Микрофильтрация

Микрофильтрация — это тип процесса физической фильтрации , при котором загрязненная жидкость проходит через специальный с порами мембранный фильтр для отделения микроорганизмов и взвешенных частиц от технологической жидкости . Его обычно используют в сочетании с различными другими процессами разделения, такими как ультрафильтрация и обратный осмос, для получения потока продукта, свободного от нежелательных примесей .

Общие принципы

Микрофильтрация обычно служит предварительной обработкой для других процессов разделения, таких как ультрафильтрация , и последующей обработкой для фильтрации с использованием гранулированных сред . Типичный размер частиц, используемых для микрофильтрации, находится в диапазоне примерно от 0,1 до 10 мкм . С точки зрения приблизительной молекулярной массы эти мембраны могут разделять макромолекулы с молекулярной массой, как правило, менее 100 000 г/моль. Фильтры, используемые в процессе микрофильтрации, специально разработаны для предотвращения прохождения таких частиц, как осадок , водоросли , простейшие или крупные бактерии , через специально разработанный фильтр. Более микроскопические, атомные или ионные материалы, такие как вода (H ₂ O), одновалентные соединения, такие как натрий (Na ⁺ ) или хлорид (Cl ⁻ ) ионы, растворенные или природные органические вещества , а также небольшие коллоиды и вирусы по-прежнему смогут проходить через фильтр.

Взвешенная жидкость пропускается с относительно высокой скоростью около 1–3 м/с и при давлении от низкого до умеренного (около 100–400 кПа ) параллельно или по касательной к полупроницаемой мембране в листовой или трубчатой ​​форме. На технологическое оборудование обычно устанавливается насос , позволяющий жидкости проходить через мембранный фильтр. Также имеются две конфигурации насосов: с приводом от давления или с вакуумом . дифференциальный или обычный манометр Для измерения перепада давления между выходным и входным потоками обычно прикрепляют . См. рисунок 1 для получения общей информации.

Рисунок 1: Общая установка системы микрофильтрации.

Мембраны для микрофильтрации наиболее широко используются в промышленности по производству воды , напитков и биопереработке (см. ниже). Выходной технологический поток после обработки с помощью микрофильтра имеет степень восстановления, которая обычно составляет около 90-98%.

Область применения

Очистка воды

Основная статья: Водоочистка

Пожалуй, наиболее широкое применение микрофильтрационных мембран связано с очисткой питьевой воды. Мембраны являются ключевым этапом первичной дезинфекции потока поступающей воды. Такой поток может содержать такие патогены , как простейшие Cryptosporidium и Giardia Lamblia , которые являются причиной многочисленных вспышек заболеваний. Оба вида демонстрируют постепенную устойчивость к традиционным дезинфицирующим средствам (например, хлору ). Использование мембран MF представляет собой физический способ разделения (барьер), а не химическую альтернативу. В этом смысле и фильтрация, и дезинфекция происходят за один этап, что исключает дополнительные затраты на дозировку химикатов и соответствующее оборудование (необходимое для обработки и хранения).

Аналогичным образом, мембраны MF используются во вторичных сточных водах для удаления мутности , а также для очистки и дезинфекции. На этом этапе потенциально могут быть добавлены коагулянты ( железо или алюминий ) для осаждения таких веществ, как фосфор и мышьяк , которые в противном случае были бы растворимы.

Стерилизация

Основная статья: Стерилизация (микробиология)

Еще одним важным применением мембран MF является холодная стерилизация напитков и фармацевтических препаратов . Исторически для стерилизации прохладительных напитков, таких как соки, вино и пиво, в частности, использовалось тепло, однако при нагревании была явно очевидна потеря вкуса. Аналогичным образом было показано, что фармацевтические препараты теряют свою эффективность при добавлении тепла. Мембраны MF используются в этих отраслях промышленности как метод удаления бактерий и других нежелательных взвесей из жидкостей. Эта процедура называется «холодной стерилизацией», которая исключает использование тепла.

Нефтепереработка

Основная статья: Процессы нефтепереработки

Кроме того, мембраны для микрофильтрации находят все более широкое применение в таких областях, как нефтепереработка, в которых удаление твердых частиц из дымовых газов вызывает особую озабоченность. Ключевыми проблемами/требованиями для этой технологии являются способность мембранных модулей выдерживать высокие температуры (т.е. сохранять стабильность), но также конструкция должна быть такой, чтобы обеспечить очень тонкое листовое покрытие (толщина < 2000 ангстрем ), чтобы облегчить увеличение потока. . Кроме того, чтобы система была финансово жизнеспособной, модули должны иметь низкий профиль загрязнения и, что наиболее важно, быть доступными по низкой цене.

Переработка молока

Основная статья: Молочные продукты

Помимо вышеуказанных применений, мембраны MF нашли активное применение в основных областях молочной промышленности, особенно при переработке молока и сыворотки. Мембраны MF способствуют удалению бактерий и связанных с ними спор из молока, препятствуя проникновению вредных видов. Это также предшественник пастеризации , позволяющий продлить срок хранения продукта. Однако наиболее многообещающий метод использования мембран MF в этой области относится к отделению казеина от сывороточных белков (т.е. белков сывороточного молока). В результате образуются два потока продуктов, оба из которых пользуются большим доверием потребителей; поток концентрата с высоким содержанием казеина , используемый для производства сыра, и поток сывороточного/сывороточного белка, который дополнительно обрабатывается (с использованием ультрафильтрации ) для получения концентрата сывороточного белка. Поток сывороточного белка подвергается дальнейшей фильтрации для удаления жира с целью достижения более высокого содержания белка в конечных порошках WPC (концентрат сывороточного белка) и WPI (изолят сывороточного белка).

Другие приложения

Другие распространенные применения, использующие микрофильтрацию в качестве основного процесса разделения, включают:

• Осветление и очистка клеточных бульонов , в которых макромолекулы необходимо отделить от других крупных молекул, белков или клеточного мусора.
• Другие биохимические и биотехнологические применения, такие как осветление декстрозы .
• Производство красок и клеев.

Характеристики основного процесса

Процессы мембранной фильтрации можно отличить по трем основным характеристикам: движущая сила, поток ретентата и потоки пермеата . Процесс микрофильтрации осуществляется под давлением с использованием взвешенных частиц и воды в качестве ретентата и растворенных растворенных веществ, а также воды в качестве пермеата. Использование гидравлического давления ускоряет процесс разделения за счет увеличения скорости потока ( потока ) жидкого потока, но не влияет на химический состав частиц в потоках ретентата и продукта.

Основной характеристикой, ограничивающей производительность микрофильтрации или любой мембранной технологии, является процесс, известный как загрязнение . Загрязнение означает отложение и накопление компонентов сырья, таких как взвешенные частицы, непроницаемые растворенные вещества или даже проницаемые растворенные вещества, на поверхности мембраны и/или внутри пор мембраны. Загрязнение мембраны во время процессов фильтрации снижает поток и, следовательно, общую эффективность работы. Это указывается, когда падение давления увеличивается до определенной точки. Это происходит даже тогда, когда рабочие параметры постоянны (давление, расход, температура и концентрация). Загрязнение в основном необратимо, хотя часть слоя загрязнения можно обратить вспять путем очистки в течение коротких периодов времени.

Конфигурации мембраны

Рисунок 2: Геометрия поперечного потока

Рисунок 3. Тупиковая геометрия

Мембраны для микрофильтрации обычно могут работать в одной из двух конфигураций.

Фильтрация с поперечным потоком : жидкость проходит тангенциально по отношению к мембране. Часть исходного потока, содержащего обработанную жидкость, собирается под фильтром, а часть воды проходит через мембрану необработанной. Под перекрестноточной фильтрацией понимают единичную операцию, а не процесс. На рисунке 2 представлена ​​общая схема процесса.

Тупиковая фильтрация ; все потоки технологической жидкости и все частицы, размеры которых превышают размеры пор мембраны, задерживаются на ее поверхности. Вся питательная вода очищается сразу с учетом образования осадка. Этот процесс в основном используется для периодической или полунепрерывной фильтрации растворов низкой концентрации. На рисунке 3 представлена ​​общая схема этого процесса.

Проектирование процессов и оборудования

К основным проблемам, влияющим на выбор мембраны, относятся:

Проблемы, связанные с сайтом

• Мощность и потребность объекта.
• Процент выздоровления и отторжения.
• Характеристики жидкости ( вязкость , мутность , плотность )
• Качество обрабатываемой жидкости
• Процессы предварительной обработки

Проблемы, связанные с мембраной

• Стоимость закупки и изготовления материалов
• Рабочая температура
• Трансмембранное давление
• Мембранный поток
• Управление характеристиками жидкости (вязкость, мутность, плотность)
• Мониторинг и обслуживание системы
• Очистка и обработка
• Утилизация технологических остатков

Переменные проектирования процесса

• Эксплуатация и контроль всех процессов в системе
• Материалы конструкции
• Оборудование и приборы ( контроллеры , датчики ) и их стоимость.

Фундаментальная эвристика проектирования

Ниже обсуждаются несколько важных эвристик проектирования и их оценка:

• При очистке сырых загрязненных жидкостей твердые острые материалы могут изнашивать пористые полости микрофильтра, делая его неэффективным. Жидкости должны быть подвергнуты предварительной обработке перед прохождением через микрофильтр. Этого можно достичь путем изменения процессов макроразделения, таких как просеивание или фильтрация через гранулированную среду.
• При выполнении режимов очистки мембрана не должна высыхать после контакта с технологическим потоком. Тщательную промывку водой мембранных модулей, трубопроводов, насосов и других соединений агрегата следует проводить до тех пор, пока сточная вода не станет чистой.
• Модули микрофильтрации обычно настроены на работу при давлении от 100 до 400 кПа. Такое давление позволяет удалять такие материалы, как песок, щели и глины, а также бактерии и простейшие.
• Когда мембранные модули используются впервые, то есть во время запуска установки, необходимо тщательно продумать условия. Обычно при подаче питания в модули требуется медленный пуск, поскольку даже небольшие отклонения потока выше критического приведут к необратимому загрязнению.

Как и любые другие мембраны, мембраны для микрофильтрации склонны к загрязнению. (См. рисунок 4 ниже). Поэтому необходимо проводить регулярное техническое обслуживание, чтобы продлить срок службы мембранного модуля.

• рутинная « обратная промывка Для этого используется ». В зависимости от конкретного применения мембраны обратная промывка осуществляется в течение короткого времени (обычно от 3 до 180 с) и с умеренно частыми интервалами (от 5 минут до нескольких часов). Следует использовать условия турбулентного потока с числами Рейнольдса более 2100, в идеале между 3000 и 5000. Однако не следует путать это с «обратной промывкой», более строгим и тщательным методом очистки, обычно практикуемым в случаях загрязнения твердыми частицами и коллоидами.
• Когда необходима серьезная очистка для удаления захваченных частиц, используется метод CIP (очистка на месте). чистящие/ моющие средства , такие как гипохлорит натрия , лимонная кислота , каустическая сода Для этой цели обычно используются или даже специальные ферменты. Концентрация этих химикатов зависит от типа мембраны (ее чувствительности к сильным химикатам), а также от типа удаляемого вещества (например, отложений из-за присутствия ионов кальция).
• Другой метод увеличения срока службы мембраны может заключаться в последовательном соединении двух микрофильтрационных мембран . Первый фильтр будет использоваться для предварительной очистки жидкости, проходящей через мембрану, где более крупные частицы и отложения улавливаются картриджем. Второй фильтр будет действовать как дополнительная «проверка» частиц, которые могут пройти через первую мембрану, а также обеспечивать фильтрацию частиц нижнего спектра диапазона.

Экономика дизайна

Затраты на проектирование и изготовление мембраны на единицу площади примерно на 20% меньше по сравнению с началом 1990-х годов и в общем смысле постоянно снижаются. Мембраны для микрофильтрации более выгодны по сравнению с традиционными системами. Системы микрофильтрации не требуют дорогостоящего стороннего оборудования, такого как флокуляты, добавки химикатов, флэш-смесители, отстойники и фильтрующие бассейны. Однако стоимость замены капитального оборудования (мембранных картриджных фильтров и т. д.) все равно может быть относительно высокой, поскольку оборудование может быть изготовлено специально для конкретного применения. Используя эвристику проектирования и общие принципы проектирования установки (упомянутые выше), срок службы мембраны можно увеличить, чтобы снизить эти затраты.

за счет разработки более интеллектуальных систем управления технологическими процессами и эффективного проектирования предприятий. некоторые общие советы по снижению эксплуатационных расходов Ниже приведены

• Работа установок при пониженных потоках или давлениях в периоды низкой нагрузки (зима)
• Отключение систем завода на короткие периоды времени, когда условия подачи экстремальные.
• Короткий период отключения (около 1 часа) во время первого слива реки после дождя (при очистке воды) для снижения затрат на очистку в начальный период.
• Использование более экономичных чистящих химикатов, где это возможно (серная кислота вместо лимонной/фосфорной кислоты).
• Использование гибкой системы проектирования управления. Операторы могут манипулировать переменными и заданными значениями для достижения максимальной экономии средств.

В Таблице 1 (ниже) представлены ориентировочные капитальные и эксплуатационные затраты на мембранную фильтрацию на единицу потока.

Параметр	Количество	Количество	Количество	Количество	Количество
Расчетный расход (мг/сут)	0.01	0.1	1.0	10	100
Средний поток (мг/сут)	0.005	0.03	0.35	4.4	50
Капитальные затраты ($/галлон)	$18.00	$4.30	$1.60	$1.10	$0.85
Годовые операционные и управленческие затраты ($/кг)	$4.25	$1.10	$0.60	$0.30	$0.25

Таблица 1. Ориентировочная стоимость мембранной фильтрации на единицу потока

Примечание:

• Капитальные затраты основаны на долларах за галлон мощности очистных сооружений.
• Расчетный расход измеряется в миллионах галлонов в день.
• Только затраты на мембрану (в этой таблице не рассматривается оборудование для предварительной и последующей обработки)
• Эксплуатационные и годовые затраты рассчитываются в долларах за тысячу обработанных галлонов.
• Все цены указаны в долларах США по состоянию на 2009 год и не корректируются с учетом инфляции.

Технологическое оборудование

Мембранные материалы

Материалы, из которых состоят мембраны, используемые в системах микрофильтрации, могут быть органическими или неорганическими в зависимости от загрязнений, которые необходимо удалить, или типа применения.

• Органические мембраны изготавливаются с использованием широкого спектра полимеров, включая ацетат целлюлозы (СА), полисульфон , поливинилиденфторид , полиэфирсульфон и полиамид . Они наиболее часто используются из-за их гибкости и химических свойств.
• Неорганические мембраны обычно состоят из спеченного металла или пористого оксида алюминия . Они могут иметь различную форму, с диапазоном средних размеров пор и проницаемости.

Мембранные структуры

Общие мембранные структуры для микрофильтрации включают:

• Сетчатые фильтры (частицы и вещества того же или большего размера, чем отверстия сита, задерживаются в процессе и собираются на поверхности сита)
• Глубинные фильтры (вещество и частицы застревают в сужениях фильтрующего материала, поверхность фильтра содержит более крупные частицы, более мелкие частицы улавливаются в более узкой и глубокой части фильтрующего материала.)

Мембранные модули

Разрез модуля микрофильтрации с половолоконными мембранами

Плита и рама (плоский лист)

Мембранные модули для тупиковой проточной микрофильтрации в основном представляют собой пластинчато-рамную конструкцию. Они имеют плоский тонкопленочный композитный лист, пластина которого асимметрична. Тонкая избирательная кожа поддерживается более толстым слоем с более крупными порами. Эти системы компактны и имеют прочную конструкцию. По сравнению с фильтрацией с перекрестным потоком пластинчатые и рамные конфигурации требуют меньших капитальных затрат; однако эксплуатационные расходы будут выше. Использование пластинчатых и рамных модулей наиболее применимо для небольших и простых приложений (лабораторий), которые фильтруют разбавленные растворы.

Спирально-навитый

Эта конкретная конструкция используется для фильтрации с перекрестным потоком. Конструкция включает в себя гофрированную мембрану, которая обернута вокруг перфорированного ядра пермеата, напоминающего спираль, которое обычно помещается внутри сосуда под давлением. Эта конкретная конструкция предпочтительна, когда обрабатываемые растворы имеют высокую концентрацию, а также в условиях высоких температур и экстремальных значений pH . Эта конкретная конфигурация обычно используется в более крупномасштабных промышленных применениях микрофильтрации.

Полое волокно

Эта конструкция предполагает объединение от нескольких сотен до нескольких тысяч половолоконных мембран в корпус трубчатого фильтра. Питательная вода подается в мембранный модуль. Она проходит через внешнюю поверхность полых волокон, а отфильтрованная вода выходит через центр волокон. Поскольку скорость потока превышает 75 галлонов на квадратный фут в день, эту конструкцию можно использовать на крупномасштабных объектах.

Фундаментальные уравнения проектирования

Поскольку разделение достигается путем просеивания, основным механизмом переноса при микрофильтрации через микропористые мембраны является объемный поток.

Как правило, из-за малого диаметра пор поток в процессе является ламинарным ( число Рейнольдса < 2100). Таким образом, можно определить скорость потока жидкости, движущейся через поры (по уравнению Хагена-Пуазейля ), простейшему из что предполагает параболический профиль скорости .

$v={\frac {D^{2}*\Delta P}{32*\mu *L}}$

Трансмембранное давление (ТМП)

Трансмембранное давление (ТМР) определяется как среднее давление, приложенное от подачи к стороне концентрата мембраны, вычтенное из давления пермеата. Это в основном применяется к тупиковой фильтрации и указывает на то, достаточно ли загрязнена система, чтобы требовать замены.

$v={\frac {P_{F}+P_{C}}{2}}-P_{P}$

Где

• $P_{f}$ давление на стороне подачи
• $P_{c}$ давление Концентрата
• $P_{p}$ давление пермеата

Пермеат Флюс

Поток пермеата при микрофильтрации определяется следующим соотношением, основанным на законе Дарси.

$J_{v}={\frac {1}{A_{M}}}*{\frac {dV}{dt}}={\frac {\Delta P}{\mu *(R_{u}+R_{c})}}$

Где

• $R_{u}$ = Сопротивление потоку мембраны пермеата ( $m-1$)
• $R_{c}$ = Сопротивление пермеата осадка ( $m-1$)
• μ = вязкость пермеата (кг м-1 с-1)
• ∆P = Перепад давления между осадком и мембраной

Сопротивление осадка определяется:

$R_{c}=r*{\frac {V_{S}}{A_{m}}}$

Где

• r = удельное сопротивление осадка (м-2)
• Vs = Объем кека (м3)
• AM = Площадь мембраны (м2)

Для частиц микронного размера удельное сопротивление слеживанию примерно равно.

$r={\frac {180*(1-\epsilon )}{\epsilon ^{3}*d_{s}^{2}}}$

Где

• ε = пористость кека (безразмерная)
• d_s = средний диаметр частиц (м)

Строгие расчетные уравнения

Чтобы дать лучшее представление о точном определении степени образования осадка, были сформулированы одномерные количественные модели для определения таких факторов, как

• Полная блокировка (поры с начальным радиусом меньше радиуса поры)
• Стандартная блокировка
• Формирование подслоя
• Формирование торта

Дополнительную информацию см. Внешние ссылки.

Экологические проблемы, безопасность и регулирование

Хотя воздействие процессов мембранной фильтрации на окружающую среду различается в зависимости от применения, общим методом оценки является оценка жизненного цикла (LCA), инструмент для анализа экологического бремени процессов мембранной фильтрации на всех стадиях и учитывает все типы воздействие на окружающую среду, включая выбросы в почву, воду и воздух.

Что касается процессов микрофильтрации, необходимо учитывать ряд потенциальных воздействий на окружающую среду. Они включают в себя потенциал глобального потепления , потенциал образования фотооксидантов , потенциал эвтрофикации , потенциал токсичности для человека, потенциал экотоксичности для пресной воды , потенциал экотоксичности для морской среды и потенциал экотоксичности для суши . В целом, потенциальное воздействие процесса на окружающую среду во многом зависит от потока и максимального трансмембранного давления, однако другие рабочие параметры остаются фактором, который следует учитывать. Конкретный комментарий о том, какое точное сочетание условий эксплуатации приведет к наименьшей нагрузке на окружающую среду, не может быть сделан, поскольку каждое приложение потребует различных оптимизаций.

В общем смысле, процессы мембранной фильтрации представляют собой операции с относительно низким уровнем риска, то есть вероятность возникновения опасных опасностей невелика. Однако есть несколько аспектов, на которые следует обратить внимание. Все процессы фильтрации под давлением, включая микрофильтрацию, требуют приложения определенной степени давления к потоку исходной жидкости, а также налагаемых электрических проблем. Другие факторы, способствующие безопасности, зависят от параметров процесса. Например, переработка молочных продуктов приведет к образованию бактерий, которые необходимо контролировать, чтобы соответствовать стандартам безопасности и нормативным требованиям.

Сравнение с аналогичными процессами

Мембранная микрофильтрация по своей сути аналогична другим методам фильтрации, использующим распределение пор по размерам для физического разделения частиц. Он аналогичен другим технологиям, таким как ультра/нанофильтрация и обратный осмос, однако единственная разница заключается в размере удерживаемых частиц, а также осмотическом давлении. Основные из которых в общих чертах описаны ниже:

Ультрафильтрация

Основная статья: Ультрафильтрация

Мембраны для ультрафильтрации имеют размеры пор от 0,1 до 0,01 мкм и способны удерживать белки, эндотоксины, вирусы и кремнезем. УФ имеет разнообразные применения: от очистки сточных вод до фармацевтических применений.

Нанофильтрация

Основная статья: Нанофильтрация

Нанофильтрационные мембраны имеют поры размером от 0,001 мкм до 0,01 мкм и фильтруют многовалентные ионы, синтетические красители, сахара и специфические соли. Когда размер пор уменьшается от MF до NF, требования к осмотическому давлению увеличиваются.

Обратный осмос

Основная статья: Обратный осмос

Обратный осмос (RO) — это самый тонкий из доступных мембранных процессов разделения, размеры пор варьируются от 0,0001 до 0,001 мкм. Обратный осмос способен удерживать практически все молекулы, кроме воды, а из-за размера пор необходимое осмотическое давление значительно больше, чем при микрофильтрации. И обратный осмос, и нанофильтрация принципиально отличаются от микрофильтрации, поскольку поток идет против градиента концентрации, поскольку в этих системах давление используется как средство, заставляющее воду переходить от низкого осмотического давления к высокому осмотическому давлению.

Последние события

Последние достижения в области МФ были сосредоточены на производственных процессах изготовления мембран и добавках, способствующих коагуляции и, следовательно, уменьшающих загрязнение мембраны. Поскольку MF, UF, NF и RO тесно связаны, эти достижения применимы к нескольким процессам, а не только к MF.

Недавние исследования показали, что разбавленное предварительное окисление KMnO ₄ в сочетании с FeCl ₃ способно стимулировать коагуляцию, что приводит к уменьшению загрязнения; в частности, предварительное окисление KMnO ₄ показало эффект, который уменьшил необратимое засорение мембраны.

Аналогичные исследования были проведены в области создания высокопоточных мембран из нановолокон из поли(триметилентерефталата) (ПТТ) с упором на увеличение пропускной способности. Специализированная термообработка и процессы изготовления внутренней структуры мембраны показали результаты, указывающие на степень отторжения частиц TiO ₂ под высоким потоком на уровне 99,6%. Результаты показывают, что эта технология может быть применена к существующим приложениям для повышения их эффективности за счет мембран с высоким потоком.

См. также

• Мембранная технология – Транспорт веществ между двумя фракциями с помощью проницаемых мембран.
• Ультрафильтрация – принудительная фильтрация через полупроницаемую мембрану.
• Нанофильтрация - метод фильтрации, при котором используются поры нанометрового размера в биологических мембранах.
• Обратный осмос – процесс очистки воды
• Мембранный биореактор – комбинированная технология очистки сточных вод

Внешние ссылки

• Поляков Ю., Максимов Д. и Поляков В., 1998 «О конструкции микрофильтров». Теоретические основы химической технологии, Vol. 33, № 1, 1999. < http://web.njit.edu/~polyanov/docs/Microfilteration_TFCE_English.pdf >
• Лэйсон А., 2003 г., Микрофильтрация – текущие ноу-хау и будущие направления, IMSTEC, по состоянию на 1 октября 2013 г. https://web.archive.org/web/20131015111520/http://www.ceic.unsw.edu.au/centers /membrane/imstec03/content/papers/MFUF/imstec152.pdf > Веб-сайт химической инженерии Университета Нового Южного Уэльса.