Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Опреснение воды
Методы

Нанофильтрация ( NF ) - это относительно недавний процесс мембранной фильтрации, который чаще всего используется для воды с низким общим содержанием растворенных твердых веществ, такой как поверхностные и пресные грунтовые воды , с целью смягчения ( удаления поливалентных катионов ) и удаления предшественников побочных продуктов дезинфекции, таких как природные органические вещество и синтетическое органическое вещество. [1] [2]

Нанофильтрация также становится все более широко используемой в пищевой промышленности, такой как молочная промышленность , для одновременного концентрирования и частичной (моновалентной ионной ) деминерализации.

Обзор [ править ]

Нанофильтрация - это метод мембранной фильтрации, в котором используются сквозные поры нанометрового размера, которые проходят через мембрану. Мембраны для нанофильтрации имеют размер пор от 1 до 10 нанометров, что меньше, чем при микрофильтрации и ультрафильтрации , но чуть больше, чем при обратном осмосе . Используемые мембраны преимущественно создаются из тонких полимерных пленок. [1] Обычно используемые материалы включают полиэтилентерефталат или металлы, такие как алюминий . [3] Размер пор контролируется pH., температура и время в процессе проявления с плотностью пор от 1 до 106 пор на см 2 . Мембраны, изготовленные из полиэтилентерефталата и других подобных материалов, называются мембранами «трекового травления», в честь способа образования пор на мембранах. [4] «Отслеживание» включает бомбардировку тонкой полимерной пленки частицами высокой энергии. Это приводит к образованию дорожек, которые химически превращаются в мембрану или «вытравливаются» в мембране, которые являются порами. Мембраны, созданные из металла, такие как мембраны из оксида алюминия, изготавливаются путем электрохимического выращивания тонкого слоя оксида алюминия из металлического алюминия в кислой среде.

Диапазон приложений [ править ]

Исторически нанофильтрация и другие мембранные технологии, используемые для разделения молекул, полностью применялись в водных системах. Первоначально нанофильтрация использовалась для очистки воды и, в частности, для ее умягчения . Нанофильтры могут «смягчать» воду, удерживая образующие накипь гидратированные двухвалентные ионы (например, Ca 2+ , Mg 2+ ), пропуская более мелкие гидратированные одновалентные ионы. [5] [6]

В последние годы использование нанофильтрации распространилось на другие отрасли, такие как производство молока и сока. Исследования и разработки мембран, устойчивых к растворителям, позволили использовать мембраны для нанофильтрации в новых областях, таких как фармацевтика , тонкая химия, ароматизаторы и парфюмерия. [5]

ПромышленностьИспользует
Тонкая химия и фармацевтикаНетермическое восстановление растворителей и управление ими

Замена растворителя при комнатной температуре

Нефть и нефтехимияУдаление компонентов смолы в корме

Очистка газовых конденсатов

Массовая химияПолировка продукта

Непрерывное восстановление гомогенных катализаторов

Натуральные эфирные масла и аналогичные продуктыФракционирование сырых экстрактов

Обогащение натуральными соединениями Бережное разделение

ЛекарствоСпособен извлекать аминокислоты и липиды из крови и других культур клеток.

Преимущества и недостатки [ править ]

Одним из основных преимуществ нанофильтрации как метода умягчения воды является то, что в процессе удержания ионов кальция и магния при пропускании более мелких гидратированных одновалентных ионов фильтрация выполняется без добавления дополнительных ионов натрия , как это используется в ионообменниках. [7] Многие процессы разделения не работают при комнатной температуре (например, дистилляция ), что значительно увеличивает стоимость процесса, когда применяется непрерывное нагревание или охлаждение. Выполнение деликатного молекулярного разделения связано с нанофильтрацией, которая часто не включается в другие формы процессов разделения ( центрифугирование). Это два основных преимущества, связанных с нанофильтрацией. Нанофильтрация имеет очень благоприятное преимущество, так как позволяет обрабатывать большие объемы и непрерывно производить потоки продуктов. Тем не менее, нанофильтрация является наименее используемым методом мембранной фильтрации в промышленности, поскольку размер пор мембраны ограничен всего несколькими нанометрами. Все, что меньше, используется обратный осмос, а все, что больше, используется для ультрафильтрации. Ультрафильтрация также может использоваться в тех случаях, когда может использоваться нанофильтрация, поскольку она более традиционна. Основным недостатком нанотехнологий, как и всех технологий мембранных фильтров, является стоимость используемых мембран и их техническое обслуживание. [8]Мембраны для нанофильтрации - дорогостоящая часть процесса. Ремонт и замена мембран зависит от общего количества растворенных твердых частиц, скорости потока и компонентов сырья. Поскольку нанофильтрация используется в различных отраслях промышленности, можно использовать только оценку частоты замены. Это приводит к замене нанофильтров за короткое время до или после завершения их первого использования.

Устройство и работа [ править ]

Промышленные применения мембран требуют от сотен до тысяч квадратных метров мембран, и поэтому требуется эффективный способ уменьшить площадь, занимаемую ими, путем их упаковки. Мембраны впервые стали коммерчески жизнеспособными, когда были применены недорогие методы размещения в «модулях». [9] Мембраны не являются самоподдерживающимися. Они должны поддерживаться пористой опорой, способной выдерживать давление, необходимое для работы мембраны NF, без ухудшения ее характеристик. Чтобы сделать это эффективно, в модуле должен быть канал для удаления проницаемости мембраны.и обеспечить соответствующие условия потока, которые уменьшают явления концентрационной поляризации. Хорошая конструкция сводит к минимуму потери давления как на стороне подачи, так и на стороне пермеата и, следовательно, потребность в энергии. Также необходимо предотвратить утечку сырья в поток пермеата. Это можно сделать с помощью постоянных уплотнений, таких как клей, или сменных уплотнений, таких как уплотнительные кольца . [10]

Концентрационная поляризация [ править ]

Концентрационная поляризация описывает накопление частиц, удерживаемых близко к поверхности мембраны, что снижает возможности разделения. Это происходит из-за того, что частицы конвектируются к мембране вместе с растворителем, и его величина представляет собой баланс между этой конвекцией, вызванной потоком растворителя, и переносом частиц от мембраны из-за градиента концентрации (преимущественно вызванного диффузией ). Хотя концентрационная поляризация является легко обратимо, это может привести к загрязнению мембраны. [10] [11]

Модуль спиральной намотки [ править ]

Модули со спиральной навивкой являются наиболее часто используемым типом модулей и имеют «стандартизованную» конструкцию, доступны в диапазоне стандартных диаметров (2,5 дюйма, 4 дюйма и 8 дюймов), чтобы соответствовать стандартному резервуару высокого давления, который может содержать несколько модулей, последовательно соединенных с помощью O -кольца. В модуле используются плоские листы, обернутые вокруг центральной трубки. Мембраны склеены по трем краям над прокладкой для пермеата, образуя «листы». Прокладка для пермеата поддерживает мембрану и направляет пермеат в центральную трубку для пермеата. Между каждым листом , вставляется сетка, подобная прокладке подачи. [11] [12] Причина, по которой размер прокладки подобен сетке, заключается в обеспечении гидродинамическихокружающая среда у поверхности мембраны, которая препятствует концентрационной поляризации. После того, как листы намотаны на центральную трубку, модуль оборачивается слоем оболочки, а на конце цилиндра устанавливаются колпачки для предотвращения «телескопирования», которое может возникнуть в условиях высокой скорости потока и давления.

Трубчатый модуль [ править ]

Трубчатые модули похожи на кожухотрубные теплообменники со связками трубок с активной поверхностью мембраны внутри. Поток через трубки обычно турбулентный , что обеспечивает поляризацию низкой концентрации, но также увеличивает затраты на энергию. Трубки могут быть самонесущими или поддерживаться вставкой в ​​перфорированные металлические трубки. Конструкция этого модуля ограничена для нанофильтрации давлением, которое они могут выдержать перед разрывом, что ограничивает максимально возможный поток. [9] [10] Из-за высоких эксплуатационных затрат на энергию турбулентного потока и предельного давления разрыва трубчатые модули больше подходят для «грязных» применений, где в сырье есть твердые частицы, такие как фильтрация сырой воды для получения питьевой воды.в процессе Файна. Мембраны можно легко очистить с помощью техники « скребков », когда шарики из пенопласта проталкиваются через трубки, счищая слежавшиеся отложения. [13]

Стратегии улучшения потока [ править ]

Эти стратегии работают, чтобы уменьшить величину концентрационной поляризации и загрязнения. Существует ряд доступных методов, однако наиболее распространенными являются разделители каналов подачи, описанные в модулях со спиральной намоткой. Все стратегии работают за счет увеличения завихрений и создания сильного сдвига в потоке около поверхности мембраны. Некоторые из этих стратегий включают в себя вибрацию мембраны, вращение мембраны, наличие диска ротора над мембраной, изменение скорости потока подаваемого материала и введение пузырьков газа близко к поверхности мембраны. [10] [11] [12]

Характеристика [ править ]

При разработке мембран NF необходимо учитывать множество различных факторов, поскольку они сильно различаются по материалам, механизмам разделения, морфологии и, следовательно, применению. Во время предварительных расчетов необходимо изучить два важных параметра: параметры производительности и морфологии.

Параметры производительности [ править ]

Удерживание как заряженных, так и незаряженных растворенных веществ и измерения проницаемости можно разделить на рабочие параметры, поскольку характеристики мембраны в естественных условиях основаны на соотношении удерживаемых и проникающих через мембрану растворенных веществ.

Для заряженных растворенных веществ ионное распределение солей вблизи границы раздела мембрана-раствор играет важную роль в определении характеристики удерживания мембраны. Если известны заряд мембраны, состав и концентрация фильтруемого раствора, можно определить распределение различных солей. Это, в свою очередь, может быть объединено с известным зарядом мембраны и эффектом Гиббса-Доннана для прогнозирования удерживающих характеристик этой мембраны. [10]

Незаряженные растворенные вещества нельзя охарактеризовать просто с помощью отсечки молекулярной массы (MWCO), хотя в целом увеличение молекулярной массы или размера растворенных веществ приводит к увеличению удерживания. Валентный заряд, химическая структура, функциональные концевые группы, а также pH растворенного вещества - все это играет важную роль в определении характеристик удерживания, и поэтому подробная информация о характеристиках молекул растворенного вещества должна быть известна до реализации проекта NF. [1]

Параметры морфологии [ править ]

Морфология мембраны также должна быть известна, чтобы реализовать успешный дизайн системы NF, и это обычно делается с помощью микроскопии. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) - это один из методов, используемых для характеристики шероховатости поверхности мембраны путем проведения небольшого острого наконечника (<100 Ă) по поверхности мембраны и измерения результирующей силы Ван-дер-Ваальса между атомами в конце кончик и поверхность. [10] Это полезно, поскольку установлена ​​прямая корреляция между шероховатостью поверхности и коллоидным загрязнением. Также существует корреляция между засорением и другими морфологическими параметрами, такими как гидрофобность , показывая, что чем более гидрофобна мембрана, тем меньше она подвержена засорению. См. Засорение мембраны для дополнительной информации.

Методы определения пористости пористых мембран также были найдены с помощью пермпорометрии , использующей различные давления пара для определения размера пор и распределения пор по размерам внутри мембраны. Первоначально все поры в мембране полностью заполнены жидкостью, и поэтому проникновение газа не происходит, но после снижения относительного давления пара в порах начнут образовываться зазоры, как это диктуется уравнением Кельвина . Полимерные (непористые) мембраны не могут быть подвергнуты этой методологии, поскольку конденсируемый пар должен иметь незначительное взаимодействие внутри мембраны. [10]

Перенос и отторжение растворенного вещества [ править ]

Механизмы, с помощью которых растворенные вещества при нанофильтрации переносятся через мембрану. [1]

В отличие от мембран с большими и меньшими размерами пор, прохождение растворенных веществ через нанофильтрацию значительно сложнее.

Из-за размера пор существует три способа переноса растворенных веществ через мембрану. К ним относятся 1) диффузия (перемещение молекул из-за градиентов потенциала концентрации, как видно через мембраны обратного осмоса), 2) конвекцию (перемещение с потоком, как при фильтрации с большим размером пор, такой как микрофильтрация) и 3) электромиграция (притяжение или отталкивание от заряды внутри и рядом с мембраной).

Кроме того, механизмы исключения в нанофильтрации более сложны, чем в других формах фильтрации. Большинство систем фильтрации работают исключительно по размеру (стерическому) исключению, но при малых масштабах длины, наблюдаемых в нанофильтрации, необходимо также учитывать влияние поверхностного заряда на небольшие заряженные растворенные вещества, а также влияние гидратации, когда молекулы в растворе сольватаются. оболочка из окружающих молекул воды. Исключение из-за гидратации упоминается как диэлектрическое исключение, ссылка на различные диэлектрические постоянные (энергии), связанные с присутствием частиц в растворе по сравнению с мембранной подложкой. PH раствора сильно влияет на поверхностный заряд [14], обеспечивая метод для понимания и лучшего контроля отторжения.

Первичные механизмы отторжения, которые предотвращают попадание растворенных веществ в поры при нанофильтрации. [1]

На механизмы переноса и исключения сильно влияют размер пор мембраны, вязкость растворителя, толщина мембраны, коэффициент диффузии растворенных веществ, температура раствора, pH раствора и диэлектрическая проницаемость мембраны. Распределение пор по размерам также важно. Точное моделирование отклонения для NF очень сложно. Это может быть сделано с применением уравнения Нернста – Планка , хотя обычно требуется сильная зависимость от подгоночных параметров к экспериментальным данным. [1]

В общем, заряженные растворенные вещества намного эффективнее удаляются в NF, чем незаряженные растворенные вещества, а поливалентные растворенные вещества, такие как SO2-
4 (валентность 2) испытывают очень сильное неприятие.

Типовые цифры для промышленного применения [ править ]

Принимая во внимание, что ЯТ обычно является частью составной системы очистки, единый блок выбирается на основе проектных спецификаций для блока ЯТ. Для очистки питьевой воды существует множество коммерческих мембран, принадлежащих к разным химическим семействам, имеющих разную структуру, химическую стойкость и отторжение солей, поэтому характеристики должны выбираться на основе химического состава и концентрации потока сырья.

Блоки NF для очистки питьевой воды варьируются от чрезвычайно низкого отвода солей (<5% в мембранах 1001A) до почти полного отторжения (99% в мембранах 8040-TS80-TSA). Диапазон расхода от 25 до 60 м 3 / день для каждого блока. , поэтому коммерческая фильтрация требует одновременной работы нескольких блоков NF для обработки большого количества питательной воды. Давление, требуемое в этих устройствах, обычно составляет 4,5-7,5 бар. [10]

Типичный процесс опреснения морской воды с использованием системы NF-RO показан ниже.

Из-за того, что пермеат NF редко бывает достаточно чистым, чтобы его можно было использовать в качестве конечного продукта для питьевой воды и другой очистки воды, обычно ли он используется в качестве стадии предварительной обработки для обратного осмоса (RO) [8], как показано выше.

Постобработка [ править ]

Как и в случае других разделений на основе мембран, таких как ультрафильтрация , микрофильтрация и обратный осмос , дополнительная обработка потоков пермеата или ретентата (в зависимости от применения) является необходимой стадией промышленного разделения NF перед коммерческим распределением продукта. Выбор и порядок операций установки, используемых при доочистке, зависят от нормативов качества воды и конструкции системы ЯО. Типичные стадии доочистки воды NF включают аэрацию, дезинфекцию и стабилизацию.

Аэрация [ править ]

Поливинилхлорид (ПВХ) или армированный волокном пластик (FRP) дегазатор используется для удаления растворенных газов , таких как углекислый газ и сероводород из потока пермеата. [15] Это достигается за счет продувки воздухом противотоком к воде, падающей через упаковочный материал в дегазаторе. Воздух эффективно удаляет из воды нежелательные газы.

Дезинфекция и стабилизация [ править ]

Вода, пермеат после отделения NF, деминерализуется и может подвергаться значительным изменениям pH, что создает значительный риск коррозии трубопроводов и других компонентов оборудования. Для повышения устойчивости воды применяется химическое добавление щелочных растворов, таких как известь и каустическая сода. Кроме того, к пермеату добавляются дезинфицирующие средства, такие как хлор или хлоамин, а также в некоторых случаях фосфатные или фторидные ингибиторы коррозии. [15]

Новые разработки [ править ]

Современные исследования в области технологии нанофильтрации (NF) в первую очередь связаны с улучшением характеристик мембран NF, минимизацией загрязнения мембран и снижением энергозатрат для уже существующих процессов. Один из способов, которым исследователи пытаются улучшить характеристики NF - более конкретно, увеличить поток пермеата и снизить сопротивление мембраны - это эксперименты с различными материалами и конфигурациями мембран. тонкопленочные композитные мембраны (TFC), которые состоят из ряда чрезвычайно тонких селективных слоев, полимеризованных на границе раздела на микропористой подложке, имели наибольший коммерческий успех в промышленных мембранных приложениях благодаря возможности оптимизации селективности и проницаемостикаждого отдельного слоя. [16] Недавние исследования показали, что добавление нанотехнологических материалов, таких как слои электроспуннанофиброзных мембран (ENM) к обычным мембранам TFC, приводит к увеличению потока пермеата. Это было связано с присущими ЭНМ свойствами, которые благоприятствуют потоку, а именно их взаимосвязанной пористой структурой, высокой пористостью и низким трансмембранным давлением. [17] Недавно разработанная конфигурация мембраны, которая предлагает более энергоэффективную альтернативу обычно используемой спирально-навитой конструкции, представляет собой половолоконную мембрану. Преимущество этого формата состоит в том, что он требует значительно меньшей предварительной обработки, чем мембраны со спиральной намоткой, поскольку твердые частицы, вводимые в сырье, эффективно вытесняются во время обратной промывки или промывки.[18] В результате снижаются загрязнение мембраны и затраты энергии на предварительную обработку. Также были проведены обширные исследования возможности использованиянаночастиц диоксида титана (TiO2, диоксид титана) для уменьшения загрязнения мембран. Этот метод включает нанесение непористого покрытия из диоксида титана на поверхность мембраны. Внутренняя обрастание / пор засорение мембраны сопротивление изза непористости покрытия,то время как супер гидрофильной природы диоксида титана обеспечивает сопротивление поверхности обрастаниясчет снижения адгезии эмульгированной нефти на поверхности мембраны. [19]

См. Также [ править ]

  • Список приложений нанотехнологий
  • Наноматериалы
  • Нанотехнологии
  • Ультрафильтрация
  • Обратный осмос

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f Рой, Ягнасени; Уорсингер, Дэвид М .; Линхард, Джон Х. (2017). «Влияние температуры на перенос ионов в мембранах для нанофильтрации: диффузия, конвекция и электромиграция». Опреснение . 420 : 241–257. DOI : 10.1016 / j.desal.2017.07.020 . hdl : 1721,1 / 110933 . ISSN  0011-9164 .
  2. ^ Раймонд Д. Леттерман (редактор) (1999). «Качество воды и очистка». 5-е изд. (Нью-Йорк: Американская ассоциация водопроводных сооружений и Макгроу-Хилл.) ISBN 0-07-001659-3 . 
  3. ^ Бейкер, Луизиана; Мартин (2007). «Нанотехнологии в биологии и медицине: методы, устройства и приложения». Наномедицина: нанотехнологии, биология и медицина . 9 : 1–24.
  4. ^ Апель, П.Ю; и другие. (2006). «Структура поликарбонатного трека-травления: происхождение« парадоксальной »формы поры». Журнал мембрановедения . 282 (1): 393–400. DOI : 10.1016 / j.memsci.2006.05.045 .
  5. ^ а б Рахимпур, А; и другие. (2010). «Получение и определение характеристик асимметричных полиэфирсульфоновых и тонкопленочных композитных полиамидных мембран для нанофильтрации для смягчения воды». Прикладная наука о поверхности . 256 (6): 1657–1663. Bibcode : 2010ApSS..256.1657R . DOI : 10.1016 / j.apsusc.2009.09.089 .
  6. ^ Лаббан, О .; Liu, C .; Чонг, TH; Линхард V, JH (2017). «Основы нанофильтрации при низком давлении: характеристика мембран, моделирование и понимание многоионных взаимодействий при умягчении воды» (PDF) . Журнал мембрановедения . 521 : 18–32. DOI : 10.1016 / j.memsci.2016.08.062 . ЛВП : 1721,1 / 105440 .
  7. ^ Бейкер, Луизиана; Мартин, Цой (2006). «Современная нанонаука». Наномедицина: нанотехнологии, биология и медицина . 2 (3): 243–255.
  8. ^ a b Мохаммед, AW; и другие. (2007). «Моделирование влияния свойств нанофильтрационной мембраны на оценку стоимости системы для опреснительных применений». Опреснение . 206 (1): 215–225. DOI : 10.1016 / j.desal.2006.02.068 .
  9. ^ Б Бэйкер, Ричард (2004). Мембранные технологии и их применение . Западный Сассекс: Джон Уайли и сыновья. ISBN 0470854456.
  10. ^ Б с д е е г ч Schafer, AI (2005). Принципы и применение нанофильтрации . Оксфорд: Эльзевир. ISBN 1856174050.
  11. ^ a b c Wiley, DE; Швинге, Фейн (2004). «Новая конструкция проставки улучшает наблюдаемый поток». Журнал мембрановедения . 229 (1–2): 53–61. DOI : 10.1016 / j.memsci.2003.09.015 . ISSN 0376-7388 . 
  12. ^ a b Schwinge, J .; Нил, PR; Wiley, DE; Флетчер, Д. Ф.; Фейн, AG (2004). «Модули и спейсеры со спиральной намоткой: обзор и анализ». Журнал мембрановедения . 242 (1–2): 129–153. DOI : 10.1016 / j.memsci.2003.09.031 . ISSN 0376-7388 . 
  13. ^ Grose, ABF; Смит, AJ; Донн, А .; О'Доннелл, Дж .; Велч, Д. (1998). «Поставка высококачественной питьевой воды в отдаленные районы Шотландии». Опреснение . 117 (1–3): 107–117. DOI : 10.1016 / s0011-9164 (98) 00075-7 . ISSN 0011-9164 . 
  14. ^ Эпштейн, Рази; Шаульский, Эвятар; Дизге, Надир; Уорсингер, Дэвид М .; Элимелех, Менахем (06.03.2018). «Роль плотности ионного заряда в исключении по Доннану одновалентных анионов с помощью нанофильтрации». Наука об окружающей среде и технологии . Американское химическое общество (ACS). 52 (7): 4108–4116. Bibcode : 2018EnST ... 52.4108E . DOI : 10.1021 / acs.est.7b06400 . ISSN 0013-936X . PMID 29510032 .  
  15. ^ a b Американская ассоциация водопроводных сооружений (2007). Руководство по практике водоснабжения при обратном осмосе и нанофильтрации . Денвер: Американская ассоциация водопроводных сооружений. С. 101–102. ISBN 978-1583214916.
  16. ^ Мисдан, N .; Lau, WJ; Исмаил, А.Ф .; Мацуура, Т. (2013). «Формирование тонкопленочной композитной нанофильтрационной мембраны: влияние характеристик полисульфонового субстрата» (PDF) . Опреснение . 329 : 9–18. DOI : 10.1016 / j.desal.2013.08.021 .
  17. ^ Субраманиан, S; Серан (2012). «Новое направление - применение нанофильтрации - являются ли нанофибры подходящим материалом в качестве мембран при опреснении воды». Опреснение . 308 : 198. DOI : 10.1016 / j.desal.2012.08.014 .
  18. Перейти ↑ Pearce, G (2013). Отличная нанофильтрация, новые разработки показывают многообещающие перспективы (26-е изд.). Журнал «Водный мир».
  19. ^ Dražević, E .; Кошутич, К .; Дананич, В .; Павлович, Д.М. (2013). «Влияние слоя покрытия на производительность тонкопленочной мембраны для нанофильтрации при удалении органических растворенных веществ». Технология разделения и очистки . 118 : 530–539. DOI : 10.1016 / j.seppur.2013.07.031 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Проект ETAP-ERN, использующий возобновляемые источники энергии для опреснения . (на испанском)
  • Нано-методы для улучшения качества воды - Hawk's Perch Technical Writing, LLC