алгоритмического языка Бзйсик.

Результаты расчета дифференциальных и интегральных характеристик пористости мембраны могут быть оформлены в виде таблиц пли графиков (рис.1).

-1 .\б е.?з

0.69 О.-16 0.23

е. ее,,

радиус пор и с ни ] xi.©е -01 Рис.1. Порограмма мембраны УШ-П Выбор ультрафильтрационных полимерных листовых мембран проводился на основе исследования их пористой структуры. В таблица I приведены интегральные характеристики мембран, полученные гидродинамическим методом и данные, предоставленные предприятиями-изготовителями.

относительное число пор n5 с н 3 х-кве-о"!

.ее 5.ее

Таблица I

Поромегрнчзокпе характеристики исследованных мембран

Марка1Гидродинамический метод I Данные изготовителя

мембраны }-!-

} Средний Эффективная ! Средний ! Эффективная I радиус пористость ! радиус ! пористость

__| Йср,нм Гэср, % \Йср,нм\ Рэф,%

утвш 24,7 41 25 -

упм-юо 21,8 24 25 -

уффк 22,6 87 10+25 -

уфф 19,8 87 10*25 -

псу-20 15,9 20 10 75

псу-40 17,9 26 20 66

псу-70 25,8 78 35 74

псу-100 40,6 80 50 77

уам-300 17,3 71 15 82±3

С целью проверки достоверности результатов гндродиначичэсюто метода, а также оценки характера структуры УФ и М-5 мембран была прз монэна растровая электронная микроскопия. Как видно из микрофтогра-фий поверхностей активного слоя мембран УЕМ п ЖНО0 радлуон составляют 20 + 25 нм (рис.2). В целом результаты электронной микроскопии находятся в хорошем соответствии с данными гидродинамическо метода.

ШЖ'1 х-

У'-

Ш&к

К'."

I •'» И-«', -

щзт^М

Еис.2. Микрофотографии поверхностей активного слоя

мембран УПМ-П и У1И-100 Микрофтографии поперечного скола мембраны наглядно демоне трир; ее анизотропную структуру (рис.3). Очень тонкий ( $ » 0,1 мкм) селективный слой опирается на крупнопористую часть матрицы мог,Юра которая нанесена на крупноволокнистув подложку, предохраняющую ме

при разных увеличениях (селективный слой слева).

ну от деформации в процессе эксплуатации.

Как погсазал опыт применения мембран а схемах получения особо чистой воды, крупнопористые подложки могут слузгать источником механических и других загрязнений очищаемых раотворов. По этилу электронная микроокопия использована для 'анализа характера структуры мата-риала подлотюк мембран. Сравнительный анализ изображений подложек мембран УШ-П и УШ-100 (рис.4а,б) позволяет сделать следующее заключение. Мембрана УШ-ЮОвзледствие более эффективной пропитки круп-

Рис. 4. Микрофотографии мембран УПМ-П и УПМ-100 со стороны

подложек

новолокнистой подложки мембранообразующш веществом в меньшей степени загрязняет пермеат компонентами, вымываемыми из материала подложи. Поэтому УЩ-100 обладает преимуществом перед УПМ-П при использовании в схемах получения особо чистых технологических оред.

На основе микрофотографий Ш и УФ мембран (МИЖ,УФФК,ММ,УФФ и др.) I непосредственно оцениваются степень гетеропорозности, а также наличие

или отсутствие дефектов а мембране.

Мембраны на основе фторопласта, полиамида и полисульфона инертны по отношению к особо чистым водным растворам желатина, что и определило их предварительный выбор для процессов очистки.

Таким образом наличие информации о пористой структуре отечественных мембран позволило перейти непосредствеачо к исследованию микро-и ультрафильтрацци водного раствора желатина.

Ь связи с отсутствием в литературе данных по I.® и УФ растворов желатина бати проведет эксперименты на лабораторной установке, описание которой приведено во второй главе, с целью изучения влияния внешних факторов (рабочего давления, концентрации, рН и температуры раствора желатина, частоты оборотов мешалки) на цроцесс разделения. В соответствии с поставленной целью работы задача первой серии экспериментов заключалась в выборе мембраны, которая обеспечивала бы аффективную задержку микропримесей при высокой проницаемости и минимальной селективности по цолевому компоненту - желатину. Поэтому исследования проводились в широком диапазоне внешних факторов процесса микрофильтрации.

Анализ экспериментальных данных, характеризующих влияние температуры, рН, концентраций на удельную производительность (3- и наблюдаемую селективность Йн ыикрофильтрацпошых мембран позволил сделать следующие выводы. Влияние температуры в исследованном диапазоне 40*75°С на величины & и К ц мембран М$ФК в целом несущественно. Вместе с тем при повышенных температурах наблюдалось возрастание селективности по целевому компоненту. Поэтому в соответствии с поставленными требованиями рекомендован рабочий интервал 40*60 °С. В регламентированном требованиями производства к очищенному водному раствору желатина интервале рН=5,2+6,2 (? тлеет минимальные значения. Селективности Йн принимает такие значения, при которых будет осуществляться концентрирование желатина. Это обусловлено высокой концентрацией очищаемого.раствора, что подтверждено экспериментальными данными (рис.5а,б). Согласно этим данным, требованию высокой проницаемости и низкой селективности отвечали мембраны ШФК 02 и М при С< --10+20 кг/м3.

Концентрирование очищенного раствора до величины 50+60 кг/м3, обусловленной технологическим регламентом приготовления высокоразре-шающпх фотоэмульсий осуществлялось ультрафильтрацией. При разработке этой стадии решены вопросы, связанные с прогнозированием проницаемости мембран и определением предела концентрирования, а также

выбором внешних условий и .'идродинамических режимов, подбором соответствующей мембраны. Ультрафильтрационные мембраны имеют мштмаль-ную производительность в рассмотренном диапазона pH.

40 LVW и ю 20 .. .

Рис.5. Влияние концентрации С^ водного раствора желатина

на удельную производительность G- (а) и селективность RH (б) мембран ШФК JH(I),Jf2(2),J0(3),M(4)1>É0(5) при -L=40°G, pH=6,2,fcP=3 • Ю5 Tía, И = 15 o"í Для повышения производительности необходимо создавать более высокие скорости потока исходного раствора в мембранных каналах. Процесс следует проводить при рабочем давлении дР, соответствующем началу области, в которой наблюдается инвариантность G" по отношению л Р.

Па основании анализа результатов экспериментов была рекомендована принципиальная схема очистки и концентрирования водных растворов желатина, используемых в производстве ВРЛ, состоящая из двух ступеней (рис.6). Первая ступень - мшсрофильтрация разбавленного раствора,

Сбросньш

Цсходнын раствор

' л поток

rj-нэ—

к

Целевон

продукт

CsPOCHAtÚ

ПОТОК

жэлатшш

Рис.6. Принципиальная схема очистки растворов вторая - ступонь концентрирования, очищенного от примосой рютнорп. На порвоН ступени целесообразно использовать мембрчны № ц/щ 1ЛФФК И, на второй - УШЛ-И или УПМ-100.

Вместе о тем для практической реализации этой схемы в технологии очистки необходимо было выполнить ряд исследований, направленных на расчет проницаемости мембран о целью выбора ее поверхности и гидродинамических режимов эксплуатации. Если в отношении первой стадии - микрофильтрации для решения рассмотренных вопросов было достаточно информации, полученной из предварительных экспериментов, то при практической реализации ультрафильтрации возник ряд проблем: - выбор рабочего давления; - учет агрегации желатина в растворе и изменения его свойств; - резкое снижение производительности УФ мембраны иэ-эа образования геля и ряд других.

Специфичность процесса ультрафильтрации высококонцентрироЕанных растворов ВМС выражается в зависимости удельной производительности мембран от рабочего давления, гидродинамического режима исходного потока, температуры и физико-химических свойств компонентов разделяемого раствора. Проницаемость мембран в процессах УФ и м® рассчитывается на основе известных уравнений:

(}= &оир -дэт) (4)

г _,м Р?Г Яо((С+1Ы ««

где 1То= (М0 КиУ ~ УДзльная производительность мембраны по чистому раотворителю £ы3/м^«о-ПаЗ вязкость растворителя

£ 1Ш«о 3 , "О" - нижний иццекс, характеризующий растворитель.

Последние данные свидетельствуют о том, что осмотические давления концентрированных растворов ВМС достигают высоких значений. Поэтому, для прогнозирования зависимости 0 от А Р ультрафильтрами о иных мембран необходимы методы расчета осмотического давления растворов ВМС, гидравлического сопротивления пограничного слоя, профиля концентрация в примембранном слое и концентрации С^ для каждого РВ.

Неидеальность концентрированных растворов ВМС учитывалась коэффициентом сяимаемости, который входит в уравнение ооотояния. Наибольший вклад в величину последнего вносит фактор формы. Корректировка уравнения состояния осуществлялась с помощью вириалынх коэффициентов. Фактор формы зависит от электростатических и дисперсионных взаимодействий компонентов раствора. Вириальше коэффициенты расочитывались по следующим соотношениям:

Вг^+ЯЛ Сба)

-.-.Г . ¡K г \2

(66)

B3=V* + 2 r,S,v« +(M,)a

= ^ + (6B)

К^ — соответственно объем, площадь поверхности и средний радиус кривизны молейулы для уравнения состояния, записанного а олодупцем виде:

5Г=кТ (Ср+ ВаСр +ВзСр + ß^ Ср) с?) .

где Ср -Ид С/ М - молекулярная плотность , |\)д- число Азогал-ро, М - молекулярная масса ВМС [кг/кмоль]. ... .

Реальные конформацни макромолекул смоделированы эффективным . гидродинамическим эллипсоидом (ЭГЭ), характеризующиеся аксиальным отношением р , равным отношении большой Ü и малой b полуосой. ЭГЭ моаэт шлеть промежуточные форш четырех геометрических тол: сферы (р =1), удлиненного эллипсоида вращения (1 < р ^ 10), удлл-нонного сферощшшдра (10 ^ р 50), цилиндра (р>50). Характерные размеры перечисленных фигур Vf, 8-j ) R-f однозначно связали о величинами р, О b .

Размеры и форма ЭГЭ рассчитаны на основе литературных данных по коэффициентам диффузии Do , константам седиментации So , характеристическим вязкостямГр] . молекулярным массам М и парциаль-шсл удельным объемам EMG по алгоритму, включающему сиотему следующих уравнений:

[/|] = М(р) (8)

^(р) = 2,5 +0,4075 (p-<f)1'508 (<*)

=1,6+i (з(¿45)ísfe) р>15 (аз)

tw r^b-ft^ -

D0 = k T//o сю

Na Sotjvifo/Jo _ / Na }1/3(р)

мг/3 0 -ад " UñW Kp} ^ (p;

сю

где ^ (р) - фактор фэр:щ, являвшийся функцией аксиального отношения, £ —- средний коэффициент трения ЭГЭ в разбавленном растворе,

- коэффициент трения сольватированной сферы, имеющей тот же объем, что и ЭГЭ и подчиняющейся закону Эйлштейна-Стоксаб!Л/ИоЬ.

Значение аксиального отношения- р определялось численным решением уравнения (13) или (14) методом половинного деления. Расчеты были выполнены на персональной ЭВМ "Искра-226".

С целью проверки доотоверности предложенного алгоритма был проведен расчет осмотического давления водного раствора бычьего сывороточного альбумина (БСА). БСА был выбран в качестве модельного объекта, так как и литературе имеютоя экспериментальные данные по всем необходимым свойствам. Близкое соответствие результатов расчета и эксперимента позволило распространить методику расчета на более широкий круг объектов, включающий глобулярные и фибриллярные белки, полиэлектролиты и синтетические полимеры.

Кроме того, процесс УФ по условиям производства ВРП является нестационарным, поэтому было очень вато оценить динамику изменения свойств раствора желатина в процессе его концентрирования. Поскольку наиболее значительные изменения концентраций наблюдаются непосредственно в примембранном слое, а шленно эти изменения обусловливают и проницаемость мембраны и свойства нелатина, исследованию данного вопроса нужно было уделить значительное внимание.

В процессе УФ водных растворов ВМС, проводимом в проточном канале или ячейке с перемешиванием, перенос массы описывается уравнением конвективной диффузии. Допуская, что изменение концентраций РВ в направлениях координат, лежащих в плоскости мембраны, незначительно/ задача свелась к одномерной. Изменение концентрации но нормали к мембране рассматривалось лишь в пределах диффузной части пограничного слоя. При этом профиль концентраций вблизи мембранной поверхности определяется треш потоками: конвективным переносом РВ к мембране, диффузионным отводом РВ от мембраны и проникающим через мембрану потоком пермеата. Динш.шка формирования концентрационного провидя описывается с иоиоьцло нзнаотного дн^фершщиашюго уравне-

ния конвективной диффузии параболического типа в частных производных:

м + 4 = 4, Цт §)

Зг 8 Sz дх

начальными Т= О С = (н (IV)

и граничными условиями

Х=0 GC3+ ^ || = О-RHJGCV (18а)

5с= -i С = Ci .(186)

где - приведенная координата расстояния по нормали от поверхности мембраны, § - толщина Пограничного слоя, Z - вромя.

Сопротивление . ft пс пограничного слоя, входящее в (5), записывается в виде: _ г

Rnc = JSrnc(c)dx CIS)

о

где Гпс (С) = (i - Ро) С / j4Q SCO ~ четное сопротивление пограничного слоя.

С помощью рассчитанных вириальных коэффициентов были учтенй зависимости коэффициентов седиментации Si С) и ди'йузип В(С) от концентрации для ряда ВМС, включающего глобулярные и сТлбриллярныо белки, полиэлектролиты и синтетические полимэры в водких растворах. Эти зависимости представляются в следующем виде: .

5(C) = So (-1 + сце + агс2 + о-3с3Гн (20)

Ш = кТ 0 + а<с + сг2сг + йъс3)/£(с) (21)

где aL= (i+1) В£+, (Мд/М)1 1*ч,~з . ;

Kcj=/o(/uc)/^oj(€/€o) 0 (fUc)//.fa) = i + CfOC.+- К'С/ЧГ С*

= 2,sp/lptep<

G - эффективный объем В1ЛС при набухании в растворителе; G0-значение £ при предельном разбавлении; р - плотность раствора.

В приведенной выше системе уравнений расчета производительности УФ мембран учитывается наряду о осмотическим давленном гидравлическое сопротивление слоя геля. В результате расчета, базирующегося на экспериментальных значениях Rh и паспортных данных G-0 , получены профили концентраций в пограничном с мембраной слое толщиной S , формирующиеся при УФ водных растворов желатина. Решение системы

уравнений.(I6)+(2I) проведено на ЭВМ EC-I033 о использованием программ J)03 РВЕ и JD01GAE . . из пакета научно-прикладных программ NA&-FORTRAN • Рассчитанная зависимость концентрационной поляризации от др приведена на рис.7.

Сз/С,

аРНО^ Па

Рис.7. Результаты математического моделирования влияния ЛР на Сз/С-\ при С|10(1), 25(2), 40(3), 50 кг/м3(4) и П = 15 о"1.

Коэффициент ыассотдачи при известном профиле концентраций находится из граничного условия:

Ысз)

дс_

дх

эс=о

Удельная производительность определена соотношением:

Г ~ а СЗ-C^-RH)

—c^;—

(22)

(23)

Для paoчета 8 , входящей в уравнения модели (16)+(21) был ис-лольэ9ван косвенный метод расчета через экспериментально полученные

значения коэффициентов масооотдачи • Толщина диффузионного

пограничного олоя i S найдена из выражения 8 ~ D(Cj)/fi3KCn где + • Зачеши: fi3kcn были определены на основе дан-

ных эксперимента по стандартной методике и соответствуют реяиму отационарной проницаемости мембраны. Сравнение рассчитанных по уравнению (23) и экспериментальных зависимостей G от чаототы вращения мешалки Ц и рабочего давления аР (рис.8) показало хорошее соответствие между ними.

При модернизации существующей технологической схемы очистки вц-оокоразрешащих фотоэмульсий (рис.9) в нее были внеоены следущие изменения.

G-fO3, м3/м*с

Рис.8. Сравнение расчетных (1+4) и экспериментальных

зависимостей G" мембраны У1Ш-67 от дР для Ю(О), 25(Д ), 40(0), 50 кг/м3 (Я ) л П = 15 о"1.

Поел-) промежуточного бака - оборника 13 о цэльп фзлетпоД очист-icii воды от мякрозагрязлений использована установка ультрафяльтрацил 70В1ПЗ-0,5-010, включающая в себя цеитробеяннЗ многоступенчатый насос 14, фильтр предочисткп 15 и два плоскокашртвс модуля 16 с мембраной УШ-П с размером пор 0,05 мхм. В завершении пермеат проходи г через два патронных: фильтра 17 (II 4B¡i-0,25) с. размером пор мембран 0,2 мкм, служащих для улавливания г.тшер о загряз пений, вымываемых из конструкционных материалов установки.

Для повышения качества высокоразрешавдих фотоэмульсий при^енеш два плоскокаморпих модуля 20 с микрофнльтрационноП момбрапэй (W25K !f 2 или Jf 4) с размером пор 0,2+0,4 мкм и 23 с ультрафлльтрационной мембраной (УШ-Н или УШ,И00) с размером пор 0,05 мкм. С помощыэ первого осуществляется очистка разбавленного водного раствора яолатл-па от микро загрязнений указанного размера. Па втором происходит концентрирование раствора до концентрации 50*6 О кг/м3, соответствующей требованиям регламента на ВРД.

В зависимости от типа применяемой мембраны и технологических параметров проведения процесса площадь мембран на стадии Ш составляет 0,6+1,0 , а для УФ - 2,0+4,2 м2. Скорость потока раствора л капало ультра Цпьтрациошюго аппарата должна составлять 0,7+С Ve.

эмульсий, включающая три стадии: 1-стадия предподготовки воды методом ионного обмена сборшк-резервуар(1), теплообменник (2), насосы (3,7) фильтр механической очистки (4), колонны Н-катионирова-шш (5,10), дегазатор (6), угольный фильтр (8), колонны ОН-аниошрования (9,11), фильтр смешанного действия (12). Н-финшшая стадия очистки воды.

Бак-сборник (13), центробежный насос (14), предфильтры Зt4 ыкм (15), ультрафильтрациошше модули (16), фишш}шй фильтр (17) Ш-стадия очистки и концентрирования водных растворов желатина*

Аппараты синтеза (18,21), дозирующие насосы (19,22), пдоскокамерные модули (20,23), дозатор добавок (24), шестеренчатый насос (25).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

{

I. Разработана математическая модель процесса ультрафильтрации при очистке и концентрировании водных растворов ВМС, включающая методы расчета:

- вириальных коэффициентов уравнения состояния, базирующихся на

зависимости фактора формы макромолекул от дисперсионных и электростатических взаимодействий компонентов раствора;

- осмотического давлония и удельной производительности ультрафильтрационных мембран в зависимости от гидродинамических режимов потоков разделяемых растворов и их концентраций.

2. Усовершенствована методика исследования и разработана программа расчета порометрических характеристик мембран с помощью персональной ЭВМ. Методика и программа позволяют оценить дифференциальные и интегральные характеристики пористости полимерных листовых мембран гидродинамическим методом и представить результаты в графическом вед*.

3. На основе результатов исследования влияния внешних факторов, характеристик пористости мембран и методики расчета параметров процесса ультрафильтрацпи разработана и находится а стадии реализации н? ПО "Славич" двухступенчатая технологическая схема очистки водных растворов r-елатина, используемых в производстве высокоразрешающзх фотопластинок.

4. Установка "Поромер", методика исследования мембран гидродинамическим методом и программа расчета порометрлчзсккх характеристик внедрены в 1986 году на опытном производства Московского института теплотехники с реальным годовым экономическим эффектом 50,5 тысяч рублей (акт №410 от 29.12.86г.). Методика и расчетная программа енод-рены в 1988 году на ПО "Электроника" (г.Воронеж) для исследования мембран, применяемых п схемах получения особо чистой воды (акт Й251 от 03.01.89г.)

Основное содержание диссертации опубликовано в следутак* -Работах:

ЬШабалин Е.Г. .Орлов Н.С. Влияние пеличшш осмотического давления на проницаемость ультрафияьтрационных мембран // Состояние и развитие мембранной техники. Тез.докл.Всесоюзн.научн.конф.-Красподар.-1989.-С. 3.3-34 » Г

2.Шабалин Н.Г..Орлов Н.С. Очистка и концентрирование водных растворов желатина микро- и ультрафильтрацией // Химия и технология воды -193Э. - Т.II, № 9. - С.843-847.

3.Шабалин П.Г.,Чекалов В.В. Влияние концентрации на коэффициент шссоотдачи // Мембранная технология в решении экологических проблем, Гез.докл.Всесопзн.научи.-практ.семинара. -Улан-Удэ.-1990.-Зс.