Сконцентрированные знания о разделительных мембранах - микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос

Мембрана — это материал с избирательными разделительными способностями. Процесс использования мембранного селективного разделения для разделения, очистки и концентрирования различных компонентов жидкости называется мембранным разделением. Он отличается от традиционной фильтрации тем, что мембраны могут разделять на молекулярном уровне, и этот процесс является физическим, не требующим фазового перехода или добавления добавок. Размер пор мембраны обычно находится в микрометровом диапазоне. В зависимости от размера пор (также известного как молекулярный вес отсечки) мембраны классифицируются на микрофильтрационные, ультрафильтрационные, нанофильтрационные и обратного осмоса. По материалу они делятся на неорганические и органические мембраны. Неорганические мембраны в основном керамические и металлические, которые имеют меньшую точность фильтрации и селективность. Органические мембраны изготовлены из полимерных материалов, таких как ацетат целлюлозы, ароматический полиамид, полиэфирсульфон и фторполимеры. В процессах мембранного разделения с поперечным потоком эффективность разделения и удержания различных мембран зависит от размера пор и молекулярного веса отсечки мембраны. Следующая схема кратко иллюстрирует пять различных процессов мембранного разделения: (Отражённая стрелка указывает, что вещество не может пройти через мембрану и удерживается):

Основной принцип процесса мембранного разделения относительно прост. Во время фильтрации подаваемая жидкость под давлением насоса течёт вдоль поверхности мембраны с определённой скоростью потока. Вещества или молекулы с молекулярным весом больше молекулярного веса отсечки мембраны не проходят через мембрану и возвращаются в резервуар подачи, в то время как те, у которых молекулярный вес меньше отсечки, проходят через мембрану и образуют фильтрат. Таким образом, мембранная система имеет два выхода: один для концентрата (удерживаемого раствора) и другой для фильтрата. Количество фильтрата, проходящего за единицу времени (Hr) и на единицу площади мембраны (м2) (L), называется мембранным потоком (LMH), что является скоростью фильтрации. На мембранный поток влияют такие факторы, как температура, давление, общее содержание растворённых веществ (TDS), концентрация ионов, вязкость и др. Поскольку процесс мембранного разделения является чисто физическим, с такими характеристиками, как отсутствие фазового перехода, энергосбережение, небольшой объём и разделимость, мембраны широко применяются в ферментации, фармацевтике, растительном экстрагировании, химической технологии, водоочистке и экологической промышленности. Для органических соединений с разным составом выбираются различные мембраны в зависимости от их молекулярного веса, а также соответствующие мембранные процессы для достижения оптимального мембранного потока и коэффициента удержания, что улучшает выход продукции и снижает масштабы инвестиций и эксплуатационные расходы.

Микрофильтрация (MF)

Также известна как микропористая фильтрация, относится к точной фильтрации, и её основной принцип — процесс просеивания. Материалы микрофильтрационных мембран делятся на две категории: органические и неорганические. Органические полимеры включают ацетат целлюлозы, полипропилен, поликарбонат, полиамид и др. Неорганические мембранные материалы включают керамику и металлы. Учитывая характеристики разделения микропористых мембран, их основное применение — задержка частиц, бактерий и других загрязнителей в газовой и жидкой фазах для достижения очистки, разделения и концентрирования.

Микропористая фильтрация (MF) также является технологией мембранного разделения при низком давлении (обычно 10-50 psi). Её фильтрационная способность находится между обычными фильтрами и ультрафильтрами, обычно используется только для разделения взвешенных частиц размером от 0,05 до 10 мкм. Другие растворённые вещества в воде могут проходить через мембрану MF. Её функция просеивания заключается в фильтрации частиц и бактерий в газах или жидкостях. Для микрофильтрации характеристики удержания мембраны определяются размером пор, обычно в диапазоне от 0,1 до 1 микрометра. Поэтому микрофильтрационные мембраны могут отделять бактерии большого диаметра, взвешенные частицы и др. Их можно использовать для осветления, безопасной фильтрации общих жидкостей и дезинфекции воздуха.

Ультрафильтрация (UF)

Это мембранный процесс между микрофильтрацией и нанофильтрацией с размером пор мембраны от 0,05 мкм до молекулярного веса 1000. Ультрафильтрация — это технология мембранного разделения, которая может очищать, разделять и концентрировать растворы. Процесс ультрафильтрации можно в целом понимать как процесс просеивания, связанный с размером пор мембраны. Используя разницу давления по обе стороны мембраны в качестве движущей силы, ультрафильтрационная мембрана служит фильтрующим средством. Под определённым давлением, когда вода течёт по поверхности мембраны, через неё проходят только вода и мелкие молекулы с размером пор меньше, чем у мембраны, достигая цели очистки, разделения и концентрирования раствора.

Мембранная технология, использующая низкодавление 10-150 psi полупроницаемых мембран для разделения полимерных веществ (молекулярный вес 1000-300000), называется «ультрафильтрацией (UF)». Аналогично, нанофильтрация (NF) обладает характеристиками как обратного осмоса (RO), так и ультрафильтрации (UF). Эта мембрана имеет высокий уровень удаления двухвалентных ионов и ионов с молекулярным весом более 300, в то время как при высоких концентрациях уровень удаления одновалентных ионов составляет всего 0-20%. Хотя структуры двух мембран немного различаются, и ключевые объекты их функций также немного отличаются, они имеют следующие общие характеристики:

Это технология разделения жидкость-жидкость с низким энергопотреблением.

Процесс не требует нагрева или химических реагентов, и качество раствора не изменяется.

Для ультрафильтрации и нанофильтрации с разными молекулярными весами отсечки можно использовать различные мембраны для разделения молекул разного веса. Для ультрафильтрации характеристики удержания мембраны определяются молекулярным весом отсечки стандартных органических соединений, обычно в диапазоне от 1000 до 300000. Поэтому ультрафильтрационные мембраны могут отделять органические соединения с большим молекулярным весом (например, белки, бактерии), коллоиды, взвешенные частицы и др., и широко применяются для осветления питательных растворов, разделения и очистки органических веществ с большим молекулярным весом, а также для удаления тепла.

Нанофильтрация (NF)

Для нанофильтрации характеристики удержания мембраны определяются коэффициентом удержания стандартных растворов NaCl, MgSO4 и CaCl2. Типичный диапазон удержания составляет 60%-90%, а соответствующий молекулярный вес — 100-1000. Поэтому нанофильтрационные мембраны могут отделять органические соединения с малым молекулярным весом от воды и неорганические соли, достигая одновременного опреснения и концентрирования.

Обратный осмос (RO)

Когда два концентрированных раствора с разной концентрацией разделены полупроницаемой мембраной, согласно естественным явлениям, раствор с меньшей концентрацией будет проникать в сторону с большей концентрацией. Проникновение чистой воды в солёную воду является типичным примером. Однако если приложить достаточное давление (то есть большее, чем осмотическое давление) к стороне с солёной водой, произойдёт аномальное явление проникновения солёной воды в чистую воду, которое называется «обратным осмосом (RO)». Характеристики этой технологии:

Объектом удержания при обратном осмосе являются все ионы, пропускается только вода через мембрану. Коэффициент удержания NaCl превышает 98%, а выходящий поток — это вода без ионов. Обратный осмос может удалять растворимые металлические соли, органические вещества, бактерии, коллоидные частицы и пирогены, то есть способен задерживать все ионы. Мембраны обратного осмоса широко применяются для производства очищенной воды, умягчённой воды, деионной воды, концентрирования продуктов и очистки сточных вод.