Мембранная техника

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Сентябрь 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Мембранные технологии охватывают все инженерные подходы к транспортировке веществ между двумя фракциями с помощью проницаемых мембран . Как правило, в процессах механического разделения для разделения газообразных или жидких потоков используется мембранная технология.

Приложения [ править ]

Ультрафильтрация для бассейна

Схема оксигенации венозно-артериальной экстракорпоральной мембранной оксигенации

Процессы мембранного разделения работают без нагрева и поэтому используют меньше энергии, чем обычные процессы термического разделения, такие как дистилляция , сублимация или кристаллизация . Процесс разделения является чисто физическим, и могут использоваться обе фракции ( пермеат и ретентат ). Холодная сепарация с использованием мембранной технологии широко применяется в пищевой , биотехнологической и фармацевтической промышленности. Кроме того, использование мембран позволяет проводить разделение, которое невозможно при использовании методов термического разделения. Например, невозможно разделить составляющие азеотропногожидкости или растворенные вещества, которые образуют изоморфные кристаллы путем дистилляции или перекристаллизации, но такое разделение может быть достигнуто с использованием мембранной технологии. В зависимости от типа мембраны возможно селективное разделение отдельных веществ или смесей веществ. Важные технические приложения включают производство питьевой воды с помощью обратного осмоса . Крупнейшая опреснительная установка обратного осмоса находится в Сореке, Израиль, производительностью 624 000 кубических метров (137 000 000 имп галлонов) в день. ^[1] Другие применения включают фильтрацию в пищевой промышленности , улавливание органических паров, например улавливание нефтехимических паров и электролиз. для производства хлора.

В очистке сточных вод все большее значение приобретают мембранные технологии. С помощью ультра / микрофильтрации можно удалить частицы, коллоиды и макромолекулы, таким образом обеззараживая сточные воды. Это необходимо, если сточные воды сбрасываются в чувствительные воды, особенно те, которые предназначены для занятий водными видами спорта и отдыха.

Около половины рынка приходится на медицинские приложения, такие как использование в искусственных почках для удаления токсичных веществ путем гемодиализа и в качестве искусственного легкого для беспузырного снабжения крови кислородом .

Важность мембранных технологий в области защиты окружающей среды возрастает ( база данных NanoMemPro IPPC ). Даже в современных технологиях рекуперации энергии все чаще используются мембраны, например, в топливных элементах и на осмотических электростанциях .

Массовый перенос [ править ]

Можно выделить две основные модели массопереноса через мембрану:

модель раствора-диффузии и
гидродинамическая модель .

В настоящих мембранах эти два механизма переноса определенно работают бок о бок, особенно во время ультрафильтрации.

Модель диффузии раствора [ править ]

В модели диффузии раствора перенос происходит только за счет диффузии . Компонент, который необходимо транспортировать, сначала необходимо растворить в мембране. Общий подход модели диффузии раствора состоит в том, чтобы предположить, что химический потенциал исходной жидкости и жидкости пермеата находится в равновесии с прилегающими поверхностями мембраны, так что соответствующие выражения для химического потенциала в фазах жидкости и мембраны могут быть приравнены к раствору -мембранный интерфейс. Этот принцип более важен для плотных мембран без естественных пор, таких как те, которые используются для обратного осмоса и в топливных элементах. Во время фильтрации процесс А пограничного слоя формы на мембране. Этотградиент концентрации создается молекулами, которые не могут пройти через мембрану. Эффект называется концентрационной поляризацией и, возникающий во время фильтрации, приводит к уменьшению трансмембранного потока ( потока ). Концентрационная поляризация, в принципе, обратима путем очистки мембраны, что приводит к почти полному восстановлению первоначального потока. Использование тангенциального потока к мембране (фильтрация с поперечным потоком) также может минимизировать поляризацию концентрации.

Гидродинамическая модель [ править ]

Транспортировка через поры - в простейшем случае - осуществляется конвективно . Это требует, чтобы размер пор был меньше диаметра двух отдельных компонентов. Мембраны, работающие по этому принципу, используются в основном при микро- и ультрафильтрации. Они используются для отделения макромолекул от растворов , коллоидов от дисперсии или удаления бактерий. Во время этого процесса задержанные частицы или молекулы образуют на мембране мясистую массу ( фильтровальную лепешку ), и это засорение мембраны затрудняет фильтрацию. Это засорение может быть уменьшено за счет использования метода поперечного потока ( поперечная фильтрация).). Здесь фильтруемая жидкость течет вдоль передней части мембраны и разделяется разницей давления между передней и задней частью мембраны на ретентат (текущий концентрат) спереди и пермеат (фильтрат) на задней стороне. Тангенциальный поток в передней части создает напряжение сдвига, которое приводит к растрескиванию фильтрационной корки и уменьшению загрязнения .

Мембранные операции [ править ]

По движущей силе операции можно выделить:

Операции под давлением
- микрофильтрация
- ультрафильтрация
- нанофильтрация
- обратный осмос
- разделение газов
Операции, ориентированные на концентрацию
- диализ
- проникновение
- прямой осмос
- искусственное легкое
Операции в градиенте электрического потенциала
- электродиализ
- мембранный электролиз, например, хлорно-щелочной процесс
- электродеионизация
- электрофильтрация
- топливная ячейка
Работа в температурном градиенте
- мембранная перегонка

Формы мембран и геометрия потока [ править ]

Геометрия с поперечным потоком

Тупиковая геометрия

Существует две основные конфигурации потока мембранных процессов: поперечный (или) тангенциальный поток и тупиковая фильтрация. При фильтрации с поперечным потоком подаваемый поток тангенциальный.На поверхность мембраны ретентат удаляется с той же стороны дальше по потоку, тогда как поток пермеата отслеживается с другой стороны. При тупиковой фильтрации направление потока жидкости перпендикулярно поверхности мембраны. Обе геометрии потока обладают некоторыми преимуществами и недостатками. Обычно тупиковая фильтрация используется для технико-экономических обоснований в лабораторном масштабе. Тупиковые мембраны относительно легко изготовить, что снижает стоимость процесса разделения. Процесс тупикового мембранного разделения легко реализовать, и этот процесс обычно дешевле, чем поперечная мембранная фильтрация. Тупиковый процесс фильтрации обычно периодический.-процесс, при котором фильтрующий раствор загружается (или медленно подается) в мембранное устройство, которое затем позволяет некоторым частицам проходить под действием движущей силы. Основным недостатком тупиковой фильтрации является сильное загрязнение мембраны и концентрационная поляризация . Обрастание обычно происходит быстрее при более высоких движущих силах. Загрязнение мембраны и задержка частиц в исходном растворе также создают градиенты концентрации.и обратный поток частиц (концентрационная поляризация). Устройства с тангенциальным потоком более дорогостоящие и трудоемкие, но они менее подвержены загрязнению из-за эффекта вытеснения и высоких скоростей сдвига проходящего потока. Наиболее часто используемые синтетические мембранные устройства (модули) представляют собой плоские листы / пластины, спиральные намотки и полые волокна .

Плоские пластины обычно представляют собой круглые тонкие плоские мембранные поверхности, которые используются в модулях с тупиковой геометрией. Спиральные раны построены из подобных плоских мембран , но в виде «карман» , содержащих два мембранных листов , разделенных высокопористый опорной плитой. ^[2] Несколько таких карманов затем наматываются вокруг трубы для создания тангенциальной геометрии потока и уменьшения загрязнения мембраны. Модули из полых волокон состоят из сборки самонесущих волокон с плотными разделительными слоями оболочки и более открытой матрицы, помогающей выдерживать градиенты давления и поддерживать структурную целостность. ^[2]Модули из полых волокон могут содержать до 10 000 волокон диаметром от 200 до 2500 мкм; Основное преимущество половолоконных модулей - очень большая площадь поверхности в замкнутом объеме, повышающая эффективность процесса разделения.

Мембранный модуль со спиральной навивкой

Модуль половолоконных мембран
Разделение воздуха на кислород и азот через мембрану

Модуль диск трубки с использованием геометрии поперечного потока, и состоит из трубы под давлением и гидравлических дисков, которые проводятся с помощью центрального болта натяжения, и мембранные подушки , которые лежат между двумя дисками. ^[3]

Характеристики мембраны и основные уравнения [ править ]

Выбор синтетических мембран для целевого процесса разделения обычно основывается на нескольких требованиях. Мембраны должны обеспечивать достаточную площадь массообмена для обработки большого количества потока сырья. Выбранная мембрана должна обладать высокими селективными ( задерживающими ) свойствами по отношению к определенным частицам; он должен противостоять обрастанию и иметь высокую механическую стабильность. Он также должен быть воспроизводимым и иметь низкие производственные затраты. Основное уравнение моделирования тупиковой фильтрации при постоянном перепаде давления представлено законом Дарси: ^[2]

${\ displaystyle {\ frac {dV_ {p}} {dt}} = Q = {\ frac {\ Delta p} {\ mu}} \ A \ left ({\ frac {1} {R_ {m} + R }}\верно)}$

где V _p и Q - объем пермеата и его объемный расход, соответственно (пропорциональный тем же характеристикам исходного потока), μ - динамическая вязкость проникающей жидкости, A - площадь мембраны, R _m и R - соответствующие сопротивления мембрана и растущее отложение загрязняющих веществ. R _m можно интерпретировать как сопротивление мембраны проникновению растворителя (воды). Это сопротивление присуще мембране.свойство, и ожидается, что оно будет достаточно постоянным и не зависит от движущей силы Δp. R связан с типом загрязнителя мембраны, его концентрацией в фильтрующем растворе и природой взаимодействия загрязнителя с мембраной. Закон Дарси позволяет рассчитать площадь мембраны для целевого разделения при заданных условиях. Коэффициент просеивания растворенных веществ определяется уравнением: ^[2]

${\ Displaystyle S = {\ гидроразрыва {C_ {p}} {C_ {f}}}}$

где C _f и C _p - концентрации растворенных веществ в сырье и пермеате соответственно. Гидравлическая проницаемость определяется как величина, обратная сопротивлению, и выражается уравнением: ^[2]

${\ displaystyle L_ {p} = {\ frac {J} {\ Delta p}}}$

где J - поток пермеата, который представляет собой объемный расход на единицу площади мембраны. Коэффициент просеивания растворенных веществ и гидравлическая проницаемость позволяют быстро оценить характеристики синтетической мембраны.

Процессы мембранного разделения [ править ]

Процессы мембранного разделения играют очень важную роль в разделительной отрасли. Тем не менее, они не считались технически важными до середины 1970-х годов. Процессы мембранного разделения различаются в зависимости от механизмов разделения и размера разделенных частиц. Широко используемые мембранные процессы включают микрофильтрацию , ультрафильтрацию , нанофильтрацию , обратный осмос , электролиз , диализ , электродиализ , разделение газов , паропроницаемость, первапорацию , мембранную дистилляцию и мембранные контакторы. ^[4]Все процессы, кроме первапорации, не связаны с фазовым переходом. Все процессы, кроме (электро) диализа, управляются давлением. Микрофильтрация и ультрафильтрация широко используются в производстве продуктов питания и напитков (микрофильтрация пива, ультрафильтрация яблочного сока), биотехнологических приложениях и фармацевтической промышленности ( производство антибиотиков , очистка белков), очистке воды и очистке сточных вод , в промышленности микроэлектроники и др. Мембраны для нанофильтрации и обратного осмоса используются в основном для очистки воды. Плотные мембраны используются для разделения газов (удаление CO ₂ из природного газа, отделение N ₂из воздуха, удаления органических паров из воздуха или потока азота), а иногда и при мембранной перегонке. Более поздний процесс помогает в разделении азеотропных композиций, снижая затраты на процессы дистилляции.

Диапазоны разделения на мембранной основе

Размер пор и селективность [ править ]

Распределение пор фиктивной ультрафильтрационной мембраны с номинальным размером пор и D ₉₀

Размеры пор технических мембран указываются по-разному в зависимости от производителя. Одно общее различие заключается в номинальном размере пор . Он описывает максимальное распределение пор по размеру ^[5] и дает лишь расплывчатую информацию о удерживающей способности мембраны. Предел исключения или «отсечка» мембраны обычно указывается в форме NMWC ( отсечение номинальной молекулярной массы, или MWCO , отсечение молекулярной массы , с единицами измерения в Дальтоне ). Он определяется как минимальная молекулярная масса глобулярной молекулы, которая удерживается мембраной до 90%. Отсечка, в зависимости от метода, может быть преобразована в так называемый D ₉₀, который затем выражается в метрических единицах. На практике MWCO мембраны должен быть по крайней мере на 20% ниже, чем молекулярная масса разделяемой молекулы.

Используя трековые слюдяные мембраны ^[6], Бек и Шульц ^[7] продемонстрировали, что затрудненная диффузия молекул в порах может быть описана уравнением Ренкина ^[8] .

Фильтрующие мембраны делятся на четыре класса по размеру пор:

Размер пор	Молекулярная масса	Процесс	Фильтрация	Удаление
> 10		«Классический» фильтр
> 0,1 мкм	> 5000 кДа	микрофильтрация	<2 бар	более крупные бактерии, дрожжи, частицы
100-2 нм	5-5000 кДа	ультрафильтрация	1-10 бар	бактерии, макромолекулы, белки, более крупные вирусы
2-1 нм	0,1-5 кДа	нанофильтрация	3-20 бар	вирусы, двухвалентные ионы ^[9]
<1 нм	<100 Да	обратный осмос	10-80 бар	соли, небольшие органические молекулы

Форма и форма пор мембраны в значительной степени зависят от производственного процесса, и их часто трудно указать. Поэтому для определения характеристик проводят тестовую фильтрацию, и диаметр пор относится к диаметру мельчайших частиц, которые не могли пройти через мембрану.

Отклонение может быть определено различными способами и обеспечивает косвенное измерение размера пор. Одна возможность - фильтрация макромолекул (часто декстрана , полиэтиленгликоля или альбумина ), другая - измерение отсечки с помощью гель-проникающей хроматографии . Эти методы используются в основном для измерения мембран для ультрафильтрации. Другой метод тестирования - это фильтрация частиц определенного размера и их измерение с помощью измерителя размера частиц или с помощью спектроскопии лазерного пробоя (LIBS). Яркая характеристика заключается в измерении отторжения декстранового синего или других окрашенных молекул. Удержание бактериофагов и бактерий, так называемый «тест на бактериологию», также может предоставить информацию о размере пор.

Номинальный размер пор	микроорганизм	Корневой номер ATCC
0,1 мкм	Acholeplasma laylawii	23206
0,3 мкм	Споры Bacillus subtilis	82
0,5 мкм	Pseudomonas diminuta	19146
0,45 мкм	Serratia marcescens	14756
0,65 мкм	Lactobacillus brevis

Для определения диаметра пор также используются физические методы, такие как порозиметрия (ртуть, жидко-жидкостная порометрия и испытание точки пузыря), но предполагается определенная форма пор (например, цилиндрические или конкатенированные сферические отверстия). Такие методы используются для мембран, геометрия пор которых не соответствует идеальной, и мы получаем «номинальный» диаметр пор, который характеризует мембрану, но не обязательно отражает ее фактические характеристики фильтрации и селективность.

Селективность сильно зависит от процесса разделения, состава мембраны и ее электрохимических свойств в дополнение к размеру пор. Благодаря высокой селективности изотопы могут быть обогащены (обогащение урана) в ядерной технике или промышленные газы, такие как азот, могут быть восстановлены ( разделение газов ). В идеале даже рацемики можно обогатить подходящей мембраной.

При выборе мембран селективность имеет приоритет над высокой проницаемостью, поскольку низкие потоки могут быть легко компенсированы увеличением поверхности фильтра с помощью модульной структуры. При газофазной фильтрации действуют различные механизмы осаждения, так что частицы, имеющие размер ниже размера пор мембраны, также могут удерживаться.

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме мембранных технологий .

Искусственная мембрана
Осаждение частиц

Заметки [ править ]

^ «Следующее большое будущее: Израиль увеличивает масштабы опреснения обратным осмосом, чтобы сократить расходы на четверть трубопроводов» . nextbigfuture.com. 19 февраля 2015.
^ а б в г д Осада, Ю., Накагава, Т., Мембранная наука и технология , Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк, 1992.
^ "Модуль RCDT - Модуль трубы с радиальным каналом (RCDT)" . Модуль дисковой трубы с радиальным каналом (RCDT) . Проверено 11 мая 2016 .
^ Пиннау И., Freeman, BD, мембранная Формирование и модификация , ACS, 1999.
^ TU Berlin сценарий - 2 Принципов мембранных процессов ( "архивная копия" (PDF) Архивировано из. Оригинала (PDF) на 2014-04-16 извлекаться. 2013-09-06 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ); PDF-Datei; 6,85 МБ) Страница 6 (немецкий)
^ Флейшер, RL; Цена, ПБ; Уокер, RM (май 1963 г.). «Способ образования тонких отверстий близких к атомным размерам». Обзор научных инструментов . 34 (5): 510–512. Bibcode : 1963RScI ... 34..510F . DOI : 10.1063 / 1.1718419 . ISSN 0034-6748 .
^ Бек, RE; Шульц, Дж.С. (1970-12-18). «Затрудненная диффузия в микропористых мембранах с известной геометрией пор». Наука . 170 (3964): 1302–1305. Bibcode : 1970Sci ... 170.1302B . DOI : 10.1126 / science.170.3964.1302 . ISSN 0036-8075 . PMID 17829429 .
^ Ренкин, Евгений М. (1954-11-20). «Фильтрация, диффузия и молекулярное просеивание через пористые целлюлозные мембраны» . Журнал общей физиологии . 38 (2): 225–243. ISSN 0022-1295 . PMC 2147404 . PMID 13211998 .
^ Опыт и потенциальное применение нанофильтрации - Линцский университет (немецкий) ( PDF, заархивированный 05.04.2013 на Wayback Machine )

Ссылки [ править ]

Осада, Ю., Накагава, Т., Мембранная наука и технология , Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк, 1992.
Земан, Леос Дж., Зидней, Эндрю Л., Микрофильтрация и ультрафитрация , принципы и применение., Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк., 1996.
Малдер М., Основные принципы мембранной технологии , Kluwer Academic Publishers, Нидерланды, 1996.
Йорниц, Майк В., Стерильная фильтрация , Springer, Германия, 2006 г.
Ван Рейс Р., Зидней А. Биопроцессная мембранная технология. J Mem Sci . 297 (2007): 16-50.
Темплин Т., Джонстон Д., Сингх В., Тамблсон М.Э., Бельеа Р.Л. Рауш К.Д. Мембранное отделение твердых частиц от потоков переработки кукурузы. Biores Tech . 97 (2006): 1536-1545.
Риппергер С., Шульц Г. Микропористые мембраны в биотехнических применениях. Bioprocess Eng . 1 (1986): 43-49.
Томас Мелин, Роберт Раутенбах , Membranverfahren , Springer, Германия, 2007, ISBN 3-540-00071-2 .
Мунир Черян, Ультрафильтрация Handbuch , Behr, 1990, ISBN 3-925673-87-3 .
Эберхард Штауде, Membranen und Membranprozesse , VCH, 1992, ISBN 3-527-28041-3 .

[1] «Следующее большое будущее: Израиль увеличивает масштабы опреснения обратным осмосом, чтобы сократить расходы на четверть трубопроводов» . nextbigfuture.com. 19 февраля 2015.

[O-2] а б в г д Осада, Ю., Накагава, Т., Мембранная наука и технология , Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк, 1992.

[3] "Модуль RCDT - Модуль трубы с радиальным каналом (RCDT)" . Модуль дисковой трубы с радиальным каналом (RCDT) . Проверено 11 мая 2016 .

[Pi-4] Пиннау И., Freeman, BD, мембранная Формирование и модификация , ACS, 1999.

[5] TU Berlin сценарий - 2 Принципов мембранных процессов ( "архивная копия" (PDF) Архивировано из. Оригинала (PDF) на 2014-04-16 извлекаться. 2013-09-06 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ); PDF-Datei; 6,85 МБ) Страница 6 (немецкий)

[6] Флейшер, RL; Цена, ПБ; Уокер, RM (май 1963 г.). «Способ образования тонких отверстий близких к атомным размерам». Обзор научных инструментов . 34 (5): 510–512. Bibcode : 1963RScI ... 34..510F . DOI : 10.1063 / 1.1718419 . ISSN 0034-6748 .

[7] Бек, RE; Шульц, Дж.С. (1970-12-18). «Затрудненная диффузия в микропористых мембранах с известной геометрией пор». Наука . 170 (3964): 1302–1305. Bibcode : 1970Sci ... 170.1302B . DOI : 10.1126 / science.170.3964.1302 . ISSN 0036-8075 . PMID 17829429 .

[8] Ренкин, Евгений М. (1954-11-20). «Фильтрация, диффузия и молекулярное просеивание через пористые целлюлозные мембраны» . Журнал общей физиологии . 38 (2): 225–243. ISSN 0022-1295 . PMC 2147404 . PMID 13211998 .

[enf-9] Опыт и потенциальное применение нанофильтрации - Линцский университет (немецкий) ( PDF, заархивированный 05.04.2013 на Wayback Machine )

[1]