Исследование сорбционной активности ультрафильтрационных мембран в биологических растворах биохимических производств

УДК 66.081.63

ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕМБРАН В БИОЛОГИЧЕСКИХ РАСТВОРАХ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

© С.И. Лазарев, А.А. Лавренченко, К.С. Лазарев

Ключевые слова: сорбционная активность; температура; коэффициент распределения; ультрафильтрационная мембрана; биологический раствор.

Приведена методика и представлены экспериментальные данные по сорбционной емкости и коэффициенту распределения растворенного вещества в ультрафильтрационных мембранах из водных растворов биохимических производств. Получены экспериментальные значения по концентрациям растворенного вещества в мембране и коэффициенту распределения веществ между растворителем и мембраной в зависимости от температуры. Получено аппраксимационное выражение и значения эмпирических коэффициентов для расчета и прогнозирования коэффициента распределения и сорбционной емкости в ультрафильтрационных мембранах.

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы исследования механизма переноса растворенных веществ через ультрафильтрационные мембраны до настоящего времени остаются дискуссионными [1-3]. По одной из гипотез, молекулы растворенного вещества, проникая в матрицу мембраны, связываются водородными связями с функциональными группами полимера. Образование прочных водородных связей с поверхностными ионами пор в аморфных областях и дефектах кристаллитов мембраны ведет в той или иной степени к нарушению надмолекулярной структуры полимерной мембраны. Поэтому задачей данной работы было исследовать сорбционную активность ультрафильтрационных мембран в водных растворах.

ЭКСПЕРИМЕНТ

производительности по дистиллированной воде, и замера в нескольких точках толщины мембран микрометром. Далее мембраны помещались в герметичные бюксы и заливались заранее приготовленными водными растворами различных известных концентраций. Эти бюксы с растворами и образцами мембран помещались в предварительно выведенный на заданный температурный режим термостат. Через сутки мембраны извлекали из бюкс и проводили трехкратную отмывку полупроницаемых мембран в дистиллированной воде. Далее определяли концентрацию раствора в каждом отмытом растворе.

Массу растворенного вещества в растворе определяли по выражению

т = V • с упр спр

Исследования сорбционной активности мембран проводились на лабораторном стенде, основными элементами которого являлись весы, стеклянные бюксы, линейка, микрометр и водяной термостат ТС-80М-2 (рис. 1) с рабочим объемом камеры 0,023 м3 и диапазоном изменения температуры от 25 до 60 °С. Для нахождения массы применялись аналитические весы вида ВЛР-200g-М с точностью измерения ±0,5-10^ г. В рабочие бюксы (V = 50 мл) размещали исследуемые образцы ультрафильтрационных мембран и биологический раствор с заранее известной концентрацией растворенных в нем веществ.

Исследуемая методика сорбции и коэффициента распределения ультрафильтрационных мембран состоит в следующем. Из промышленно выпускаемых листов полупроницаемых ультрафильтрационных мембран вырезались образцы размером 70x140 мм. Далее измерялись линейкой и микрометром их геометрические размеры с целью проверки размеров. После проведения предварительной подготовки мембран к работе, состоящей из обжатия мембран в ультрафильтрационной установке тупикового типа, до постоянных значений

Равновесие между ультрафильтрационной мембраной и внешним раствором наблюдается при насыщении мембраны растворенным веществом. Отношение концентрации растворенного вещества в мембране к кон-

Рис. 1. Водяной термостат для исследования сорбционной активности ультрафильтрационных мембран

центрации растворенного вещества в исследуемом растворе называется равновесным коэффициентом распределения [2-6].

Концентрацию растворенного вещества в полимерной мембране определяли по следующей зависимости:

См = тм ' м ,

где тм - масса растворенного вещества в полимерной мембране (определяется экспериментально); Ум - объем опытного образца мембраны.

Объем опытного образца мембраны определяли следующим образом:

V, = а • Ь-8 ,

где а и Ь - длина и ширина опытного образца мембраны; 3 - толщина ультрафильтрационной мембраны. Достоверность методики проверяли уравнением материального баланса:

С • V = С • V + С • V

Сисх Г исх С Г м ~ С1 Г ис

где С - концентрация растворенного вещества в мембране; Сисх - концентрация растворенного вещества в исходном растворе; С^ - концентрация растворенного вещества в растворе после процесса сорбции; Гисх -

объем исходного раствора; Гм - объем образца мембраны.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Из проведенного обзора литературных данных было установлено, что на сорбцию веществ из раствора влияет температура. Были выполнены исследования сорбционной активности ультрафильтрационных мембран УПМ-К, УАМ-150, УАМ-100 и УФМ-100 на промышленных растворах биохимических производств. Исследования проводились при варьировании температуры биологического раствора. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 2 и 3.

Для теоретического описания экспериментальных данных по сорбционной емкости было получено выражение следующего вида:

Рис. 2. Зависимость концентрации растворенного вещества в мембране от температуры биологического раствора для мембран УАМ-100, УФМ-100, УАМ-150 и УПМ-К

«р

309 319 329 339 7", К

—»—УАМ-100  УФМ-100 * УПМ-К

)( УАМ-150 —-УАМ-100 расч —е-УФМ-100 расч —й -УПМ-К расч —а -УАМ-150 расч

Рис. 3. Зависимость коэффициента распределения от температуры раствора для мембран УАМ-100, УФМ-100, УАМ-150 и УПМ-К

Таблица 1

Значения эмпирических коэффициентов для выражений 5 и 6

Коэффициент Ь п т

УПМ-К 1,188833 0,504138 5,219517

УАМ-150 1,149823 0,59985 3,002901

УАМ-100 1,159192 0,559151 3,21302

УФМ-100 1,62512 0,56489 5,5813

См = Ь  сПх '

где Ь, п, т - значения эмпирические коэффициентов, зависящие от температуры и природы исследуемых биологического раствора и вида мембран (табл. 1).

Для теоретического расчета коэффициента распределения в полимерной мембране использовано выражение следующего вида:

кр =

Из данных экспериментальных графиков видно, что с ростом температуры раствора концентрация растворенного вещества в мембране на всех видах мембран увеличивается. Анализ этих кривых отмечает, что мембрана УПМ-К сорбирует растворенное вещество в большей степени, чем мембраны УАМ-150. Это связано прежде всего с физико-химической природой матрицы полупроницаемых мембран, знаком заряда активного слоя поверхности мембраны (ацетилцеллю-лозные мембраны несут отрицательный, а полиамидные - положительный заряды [9]), характером и величиной пор в пористой структуре, а также наличием аморфности (кристалличности) полупроницаемых мембран. Из ряда работ [1, 8-10] известно, что температура на сорбционную активность пористого материала может влиять как положительным образом, так и отрицательным. В конкретном случае, с увеличением температуры исследуемого биологического раствора сорбируются вещества мембранами в большей степени.

Физическая природа растворенного вещества существенно влияет на сорбционную способность ульра-фильтрационных мембран. Как отмечается в работах [11-12], при сорбции из растворов атомы поверхности адсорбента вступают во взаимодействие с молекулами растворенных веществ и с молекулами растворителя. Также приводится в работе [12], что чем более растворимо исследуемое вещество в растворителе, тем оно меньше сорбируется сорбантом (например, ультрафильтрационной мембраной). При сорбции коллоидных веществ мембранами из водных растворов [1, 12] атомы радикалов могут располагаться на поверхности пор активного слоя ультрафильтрационных мембран, а группы образуют водородные связи с молекулами растворителя (воды), и ионогенные функциональные группы проникают внутрь раствора пограничного слоя, т. е. молекулы таких веществ могут располагаться перпендикулярно сорбционной поверхности ультрафильтрационных мембран.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена методика по исследованию сорб-ционной активности полупроницаемых ультрафильтрационных мембран в водных биологических растворах биохимических производств.

2. Получены экспериментальные зависимости концентрации растворенного вещества в мембране от температуры исследуемого раствора, что позволяет утверждать, что с повышением температуры сорбци-онная активность биологических растворов возрастает.

3. Получены аппроксимационное выражение и численные значения эмпирических коэффициентов, позволяющих рассчитать теоретические значения концентрации растворенного вещества в мембране и коэффициент распределения растворенного вещества между мембраной и растворителем в зависимости от концентрации, температуры исследуемого раствора и физической природы мембраны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мулдер М. Введение в мембранную технологию / пер. с англ. М.: Мир, 1999. 513 с.

2. Прохоренко Н.И. и др. Влияние концентрации раствора электролитов и температуры на проницаемость и селективность обратноос-мотических мембран // Химия и технология воды. 1989. № 4. С. 315-318.

3. Лазарев С.И. Научные основы электрохимических и баромем-бранных методов очистки, выделения и получения органических веществ из промышленных стоков: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Тамбов, 2001.

4. Коновалов В.И., Коробов В.Б. О методах описания массо- и тепло-переноса в процессах электродиализа // ЖПХ. 1989. № 9. С. 19751982.

5. Данилова Г.Н., Котов В.В., Горелов И.С. Сорбционно-мембранное извлечение ионов тяжелых металлов из сточных вод // Сорбцион-ные и хроматографические процессы. 2004. Т. 4. Вып. 2. С. 226232.

6. Лазарев С.И., Богомолов В.Ю., Полянский К.К. Мембранный метод концентрирования отходов на Бондарском сыродельном заводе // Сыроделие и маслоделие. 2014. № 4. С. 34-36.

7. Лазарев К.С., Ковалев С.В., Головашин В.Л. и др. Электробаро-мембранная очистка водно-органических растворов производства каптакса // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 17. Вып. 2. С. 691-693.

8. Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в капиллярно-пористых телах. М.: Химия, 1990. 272 с.

9. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. Юев: Наукова думка, 1989. 288 с.

10. Слесаренко В.Н. Опреснение морской воды. М.: Энергоатомиздат, 1991. 278 с.

11. Полянский К.К., Ключников А.И., Пономарев А.Н. Анализ концентрационной поляризации в процессе микрофильтрации пива // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2012. Т. 17. Вып. 2. С. 1 -4.

12. Когановский А.М., Клименко Н.А. Физико-химические основы извлечения поверхностно-активных веществ из водных растворов и сточных вод. Киев: Наукова думка, 1978. 176 с.

13. Лурье Ю.Ю. Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Химия, 1974. 336 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки России в рамках базовой части госзадания № 2014/219, код проекта 1222.

Поступила в редакцию 24 апреля 2015 г.

Lazarev S.I., Lavrenchenko A.A., Lazarev K.S. STUDY OF SORPTION ACTIVITY OF ULTRAFILTRATION MEMBRANES IN BIOLOGICAL FLUIDS BIOCHEMICAL INDUSTRIES

The methodology and presents experimental data on the sorption capacity and distribution coefficient of the solute in ultrafiltration membranes from aqueous solutions biochemical industries. The obtained experimental values for the concentrations of the solute in the membrane and the distribution coefficient of the substance between the solvent and the membrane depending on the temperature. Received approximation expression and the values of empirical coefficients for the calculation and prediction of distribution coefficient and sorption capacity in ultrafiltration membranes.

Key words: sorption activity; temperature; coefficient; ultrafiltration membrane; a biological solution.

Лазарев Сергей Иванович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой прикладной геометрии и компьютерной графики, e-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru

Lazarev Sergey Ivanovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Head of Applied Geometry and Computer Graphics Department, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru

Лавренченко Анатолий Александрович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра прикладной геометрии и компьютерной графики, е-mail: geome-try@mail.nnn.tstu.ru

Lavrenchenko Anatoliy Alexandrovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, Applied Geometry and Computer Graphics Department, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru

Лазарев Константин Сергеевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры прикладной геометрии и компьютерной графики, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru

Lazarev Konstantin Sergeevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Scientific Worker of Applied Geometry and Computer Graphics Department, е-mail: geometry@mail.nnn.tstu.ru