Мембранные технологии - новое решение для переработки

Мембранные технологии - новое решение для переработки
бисульфитного щелока
1
1
1
Т.Ф. Личутпина , М.А. Гусакова , А.С. Аксенов , АЛ. Вишнякова
0.11. Ярыгана , А.В. Синчук
- Институт экологических проблем Севера УрО РАН, г. Архангельск
ООО УК «Объединенные бумажные фабрики»
1
It is shown that ultrafiltration is effective to concentrate bisulfite liquor before
evaporating. This technology may be used both to decrease energy consumption for
traditional process recovery and to increase quality of producing technical lignosulfonate. In
paper discusses liquor nanocomponcnts after membrane distribution.
Мембранные методы разделения жидких и газообразных сред уже
сегодня заняли прочное место в арсенале промышленных технологических
процессов, хотя полное становление и отдача мембранной науки и
технологии ожидается в X X I веке. Спектр вариантов их применения
увеличивается благодаря преимуществам с точки зрения экологической
безопасности.
Их
относят
к малозатратным
экономически
и
технологически обоснованным процессам переработки материалов,
отходов и получения на их базе полезных и необходимых для общества
продуктов [1].
Традиционным вариантом переработки бисульфитного щелока на
магниевом основании является его регенерация. Успешный опыт
зарубежных предприятий говорит о возможности не только утилизации
отработанного раствора, но и о возвращении в технологический процесс до
75 % оксида магния и серы. Кроме того, при этом система регенерации
вырабатывает значительное количество теплоэнергии.
Однако, для процесса выпаривания магний-бисульфитного щелока с
10... 13 % до 50 % требуется значительное количество пара - 2000...3000
кг/т. В условиях возрастания цен на энергоносители представляет интерес
предварительное концентрирование щелока без существенных затрат на
производство пара. Вместе с тем, реконструкция выпарных станций при
увеличении мощностей на возрождающихся предприятиях не всегда
экономически оправдана.
Следует обратить внимание на то, что бисульфитный щелок
содержит
уникальные
высокомолекулярные
соединения
лигносульфонаты,
обладающие
широким
диапазоном
свойств.
Следовательно, вторым вариантом использования ультрафильтрации
является разделение бисульфитного щелока для получения из
укрепленного раствора товарных лигносульфонатов.
Мембранные технологии как известно не требуют фазовых
переходов вещества, а следовательно и больших затрат на их
осуществление. В мировой целлюлозно-бумажной промышленности они
используются в основном для очистки фильтратов после отбелки
целлюлозы или меловальных растворов. Но существуют и установки по
получению лигносульфонатов из сульфитных щелоков (Biotech Paskov,
Чехия).
Целью данной работы было изучение процесса мембранного
разделения
бисульфитного
щелока,
полученного
в
результате
модифицированной варки смеси пород ель/береза/осина в лабораторных
условиях. Выход целлюлозы в экспериментах составлял 55...63 %.
Установка для проведения процесса ультрафильтрации разделения
представляет собой блок с полупроницаемой мембраной с размером пор 5... 100 нм. Под давлением 0,4 МПа бисульфитный щелок разделяется на 2
раствора: пермеат, проходящий через поры мембраны и конценпрат,
обогащенный высокомолекулярными компонентами, задерживаемый
мембраной.
В работе использовались полисульфоиовые мембраны GR51PP
компании Alfa Laval (Дания) с номинальной задерживаемой молекулярной
массой (molecular weight cut-off) - 50 ООО кДа. Полимерная природа
материала мембран позволяет им сохранять свойства при температурах до
80 °С и в диапазоне рН 1...13. Степень отбора, отражающая объемную
долю пермеата по отношению к исходному раствору, составляла 0,8.
Температура щелока была 70 °С.
Анализ представленных данных показывает, что в результате
ультрафильтрационного разделения бисульфитного щелока более 60 %
органических и 70 % минеральных веществ переходят через поверхность
мембраны в пермеат (Таблица 1). Концентрат представляет собой раствор,
содержащий 21,3 % сухих веществ, в основном это высокомолекулярная
фракция лигносульфонатов.
Методом динамического светорассеяния на приборе Horiba LB-550
были получены гистограммы распределения частиц пермеата и
концентрата по размерам (рисунок 1). В результате анализа показано, что
средний размер частиц пермеата - 10 нм, концентрата - 231 нм.
Таблица 1 - Характеристика компонентов исходного бисульфитного щелока и
продуктов его мембранного разделения
Концентрац Концентрац
Содержал
Содержание
Содержани
ие сухих
ия
ия
Раствор
е РВ, %
минеральных
веществ,
ионов M g , ионов SO4 ",
к св.
веществ, %
%
г/л
г/л
2+
Бисульфитный
щелок
12,3
15,2
10,5
Пермеат
10,6
16,2
Концентрат
21,3
10,9
1.0
"
10.0
2
8,7
10,9
6,3
8,9
10,1
5,0
11,4
15,0
100.0 ~
"1000
~ 6000
Diameter (rim)
Рисунок 1 - Изменение размера наночастац бисульфитного щелока в результате
мембранного фракционирования
В
пермеат
переходит
низкомолекулярная
фракция
лигносульфонатов, а также преобладающая часть продуктов деструкции
полисахаридов.
Основную
часть
концентрата
составляют
лигносульфонаты с большим размером макромолекул. Возможно,
присутствуют в концентрате и крупные продукты деструкции
гемицеллюлоз. Следует отметить, что концентрат обладает большей
полидисперсностью. Кроме того, количество редуцирующих веществ по
отношению к общему содержанию сухих веществ в концентрате
сократилось в 2 раза, что свидетельствует о протекающем процессе
облагораживании лигносульфонатов бисульфитного щелока.
Содержание сухих веществ в концентрате можно регулировать за
счет
изменения
степени
отбора
и
температуры.
Качество
лигносульфонатов в концентрате (количество примесей, молекулярная
масса) достигается подбором материала и характеристик используемых
мембран, в частности, диаметром пор.
Компоненты пермеата углеводного характера также могут
представлять интерес с точки зрения получения ценных продуктов. При
утилизации загрязняющих веществ пермеата возможно использование
обратного осмоса, диафильтрации, либо биохимических методов.
На
основании
проведенных
исследований,
очевидна
целесообразность концентрирования бисульфитного щелока методом
ультрафильтрации. Наряду с этим в результате мембранного разделения
происходит фракционирование нанокомпонентов бисульфитного щелока,
что повышает качество лигносульфонатов. А значит, с одной стороны
решается вопрос об экономии электроэнергии, с другой - появляется
возможность облагораживания технических лигносульфонатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Плата, Н.А. Мембранные технологии - авангардное направление
развития науки и техники X X I века: М. Химия, 2000 г. - 51 с.