Мембрана

Схема исключения мембран на основе размера

Мембрана представляет собой селективный барьер; он пропускает одни вещи, но останавливает другие. Такими вещами могут быть молекулы , ионы или другие мелкие частицы. Биологические мембраны включают клеточные мембраны (внешние оболочки клеток или органелл, которые позволяют проходить определенным компонентам); ^[1] ядерные мембраны , которые покрывают ядро клетки; и тканевые оболочки, такие как слизистые и серозные оболочки . Синтетические мембраны производятся людьми для использования в лабораториях и на промышленных предприятиях (например, на химических заводах ).

Эта концепция мембраны была известна с восемнадцатого века, но мало использовалась за пределами лаборатории до конца Второй мировой войны. Война поставила под угрозу снабжение питьевой водой в Европе, и для проверки безопасности воды использовались мембранные фильтры. Однако из-за недостаточной надежности, медленной работы, снижения селективности и повышенных затрат мембраны не получили широкого распространения. Первое использование мембран в больших масштабах было связано с технологиями микрофильтрации и ультрафильтрации. С 1980-х годов эти процессы разделения, наряду с электродиализом, используются на крупных предприятиях, и сегодня рынок обслуживают несколько опытных компаний. ^[2]

Степень селективности мембраны зависит от размера пор мембраны. В зависимости от размера пор их можно разделить на мембраны для микрофильтрации (MF), ультрафильтрации (UF), нанофильтрации (NF) и обратного осмоса (RO). Мембраны также могут быть разной толщины, с однородной или неоднородной структурой. Мембраны могут быть нейтральными или заряженными, а перенос частиц может быть активным или пассивным . Последнему могут способствовать давление, концентрация, химические или электрические градиенты мембранного процесса. Мембраны обычно можно разделить на синтетические мембраны ибиологические мембраны . ^[3]

Классификация мембранных процессов [ править ]

Микрофильтрация (MF) [ править ]

Микрофильтрация удаляет частицы размером более 0,08–2 мкм и работает в диапазоне 7–100 кПа. ^[4] Микрофильтрация используется для удаления остаточных взвешенных частиц (SS), удаления бактерий с целью кондиционирования воды для эффективной дезинфекции и в качестве этапа предварительной обработки для обратного осмоса.

Относительно недавними разработками являются мембранные биореакторы (MBR), сочетающие микрофильтрацию и биореактор для биологической очистки.

Ультрафильтрация (УФ) [ править ]

Ультрафильтрация удаляет частицы размером более 0,005–2 мкм и работает в диапазоне 70–700 кПа. ^[4] Ультрафильтрация используется для многих из тех же приложений, что и микрофильтрация. Некоторые ультрафильтрационные мембраны также использовались для удаления растворенных соединений с высокой молекулярной массой, таких как белки и углеводы. Также они могут удалять вирусы и некоторые эндотоксины.

Стенка ультрафильтрационной мембраны из полых волокон с характерными наружным (верхним) и внутренним (нижним) слоями пор.

Нанофильтрация (NF) [ править ]

Нанофильтрация, также известная как «рыхлый» обратный осмос, позволяет отбрасывать частицы размером менее 0,002 мкм. Нанофильтрация используется для удаления выбранных растворенных компонентов из сточных вод. NF в первую очередь разработан как процесс умягчения мембран, который предлагает альтернативу химическому умягчению.

Аналогичным образом, нанофильтрация может использоваться в качестве предварительной обработки перед направленным обратным осмосом. Основными задачами предварительной обработки ЯФ являются: ^[5] (1). свести к минимуму загрязнение мембран обратного осмоса твердыми частицами и микробами за счет удаления мутности и бактерий, (2) предотвратить образование накипи за счет удаления ионов жесткости, (3) снизить рабочее давление процесса обратного осмоса за счет уменьшения общего количества растворенных твердых частиц в исходной воде (TDS ) концентрация.

Обратный осмос (RO) [ править ]

Обратный осмос обычно используется для опреснения воды. Кроме того, обратный осмос обычно используется для удаления растворенных компонентов из сточных вод, оставшихся после дополнительной очистки с помощью микрофильтрации. RO исключает ионы, но требует высокого давления для производства деионизированной воды (850–7000 кПа).

Наноструктурированные мембраны [ править ]

Новый класс мембран полагается на каналы наноструктуры для разделения материалов на молекулярном уровне. К ним относятся мембраны из углеродных нанотрубок , графеновые мембраны, мембраны, изготовленные из полимеров с собственной микропористостью (PIMS), и мембраны, содержащие металлоорганические каркасы (MOF). Эти мембраны можно использовать для разделения по размеру, такого как нанофильтрация и обратный осмос, а также для разделения по адсорбции, например, олефинов от парафинов и спиртов из воды, которые традиционно требовали дорогостоящей и энергоемкой перегонки .

Конфигурации мембран [ править ]

В поле мембраны, термин модуль используется для описания полный блок, состоящий из мембран, структура поддержки давления, входное отверстие подачи, выходное отверстие пермеата и ретентата потоков, а также общую опорную конструкцию. Основные типы мембранных модулей:

Трубчатая , в которой мембраны помещаются внутри опорных пористых трубок, и эти трубки помещаются вместе в цилиндрическую оболочку, образуя единый модуль. Трубчатые устройства в основном используются для микро- и ультрафильтрации из-за их способности обрабатывать технологические потоки с высоким содержанием твердых частиц и высокой вязкостью, а также из-за их относительной простоты очистки.

Мембрана из полых волокон состоит из пучка от сотен до тысяч полых волокон. Вся сборка помещается в сосуд высокого давления . Подача может быть нанесена на внутреннюю часть волокна (поток изнутри наружу) или снаружи волокна (поток снаружи внутрь).

Спиральная намотка, где гибкая прокладка для пермеата помещается между двумя плоскими мембранными листами. Добавляется гибкая подающая распорка, и плоские листы скручиваются в круглую форму.

Пластина и рама состоят из серии плоских мембранных листов и опорных пластин. Обрабатываемая вода проходит между мембранами двух соседних мембранных узлов. Пластина поддерживает мембраны и обеспечивает канал для пермеата, выходящего из модуля.

Керамические и полимерные плоские мембраны и модули. Плоские листовые мембраны обычно встроены в погружные вакуумные системы фильтрации, которые состоят из стопок модулей, каждый из которых состоит из нескольких листов. Режим фильтрации - снаружи-внутрь, когда вода проходит через мембрану и собирается в пермеатных каналах. Очистка может выполняться с помощью аэрации, обратной промывки и CIP.

Операция мембранного процесса [ править ]

Ключевые элементы любого мембранного процесса связаны с влиянием следующих параметров на общий поток пермеата:

Проницаемость мембраны (k)
Операционная движущая сила на единицу площади мембраны (трансмембранное давление, TMP)
Загрязнение и последующая очистка поверхности мембраны.

Поток, давление, проницаемость [ править ]

Общий поток пермеата из мембранной системы определяется следующим уравнением:

{\ Displaystyle Q_ {p} = F_ {w} \ cdot A}

Где Qp - расход потока пермеата [кг · с ⁻¹ ], F _w - расход воды [кг · м ⁻² · с ⁻¹ ], а A - площадь мембраны [м ² ].

Проницаемость (k) [м · с ⁻² · бар ⁻¹ ] мембраны определяется следующим уравнением:

{\ displaystyle k = {F_ {w} \ over P_ {TMP}}}

Трансмембранное давление (TMP) определяется следующим выражением:

{\ displaystyle P_ {TMP} = {(P_ {f} + P_ {c}) \ over 2} -P_ {p}}

где P _TMP - трансмембранное давление [кПа], P _f входное давление подаваемого потока [кПа]; P _c давление потока концентрата [кПа]; P _p давление потока пермеата [кПа].

Отвод (r) можно определить как количество частиц, удаленных из питательной воды.

{\ displaystyle r = {(C_ {f} -C_ {p}) \ over C_ {f}} \ cdot 100}

Соответствующие уравнения баланса массы:

{\ displaystyle Q_ {f} = Q_ {p} + Q_ {c}}

{\ Displaystyle Q_ {е} \ cdot C_ {f} = Q_ {p} \ cdot C_ {p} + Q_ {c} \ cdot C_ {c}}

Для управления работой мембранного процесса можно использовать два режима, касающихся потока и TMP. Эти режимы: (1) постоянный TMP и (2) постоянный поток.

На режимы работы будет влиять, если отбракованные материалы и частицы в ретентате будут накапливаться в мембране. При заданном TMP поток воды через мембрану будет уменьшаться, а при заданном потоке TMP увеличится, уменьшая проницаемость (k). Это явление известно как засорение , и оно является основным ограничением работы мембранного процесса.

Тупиковый и переточный режимы работы [ править ]

Можно использовать два режима работы мембран. Вот эти режимы:

Тупиковая фильтрация, при которой все подаваемое на мембрану сырье проходит через нее, получая пермеат. Поскольку поток концентрата отсутствует, все частицы задерживаются в мембране. Сырая питательная вода иногда используется для смывания накопившегося материала с поверхности мембраны. ^[6]
Фильтрация с поперечным потоком, при которой исходная вода перекачивается с поперечным потоком, касательным к мембране, и получаются потоки концентрата и пермеата. Эта модель подразумевает, что для потока питательной воды через мембрану только часть преобразуется в пермеат. Этот параметр называется «преобразование» или «восстановление» (S). Извлечение будет уменьшено, если пермеат в дальнейшем будет использоваться для поддержания работы процессов, обычно для очистки мембран.

S={Q_{permeate} \over Q_{feed}}=1-{Q_{concentrate} \over Q_{feed}}

Фильтрация приводит к увеличению сопротивления потоку. В случае тупиковой фильтрации сопротивление увеличивается в зависимости от толщины корки, образовавшейся на мембране. Как следствие, проницаемость (k) и поток быстро уменьшаются пропорционально концентрации твердых частиц [1] и, таким образом, требуют периодической очистки.

Для процессов с поперечным потоком осаждение материала будет продолжаться до тех пор, пока силы связующей корки на мембране не будут уравновешены силами жидкости. В этот момент фильтрация с поперечным потоком достигнет установившегося состояния [2] , и, таким образом, поток будет оставаться постоянным с течением времени. Следовательно, такая конфигурация потребует меньше периодической очистки.

Обрастание [ править ]

Загрязнение можно определить как возможное отложение и накопление компонентов в потоке сырья на мембране.

Обрастание может происходить через несколько физико-химических и биологических механизмов, которые связаны с повышенным отложением твердого материала на поверхности мембраны. Основными механизмами, посредством которых может происходить обрастание, являются:

Скопление компонентов питательной воды на мембране, что вызывает сопротивление потоку. Это наращивание можно разделить на разные типы:

Сужение пор , состоящее из твердого материала, прикрепленного к внутренней поверхности пор.

Блокирование пор происходит, когда частицы питательной воды застревают в порах мембраны.

Образование геля / слоя лепешки происходит, когда твердое вещество в сырье превышает размер пор мембраны.

Образование химических осадков, известное как образование накипи.
Колонизация мембраны или биообрастание происходит при росте микроорганизмов на поверхности мембраны. ^[7]

Контроль и уменьшение обрастания [ править ]

Поскольку загрязнение является важным фактором при проектировании и эксплуатации мембранных систем, поскольку оно влияет на потребности в предварительной обработке, требования к очистке, условия эксплуатации, стоимость и производительность, его следует предотвращать и, при необходимости, удалять. Оптимизация условий эксплуатации важна для предотвращения засорения. Однако, если загрязнение уже произошло, его следует удалить с помощью физической или химической очистки.

Методы физической очистки мембраны включают релаксацию мембраны и обратную промывку мембраны .

Обратная промывка или обратная промывка заключается в прокачке пермеата в обратном направлении через мембрану. Обратная промывка успешно удаляет большую часть обратимого загрязнения, вызванного закупоркой пор. Обратную промывку также можно усилить путем продувки воздухом через мембрану. ^[8] Обратная промывка увеличивает эксплуатационные расходы, поскольку для достижения давления, подходящего для реверсирования потока пермеата, требуется энергия.

Релаксация мембраны заключается в приостановке фильтрации на определенный период времени, и, таким образом, нет необходимости в реверсировании потока пермеата. Релаксация позволяет поддерживать фильтрацию в течение более длительного периода перед химической очисткой мембраны.

Обратные импульсы Высокочастотные обратные импульсы, обеспечивающие эффективное удаление слоя грязи. Этот метод чаще всего используется для керамических мембран [3]

Недавние исследования оценили возможность сочетания расслабления и обратной промывки для достижения оптимальных результатов. ^[9]^[10]

Химическая чистка . Эффективность релаксации и обратной промывки будет снижаться со временем работы, поскольку на поверхности мембраны накапливается более необратимое загрязнение. Поэтому, помимо физической очистки, также может быть рекомендована химическая очистка. Это включает:

Химическая усиленная обратная промывка , то есть химическое чистящее средство в низкой концентрации, добавляемое в течение периода обратной промывки.
Химическая очистка , где основными чистящими средствами являются гипохлорит натрия (для органических загрязнений) и лимонная кислота (для неорганических загрязнений). Каждый поставщик мембран предлагает свои рецепты химической очистки, которые различаются в основном по концентрации и методам. ^[11]

Оптимизация условий эксплуатации . Можно использовать несколько механизмов для оптимизации рабочих условий мембраны для предотвращения загрязнения, например:

Уменьшение флюса . Флюс всегда снижает загрязнение, но влияет на капитальные затраты, поскольку требует большей площади мембраны. Он заключается в работе с устойчивым потоком, который можно определить как поток, для которого TMP постепенно увеличивается с приемлемой скоростью, так что химическая очистка не требуется.
Использование поперечной фильтрации вместо тупиковой. При фильтрации с поперечным потоком на мембране осаждается только тонкий слой, поскольку не все частицы задерживаются на мембране, но концентрат удаляет их.
Предварительная очистка питательной воды используется для уменьшения содержания взвешенных твердых частиц и бактерий в питательной воде. Также используются флокулянты и коагулянты, такие как хлорид железа и сульфат алюминия, которые после растворения в воде адсорбируют такие материалы, как взвешенные твердые частицы, коллоиды и растворимые органические вещества. ^[12] Метафизические численные модели были введены для оптимизации явлений переноса ^[13]

Изменение мембраны . Недавние усилия были сосредоточены на устранении загрязнения мембраны путем изменения химического состава поверхности материала мембраны, чтобы снизить вероятность прилипания загрязнителей к поверхности мембраны. Точная используемая химическая стратегия зависит от химического состава фильтруемого раствора. Например, мембраны, используемые при опреснении, можно сделать гидрофобными, чтобы противостоять загрязнению из-за накопления минералов, в то время как мембраны, используемые для биопрепаратов, можно сделать гидрофильными, чтобы уменьшить накопление белка / органических веществ. Таким образом, изменение химического состава поверхности путем осаждения тонкой пленки может значительно снизить загрязнение. Одним из недостатков использования методов модификации является то, что в некоторых случаях это может отрицательно повлиять на скорость потока и селективность мембранного процесса. ^[14]

Приложения [ править ]

Отличительные особенности мембран обуславливают интерес к их использованию в качестве дополнительных устройств для процессов разделения в жидкостных процессах. Были отмечены некоторые преимущества: ^[2]

Менее энергоемкие, так как не требуют значительных фазовых переходов
Не требуйте адсорбентов или растворителей, которые могут быть дорогими или сложными в обращении.
Простота и модульность оборудования, что позволяет использовать более эффективные мембраны.

Мембраны используются под давлением в качестве движущих процессов при мембранной фильтрации растворенных веществ и при обратном осмосе . В диализе и первапорация в химическом потенциале вдоль градиента концентрации является движущей силой. Также перстракция как процесс экстракции с помощью мембраны зависит от градиента химического потенциала.

Однако их огромный успех в биологических системах не сочетается с их применением. ^[15] Основными причинами этого являются:

Обрастание - снижение функции при использовании
Непомерно высокая стоимость на площадь мембраны
Отсутствие устойчивых к растворителям материалов
Риски увеличения масштабов

Ссылки [ править ]

^ Cheryan, M (1998). Справочник по ультрафильтрации и микрофильтрации . Ланкастер, Пенсильвания: echonomic Publishing Co., Inc.
^ a b Мембраны на выходе из вентиляционных отверстий заводов по производству полиолефинов, Программа улучшения экономики . Intratec. 2012. ISBN. 978-0615678917. Архивировано из оригинала на 2013-05-13.
^ Малдер, Марсель (1996). Основные принципы мембранной технологии (2-е изд.). Kluwer Academic: Springer. ISBN 978-0-7923-4248-9.
^ a b Crites и Tchobangiglous (1998). Малые и децентрализованные системы управления сточными водами . Нью-Йорк: Книжная компания McGraw-Hill.
^ Адам S, Cheng RC, Вуонг DX, Wattier KL (2003). «Двухступенчатый NF в Лонг-Бич превосходит одноступенчатый SWRO». Повторное использование опресненной воды . 13 : 18–21.
^ Меткалф и Эдди (2004) Разработка, очистка и повторное использование сточных вод, McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк. Четвертое издание.
^ Мат ГК, Багчите S, Чжан К, Oerther БД, Saikaly ПЭ (октябрь 2017 г.). «Сообщества мембранных биопленок в полномасштабных мембранных биореакторах не собираются случайным образом и состоят из основного микробиома». Исследования воды . 123 (1): 124–133. DOI : 10.1016 / j.watres.2017.06.052 . hdl : 10754/625148 . PMID 28658633 .
^ Солнце, Y; Хуанг, X .; Чен, Э; Вэнь, X. (2004). «Двухфункциональный мембранный биореактор фильтрации / аэрации для очистки бытовых сточных вод». Материалы водной среды - мембранные технологии .
^ Валлеро, MVG; Lettinga, G .; Линза, PNL (2005). «Высокая скорость восстановления сульфата в погруженном анаэробном мембранном биореакторе (самбар) при высокой солености». Журнал мембрановедения . 253 (1-2): 217-232. DOI : 10.1016 / j.memsci.2004.12.032 .
^ I.-J. Канг; C.-H. Ли; К.-Дж. Ким (2003). «Характеристики мембран микрофильтрации в системе реактора периодического действия с мембранной последовательностью». Water Res . 37 (5): 1192–1197. CiteSeerX 10.1.1.464.9473 . DOI : 10.1016 / s0043-1354 (02) 00534-1 . .
^ Le-Clech, P .; Fane, A .; Лесли, G .; Чилдресс, А. (июнь 2005 г.). «Фокус MBR: взгляд оператора». Фильтрация и разделение . 42 (5): 20–23. DOI : 10.1016 / S0015-1882 (05) 70556-5 .
^ Пьер Ле-Клеш; Вики Чен; Тони А. Г. Фейн (2006). «Загрязнение мембранных биореакторов, используемых при очистке сточных вод». Журнал мембрановедения . 284 (1–2): 17–53. DOI : 10.1016 / j.memsci.2006.08.019 .
^ Де Наполи, Илария Э .; Zanetti, Elisabetta M .; Фрагомени, Джионата; Джуцио, Эрменегильдо; Audenino, Alberto L .; Катапано, Херардо (2014). «Транспортное моделирование биореакторов с половолоконными мембранами, усиленных конвекцией, для терапевтического применения». Журнал мембрановедения . 471 : 347–361. DOI : 10.1016 / j.memsci.2014.08.026 .
^ Мустхафа О. Мавукканди; Саманта Макбрайд; Дэвид Варсингер; Надир Дизге; Шади Хасан; Хасан Арафат (2020). «Методы нанесения тонких пленок на полимерные мембраны - обзор». Журнал мембрановедения . 610 (1-2): 118258. DOI : 10.1016 / j.memsci.2020.118258 .
^ Хмель, Хорст (2006). Bioprozesstechnik: Einführung in die Bioverfahrenstechnik (2-е изд.). München: Elsevier, Spektrum Akad. Verl. п. 279. ISBN 978-3827416070.

Библиография [ править ]

Меткалф и Эдди. Очистка, очистка и повторное использование сточных вод . Книжная компания Макгроу-Хилл, Нью-Йорк. Издание четвертое, 2004 г.
Паула ван ден Бринк, Франк Вергельдт, Хенк Ван Ас, Ари Цвейненбург, Харди Темминк, Марк КМван Лосдрехт . «Возможность механической очистки мембран из мембранного биореактора». Журнал мембранной науки . 429 , 2013. 259–267.
Саймон Джадд. Книга «Мембранные биореакторы: принципы и применение мембранных биореакторов для очистки воды и сточных вод» . Эльзевир, 2010.

[1] Cheryan, M (1998). Справочник по ультрафильтрации и микрофильтрации . Ланкастер, Пенсильвания: echonomic Publishing Co., Inc.

[Improvement_Economics_Program-2] Мембраны на выходе из вентиляционных отверстий заводов по производству полиолефинов, Программа улучшения экономики . Intratec. 2012. ISBN. 978-0615678917. Архивировано из оригинала на 2013-05-13.

[3] Малдер, Марсель (1996). Основные принципы мембранной технологии (2-е изд.). Kluwer Academic: Springer. ISBN 978-0-7923-4248-9.

[Crites_and_Tchobangiglous_1998-4] Crites и Tchobangiglous (1998). Малые и децентрализованные системы управления сточными водами . Нью-Йорк: Книжная компания McGraw-Hill.

[5] Адам S, Cheng RC, Вуонг DX, Wattier KL (2003). «Двухступенчатый NF в Лонг-Бич превосходит одноступенчатый SWRO». Повторное использование опресненной воды . 13 : 18–21.

[6] Меткалф и Эдди (2004) Разработка, очистка и повторное использование сточных вод, McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк. Четвертое издание.

[7] Мат ГК, Багчите S, Чжан К, Oerther БД, Saikaly ПЭ (октябрь 2017 г.). «Сообщества мембранных биопленок в полномасштабных мембранных биореакторах не собираются случайным образом и состоят из основного микробиома». Исследования воды . 123 (1): 124–133. DOI : 10.1016 / j.watres.2017.06.052 . hdl : 10754/625148 . PMID 28658633 .

[8] Солнце, Y; Хуанг, X .; Чен, Э; Вэнь, X. (2004). «Двухфункциональный мембранный биореактор фильтрации / аэрации для очистки бытовых сточных вод». Материалы водной среды - мембранные технологии .

[9] Валлеро, MVG; Lettinga, G .; Линза, PNL (2005). «Высокая скорость восстановления сульфата в погруженном анаэробном мембранном биореакторе (самбар) при высокой солености». Журнал мембрановедения . 253 (1-2): 217-232. DOI : 10.1016 / j.memsci.2004.12.032 .

[10] I.-J. Канг; C.-H. Ли; К.-Дж. Ким (2003). «Характеристики мембран микрофильтрации в системе реактора периодического действия с мембранной последовательностью». Water Res . 37 (5): 1192–1197. CiteSeerX 10.1.1.464.9473 . DOI : 10.1016 / s0043-1354 (02) 00534-1 . .

[11] Le-Clech, P .; Fane, A .; Лесли, G .; Чилдресс, А. (июнь 2005 г.). «Фокус MBR: взгляд оператора». Фильтрация и разделение . 42 (5): 20–23. DOI : 10.1016 / S0015-1882 (05) 70556-5 .

[12] Пьер Ле-Клеш; Вики Чен; Тони А. Г. Фейн (2006). «Загрязнение мембранных биореакторов, используемых при очистке сточных вод». Журнал мембрановедения . 284 (1–2): 17–53. DOI : 10.1016 / j.memsci.2006.08.019 .

[13] Де Наполи, Илария Э .; Zanetti, Elisabetta M .; Фрагомени, Джионата; Джуцио, Эрменегильдо; Audenino, Alberto L .; Катапано, Херардо (2014). «Транспортное моделирование биореакторов с половолоконными мембранами, усиленных конвекцией, для терапевтического применения». Журнал мембрановедения . 471 : 347–361. DOI : 10.1016 / j.memsci.2014.08.026 .

[14] Мустхафа О. Мавукканди; Саманта Макбрайд; Дэвид Варсингер; Надир Дизге; Шади Хасан; Хасан Арафат (2020). «Методы нанесения тонких пленок на полимерные мембраны - обзор». Журнал мембрановедения . 610 (1-2): 118258. DOI : 10.1016 / j.memsci.2020.118258 .

[Chmiel2006-15] Хмель, Хорст (2006). Bioprozesstechnik: Einführung in die Bioverfahrenstechnik (2-е изд.). München: Elsevier, Spektrum Akad. Verl. п. 279. ISBN 978-3827416070.

[1]