تصفیه آب نیشکر توسط یک فرآیند غشایی یکپارچه
چکیده
استفاده از فیلتراسیون غشاء برای تصفیه آب نیشکر جالب است، زیرا این روش می تواند مواد شیمیایی مورد استفاده را حذف کرده و محصولات را به طور پیوسته و به صورت اتوماتیک و با کیفیت بهتر تولید کند. با این حال، برخی مشکلات فنی مانند شار نفوذ کم، از دست رفتن ساکارز با باقی ماندن مواد در روی فیلتر و نیز ضایعات جدی غشا، مانع این پیشرفت تکنولوژیکی در صنعت قند و شکر می شوند. در این پژوهش، فرآیند غشایی یکپارچه شامل یک فرآیند اولترافیلتراسیون لوله ای غیرفشرده (UF)، یک UF مارپیچی فشرده و یک NF مارپیچی برای اصلاح آب نیشکر خام در مقیاس آزمایشی انجام گرفت. با کاهش زیاد نسبت حجمی به اندازه 20، UF با غیرفشرده قادر بود تا در یک شار از 30 تا 70 لیتر متر مربع ساعت و UF با فشرده توانست در شاری از 10 تا 40 لیتر متر مربع ساعت عمل کند. در همین زمان، حذف رنگ بیشتر از 95 درصد نگه داشته شد. علاوه بر این، عملیات دیافیلتراسیون می تواند بیشترین مقدار قند موجود در کنسانتره UF را بهبود بخشد و منجر به بازیابی زیاد ساکارز در UF دو مرحله ای تا 98٪ شود. برای ذخیره آب به میزان 25٪ در مقایسه با دیافیلتراسیون جد از هم، یک حالت دیافیلتری آبشاری جدید ارائه شد. مدل های ریاضی به خوبی می تواند کارآیی دیافیلتراسیون برای UF با غیرفشرده را پیش بینی کند، اما برای UF با فشرده نه. شار نفوذی UF با غیرفشرده تحت تسلط ضایعات و رسوب های غشایی بود در حالی که برای UF با فشرده، فشار اسمزی نقش مهم تری در کاهش شار بازی کرد. با یک استراتژی تمیزکاری مناسب، عملکرد این فرآیند غشایی یکپارچه می تواند تقریبا بازسازی شود، هر چند که پرش درجه حرارت بین فیلتراسیون و تمیز کردن (30 تا 60 درجه سانتیگراد) ممکن است منجر به تجمع برخی از مواد در سیستم غشایی شود. این نتایج می تواند به عنوان یک راهنمای ارزشمند برای طراحی فرایند و اقدامات عملی در کاربردهای صنعتی بعدی مورد استفاده قرار گیرند.
4-نتیجه گیری
این پژوهش نشان داد که یک فریند غشایی یکپارچه می تواند شفافیت، رنگ زدایی و پیش تغلیظ شیره خام نیشکر را در مقیاس آزمایشی انجام دهد. حذف رنگ و کدورت به ترتیب بیشت از 96.55٪ و 99.99٪ و مقدار رنگ محصول نهایی زیر 800 IU بود که می تواند برای تولید شکر سفید ممتاز با عملیات بعدی شامل تبخیر چند اثر و کریستالی شدن استفاده شود. دیافیلتراسیون برای بازیابی ساکارز باقی مانده در کنسانتره UF انجام شد و حالت CVD بهتر از حالت ترقیق تغلیظ بود زیرا عملکرد پیوسته را فعال و مصرف آب را کاهش داد. یک دیافیلتراسیون آبشاری جدید قادر به کاهش 25 درصدی مصرف آب در مقایسه با CVD جدا از هم شد. بر اساس معادلات توازن و مواد باقی مانده، مدل های ریاضی برای پیش بینی بازدهی بازیابی ساکارز با فرایندهای مختلف دیافیلتراسیون طراحی شده است. نتایج شبیه سازی برای UF غیرفسرده به خوبی با داده های آزمایشی در توافق بودند اما برای UF فشرده نه، زیرا ساکارز باقی مانده در طول دیافیلتراسیون با UF فشرده افزایش می یافت.
برای UF لوله ای غیرفشرده، ویسکوزیته و رسوب غشا می توانست مسیول کاهش شار باشد، در حالی که برای UF مارپیچی فشرده از آن جا که دمای بالاتر عملیات (60 درجه سانتیگراد) اثر فشار اسمزی را افزایش داد، فشار اسمزی نقش مهمی در تغییر شار ایفا کرد. یک استراتژی ترکیبی تمیزکاری با عامل تمیزکننده و به دنبال آن NACIO -توانست تقریبا نفوذپذیری غشا را به طور کامل بازیابی کند، در حالی که استفاده از عامل تمیزکننده تنها توانست به طور کامل نفوذپذیری UF فشرده و NF را بازیابی کند. با این حال، به دلیل پرش درجه حرارت بین فیلتراسیون و تمیز کردن (60 تا 30 درجه سانتیگراد)، هنوز مقداری رسوب تجمع یافته در حفره های غشا وجود داشت که منجر به کاهش شار نفوذی در چند روز اول شد.
Abstract
Application of membrane filtration to sugarcane juice refining is appealing because it can eliminate the usage of chemicals, achieve continuous and automated production, as well as produce superior quality of juice. However, some technical problems, such as low permeate flux, high sucrose loss in membrane retentate and serious membrane fouling, are impeding this technological upgrading in sugar industry. In this work, an integrated membrane process consisting of a tubular loose ultrafiltration (UF), a spiral-wound tight UF and a spiral-wound NF was developed to refine the raw sugarcane juice at pilot-plant scale. With a super high volume reduction ratio (VRR) of 20, the loose UF was able to be operated at a flux from 30 to 70 L m−2 h−1, and the tight UF could run at a flux from 10 to 40 L m−2 h−1; at the same time, the color removal kept more than 95%. Moreover, diafiltration operation could recover most of sugar in the UF concentrates, leading to a high sucrose recovery of up to 98% in two-stage UF. A novel cascade diafiltration mode was proposed to save water by 25% compared with the separated diafiltration. Mathematical models could well predict the diafiltration efficiency for the loose UF but not for the tight UF. Permeate flux of the loose UF was dominated by membrane fouling while for the tight UF, osmotic pressure played a more important role in the flux decline. With a suitable cleaning strategy, the performance of this integrated membrane process can be nearly regenerated although the temperature jump between filtration and cleaning (60–30 °C) might result in some foulants accumulating in the membrane system. These results would serve as a valuable guide for process design and practical operation in subsequent industrial application.
4. Conclusions
This work demonstrated that an integrated membrane process (two-stage UF followed by NF) could accomplish clarification, decoloration, and pre-concentration of raw sugarcane juice at pilot-plant scale. The color and turbidity removals were up to 96.55% and 99.99%, respectively, and the color value of the final product was below 800 IU, which could be used to produce the superior white sugar by subsequent multi-effect evaporation and crystallization. Diafiltration was carried out to recover the residual sucrose in the UF concentrates, and CVD mode outperformed dilution-concentration mode because the former enabled continuous operation and reduced water consumption. Compared with separated CVD, a novel cascade diafiltration was able to further save water by 25%. Based on mass balance and retention equations, mathematical models were developed for predicting the sucrose recovery efficiency by different diafiltration processes. The simulation results agreed very well with the experimental data for the loose UF but not for the tight UF, as the sucrose retention was increasing during the diafiltration by the tight UF.
For the tubular loose UF, both membrane fouling and viscosity increase might be responsible for the flux decline, while for the spiral-wound tight UF, since the high operation temperature (60 °C) amplified the osmotic pressure effect, osmotic pressure played an important role in its flux variation. A combined strategy with cleaning agent followed by NaClO could almost fully recovered the membrane permeability of the loose UF membrane, while a single cleaning agent enabled to thoroughly recover the permeabilities of the tight UF and NF membranes. However, due to the temperature jump between filtration and cleaning (60–30 °C), there were still some foulants accumulating in the membrane pores, leading to a permeate flux decay in the first several days. With regular chemical cleaning once a day, this integrated membrane process could be operated stably at pilot-plant scale for 45 days, which is promising to be industrialized.
(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)
چکیده
1- مقدمه
2- مواد و روش ها
2-1شیره نیشکر و مواد شیمیایی
2-2 ماژول های غشا و تجهیزات
2-3 روش تجربی
2-4 روش های تحلیلی
3- نتایج و بحث
3-1 عملکرد جداسازی غشا و خواص محصول
3-2 بازیابی قند باقی مانده در کنسانتره UF توسط دیافیلتراسیون
3-2-1 مدل های ریاضی برای دیافیلتراسیون
3-2-1-1 حالت تغلیظ-ترقیق
3-2-1-2تصفیه حجم ثابت (CVD)
3-2-1-3 تصفیه آبشاری
3-2-2 مقایسه حالت های مختلف دیافیلتراسیون
3-3 کاهش شار و مکانیسم-های رسوب برای غشاهای UF
3-4 تمیزکاری غشا و پایداری عملیاتی
3-5 نقش درجه حرارت بالا در پالایش شیره نیشکر توسط غشای پلیمری
4-نتیجه گیری
منابع
Abstract
1. Introduction
2. Materials and methods
2. Materials and methods
2.2. Equipment and membrane modules
2.3. Experimental procedure
2.4. Analytic methods
2.4. Analytic methods
3. Results and discussion
3.1. Membrane separation performance and product properties
3.2. Recovery of residual sugar in UF concentrates by diafiltration
3.2.1. Mathematical models for diafiltration
3.2.1.1. Dilution-concentration mode
3.2.1.3. Cascade diafiltration
3.2.2. Comparison of different diafiltration modes
3.3. Flux decline and fouling mechanisms for UF membranes
3.4. Membrane cleaning and operating stability
3.5. Role of high temperature on sugarcane juice refining by polymeric membranes
4. Conclusions
References
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه