Мембранско одвајање дели храну на пермеат и ретентат где год се вода, хемикалије, састојци хране, фармацеутски производи или метали морају повратити или уклонити. Појављује се у десалинизацији, поновној употреби воде, млечним производима, ултрачистој води, хидрометалургији и обнављању растварача. Ипак, „мембранско одвајање“ описује породицу процеса, а не један производ. Два елемента са сличним кућиштем могу се разликовати по полимеру, величини пора, површинском набоју, покретачкој сили и паковању. Зато потрага за "најбољом мембраном" ретко помаже.
Класификација мембранског одвајања групише ове процесе према питању на које одговарају: шта је производ, од чега је направљена мембрана, шта покреће транспорт, колико је чврст рез, како је баријера структурирана и како је упакована. Шест сочива у наставку су комплементарни прикази једне спецификације; Користећи се у низу, они сужавају препуно тржиште на кратку листу вредну тестирања.
класификацијски оквир за раздвајање мембрана
Класификација мембрана првенствено обухвата шест димензија, као што је илустровано на левој слици: циљ одвајања, материјал мембране, покретачка сила, прецизност одвајања, структура мембране и структура мембранског модула. У наставку ће аутор дати детаљан преглед ових категорија.
1. По мети раздвајања
----Шта мора напустити, а шта остати?
Прво сочиво је економија процеса. Ако је пермеат производ, посао је пречишћавање: вода пролази док се соли, колоиди или органске материје задржавају. Реверзна осмоза за ултрачисту воду је најјаснији пример. Ако је ретентат производ, посао је концентрација: вода одлази као пермеат док вредне или проблематичне врсте остају. Мембрана која концентрише ток који носи метал је концентрациона мембрана, чак и ако њен полимер и поре подсећају на НФ.
Ако оба тока имају вредност, посао је раздвајање. Ако је циљ уски део између две граничне вредности, посао је екстракција: материјал пролази кроз лабавију мембрану, али га задржава чвршћа, тако да је производ фракција између две границе. Свака ознака мења метрику. Пречишћавање се оцењује на основу квалитета пермеата, концентрације на снази опоравка и ретентата, и раздвајања на оба тока.
ИИМЕ-ове специјалне мембране показују како једна технологија мења улогу. Његова мембрана од племенитих метала задржава металне вредности у концентрату, тако да ради као концентрациона мембрана. Његова мембрана реверзне осмозе је дизајнирана око пермеата-чисте воде - тако да је мембрана за пречишћавање. Различити производи, различити показатељи.
2. Према материјалу мембране
----Органски, неоргански и метални
Друго сочиво је хемија. Органске мембране користе полимере као што су полисулфон (ПСф), полипропилен (ПП), полиакрилонитрил (ПАН), поливинилиден флуорид (ПВДФ), полиетерсулфон (ПЕС), целулозни ацетат (ЦА), ароматични полиамид и полиамид на бази пиперазина. Они доминирају третманом воде јер су јефтини, спаковани у модуле велике површине и раде на нижим притисцима од керамике.Њихова ограничења су практична: оксиданти, растварачи, екстремни пХ или топлота нападају полимер; механичка чврстоћа је ограничена; а прозори за чишћење су ужи.
Неорганске мембране су типично од керамике, стакла или силиката, са селективним слојевима алуминијума, цирконијума, титана или силицијум диоксида. Они толеришу високе температуре, агресивно чишћење и јаке хемикалије и могу се снажно испрати. Заузврат, они су тежи, скупљи, ломљиви под термичким ударом и имају мање површине по јединици запремине. Металне мембране су мања група: густе легуре паладијума одвајају водоник, а порозни нерђајући челик служи као подршка. Метал-оксидне мембране се обично групишу са керамиком.
Породице се спајају. Органске мембране добијају набијене превлаке, мешовите матричне пунилице и композитне слојеве; керамика добија тање слојеве и већу густину паковања. Ароматични полиамид и даље доминира реверзном осмозом, док НФ, УФ и МФ нуде више полимера и површинских хемија. Та разноликост омогућава да се мембрана прилагоди раду, а не да се бира по величини пора.
ИИМЕ-ова нанофилтрациона линија је пример: почевши од нанофилтрационог супстрата, компанија користи вишедимензионалну међуслојну координациону стратегију за подешавање раздвајања између једновалентних и двовалентних металних јона. Ниједан полимер није универзално бољи; хемија се може конструисати око проблема раздвајања.
3. Покретном силом
---Шта гура раздвајање?
Сваки мембрански процес захтева градијент-притисак, парцијални притисак, осмотски притисак, концентрацију, електрични потенцијал или температуру. Тај градијент више одређује опрему, енергију и начин загађивања него величина пора.
| Погонска снага | Типичан процес | Шта се креће | Заједничка дужност |
|---|---|---|---|
| Трансмембрански притисак | МФ, УФ, НФ, РО | Вода и мале растворене материје | Третман воде, концентрација, предтретман |
| Разлика парцијалног притиска | Одвајање гаса, первапорација | Специфичне врсте гаса или паре | Опоравак водоника, уклањање ВОЦ, дехидрација |
| Разлика осмотског притиска | Напредна осмоза | Вода | Тешки фидови, процеси извлачења и решавања |
| Разлика у концентрацији | Дијализа | Мале растворене супстанце | Пречишћавање крви, неки хемијски опоравак |
| Разлика електричног потенцијала | Електродијализа (ЕД), ЕДИ | Наелектрисани јони | Слана вода, кисело/базно обнављање, ултра чиста вода |
| Температурна разлика | Мембранска дестилација | Водена пара |
Сланик високог салинитета, термичка интеграција |
Процеси вођени притиском су познати, али не и целој породици. Електродијализа користи мембране за измену јона и електрично поље за уклањање наелектрисаних врста без чврстог полимера.Мембранедестилација пропушта водену пару кроз хидрофобну мембрану, тако да може третирати слане воде које би запрљале РО. Предња осмоза користи осмотски градијент уместо пумпе, иако јој је и даље потребан опоравак раствора. Мембрана која се истиче под притиском може бити ирелевантна под другим градијентом.
ЗаИИМЕ-АгР100-8040 Концентрациона мембрана сребрних јона, покретачка сила је притисак: 2,5 МПа (363 пси). То га ставља на крај нанофилтрације високог притиска, ближе реверзној осмози него ултрафилтрацији ниског притиска. Притисак произилази из чврстог реза од 100 Да и потребе да се превазиђе осмотски притисак и поларизација концентрације у концентрованим струјама цијанида.
4. Прецизношћу раздвајања
---Од МФ до РО, са обилазницама
Сепрецизност парације је најчешће коришћено сочиво и најједноставније. Микрофилтрација (МФ) уклања суспендоване чврсте материје, бактерије и алге на 0,1–10 µм. Ултрафилтрација (УФ)ради на отприлике 1–100 нм, задржавајући колоиде, протеине, уља и макромолекуле. Нанофилтрација (НФ) се налази на око 0,5–2 нм, одбацује многе мултивалентне јоне и мале органске материје и пропушта неке моновалентне јоне. Реверзна осмоза (РО) је чвршћа, одбија већину растворених јона док пропушта воду.
Ови распони су индикативни. Стварно задржавање зависи од пуњења, хидрофилности, морфологије, концентрације хране, пХ, температуре и методе испитивања граничне молекулске тежине (МВЦО). МВЦО се обично додељује неутралним сондама, тако да не може сам по себи предвидети одбацивање наелектрисаног јона. Две "НФ" мембране могу се веома различито понашати на истом саламури.
| Класа | Индикативно одсецање | Типично задржавање | Уобичајене апликације |
|---|---|---|---|
| МФ | 0.1–10 µm | Суспендоване материје, бактерије, алге | Пречишћавање, предтретман, отпадне воде |
| УФ | 1–100 нм (≈1–1.000 кДа) | Колоиди, протеини, уља, макромолекули | Млечни производи, храна, поновна употреба, одвајање уља и воде |
| НФ | ≈0,5–2 нм (често 100–1000 Да) | Мултивалентни јони, боје, мале органске материје | Омекшавање, одвајање боје и соли, опоравак метала |
| РО | <0.5 nm (≈<100 Da) | Већина јона и малих молекула | Десалинизација, ултрачиста вода, концентрација |
| ЕД / ЕДИ | Није ограничење величине пора | Наелектрисани јони | Слана вода, кисело/базно обнављање, ултра чиста вода |
| МД | Није ограничење величине пора | Водена пара | Сланица високог салинитета, рекуперација воде |
ЕД, ЕДИ и МД се појављују у истој табели јер их купци упоређују један поред другог, али они нису рођаци величине пора. ЕД и ЕДИ користе електрични потенцијал; МД користи термички градијент.
5. По структури мембране
---Шта открива пресек
Структура мембране описује како је баријера изграђена. Симетрична мембрана је отприлике уједначена по својој дебљини. Асиметрична мембрана има танку селективну кожу на отворенијој подлози од истог полимера. Танкофилни композит (ТФЦ) иде даље: ултратанки селективни слој је премазан на порозну подлогу, тако да се хемија баријере и механика носача могу оптимизовати независно. Већина РО и многе НФ мембране су композити из овог разлога.
Структура такође покрива порозност и хемију површине. МФ и УФ мембране су порозне; РО мембране су густе и ослањају се на раствор-дифузију, а не на просијавање. НФ се налази између њих, са довољно малим порама да су наелектрисање и диелектрични ефекти важни. Набијене, мешовите матрице и међуслојне мембране покушавају да одвоје селективност од пропустљивости. Попречни пресек поставља компромис између флукса, одбацивања, загађивања и чврстоће. Композит високог флукса може да пропадне ако довод садржи абразиве или ако средства за чишћење нападају међуслој. Керамичка мембрана може одговарати високом чврстом стању, високој температури чак и при нижем флуксу.
6. По структури елемената
---Како је мембрана упакована
Завршно сочиво је модул који претвара равну мембрану у елемент. Спирално намотани модули котрљају равне листове око пермеатне цеви, са одстојницима који стварају канале за проток. Они нуде високу густину паковања, предвидљиво повећање и нижу цену по квадратном метру, због чега доминирају РО и НФ. Модули са шупљим влакнима користе хиљаде финих влакана за велику површину по запремини, али се лако кваре и често се испирају. Цевасти модули раде са високим садржајем чврстих материја и вискозним доводима, али заузимају мање површине. Модули са плочама и оквирима се лако чисте и одговарају малим, прљавим токовима или токовима велике вредности. Керамички монолити комбинују многе канале у једном блоку за тешке хемијске и термичке обавезе.
ИИМЕ-АгР100-8040 користи спирално намотани 8040 елемент пречника 8,0 инча, дужине 40 инча са 400 фт² (37,2 м²). Тај формат се уклапа у чист, претходно филтриран млаз високог притиска и пакује простор у стандардну посуду. Није прикладно за храну са великом количином чврстих материја или великим оптерећењем обрастања; цевасти или плочасти дизајни могу бити робуснији, уз веће капиталне трошкове.
Структура елемената изазива изненађења пилот постројења. Мембрана која има добре резултате у тесту са равним листовима може изгубити флукс у спирално намотаном елементу када се одстојник за напајање поквари, пад притиска расте или је проток концентрата пренизак. Максимални диференцијални притисак и минимални однос концентрата и пермеата стога заслужују исто толико пажње као и одбацивање. Они дефинишу хидраулични омотач у којем подаци испитивања постају перформансе.
