Мембранная технология

Мембранная технология включает в себя научные процессы, используемые при создании и применении мембран. Мембраны используются для облегчения транспортировки или отвода веществ между средами, а также механического разделения потоков газа и жидкости. В простейшем случае фильтрация достигается, когда поры мембраны меньше диаметра нежелательного вещества, например вредного микроорганизма. Мембранные технологии широко используются в таких отраслях, как очистка воды, химическая и металлообработка, фармацевтика, биотехнологии, пищевая промышленность, а также при удалении загрязнителей окружающей среды.

После изготовления мембраны необходимо охарактеризовать подготовленную мембрану, чтобы узнать больше о ее параметрах, таких как размер пор, функциональная группа, свойства материала и т. д., которые трудно определить заранее. В этом процессе используются такие инструменты, как сканирующий электронный микроскоп , просвечивающий электронный микроскоп , инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье , рентгеновская дифракция и жидкостно-жидкостная порометрия.

Введение

Мембранная технология охватывает все инженерные подходы к транспортировке веществ между двумя фракциями с помощью полупроницаемых мембран . В общем, в процессах механического разделения газовых или жидких потоков используется мембранная технология. В последние годы для удаления загрязнителей окружающей среды использовались различные методы, такие как адсорбция , окисление и мембранное разделение. происходят различные загрязнения В окружающей среде , такие как загрязнение воздуха, загрязнение сточных вод и т. Д. В соответствии с отраслевыми требованиями по предотвращению промышленного загрязнения , поскольку более 70% загрязнения окружающей среды происходит из-за промышленности. В их обязанность входит соблюдение государственных правил Закона о контроле и предотвращении загрязнения воздуха 1981 года, направленных на поддержание и предотвращение выбросов вредных химических веществ в окружающую среду. Обязательно примите меры по предотвращению и обеспечению безопасности после того, как предприятия смогут выбрасывать свои отходы в окружающую среду.

Мембранная технология на основе биомассы является одной из наиболее многообещающих технологий для использования в качестве оружия удаления загрязняющих веществ, поскольку она имеет низкую стоимость, большую эффективность и отсутствие вторичных загрязняющих веществ .

Обычно полисульфон , поливинилиденфторид и полипропилен в процессе изготовления мембраны используются . Эти мембранные материалы невозобновляемы и не биоразлагаемы , что создает вредное загрязнение окружающей среды. Исследователи пытаются найти решение для синтеза экологически чистой мембраны, которая позволит избежать загрязнения окружающей среды. Синтез биоразлагаемого материала с помощью естественно доступного материала, такого как мембранный синтез на основе биомассы, может быть использован для удаления загрязняющих веществ.

Обзор мембраны

Ультрафильтрация для бассейна

венозно-артериальной экстракорпоральной мембранной оксигенации Схема

Процессы мембранного разделения работают без нагрева и поэтому используют меньше энергии, чем традиционные процессы термического разделения, такие как дистилляция , сублимация или кристаллизация . Процесс разделения является чисто физическим, и обе фракции ( пермеат и ретентат ) могут быть получены в качестве полезных продуктов. Холодное разделение с использованием мембранной технологии широко применяется в пищевой , биотехнологической и фармацевтической промышленности. Кроме того, использование мембран позволяет осуществлять разделение, которое было бы невозможно при использовании методов термического разделения. Например, невозможно разделить компоненты азеотропных жидкостей или растворенных веществ, образующих изоморфные кристаллы, путем перегонки или перекристаллизации , но такого разделения можно добиться с помощью мембранной технологии. В зависимости от типа мембраны возможно селективное разделение отдельных веществ или смесей веществ. Важные технические применения включают производство питьевой воды методом обратного осмоса . В очистка сточных вод , мембранные технологии становятся все более важными. Ультра / микрофильтрация может быть очень эффективной при удалении коллоидов и макромолекул из сточных вод. Это необходимо, если сточные воды сбрасываются в чувствительные воды, особенно те, которые предназначены для контактных водных видов спорта и отдыха.

Около половины рынка приходится на медицинские приложения, такие как искусственные почки для удаления токсичных веществ с помощью гемодиализа и искусственные легкие для подачи кислорода в кровь без пузырьков .

Растет значение мембранных технологий в сфере защиты окружающей среды ( база данных Nano-Mem-Pro IPPC ). Даже в современных технологиях рекуперации энергии все чаще используются мембраны, например, в топливных элементах и ​​осмотических электростанциях .

Массовый трансфер

Можно выделить две основные модели массопереноса через мембрану:

• модель раствор -диффузия и
• гидродинамическая модель .

В реальных мембранах эти два транспортных механизма, безусловно, действуют бок о бок, особенно во время ультрафильтрации.

Модель раствор-диффузии

В модели раствор-диффузия транспорт происходит только за счет диффузии . Компонент, который необходимо транспортировать, сначала должен раствориться в мембране. Общий подход модели диффузии раствора заключается в предположении, что химический потенциал исходной и пермеатной жидкостей находится в равновесии с прилегающими поверхностями мембраны, так что соответствующие выражения для химического потенциала в жидкой и мембранной фазах 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. В фильтрации процессе пограничный слой на мембране образуется . Этот градиент концентрации создается молекулами , которые не могут пройти через мембрану. Этот эффект называется концентрационной поляризацией и, возникая во время фильтрации, приводит к уменьшению трансмембранного потока ( потока ). Концентрационная поляризация, в принципе, обратима путем очистки мембраны, в результате чего первоначальный поток почти полностью восстанавливается. Использование тангенциального потока к мембране (фильтрация с поперечным потоком) также может минимизировать концентрационную поляризацию.

Гидродинамическая модель

Транспорт через поры – в простейшем случае – осуществляется конвективно . Для этого требуется, чтобы размер пор был меньше диаметра двух отдельных компонентов. Мембраны, функционирующие по этому принципу, используются преимущественно в микро- и ультрафильтрации. Их используют для отделения макромолекул от растворов , коллоидов от дисперсии или удаления бактерий. Во время этого процесса удерживаемые частицы или молекулы образуют на мембране мякоть ( фильтрационный осадок ), и эта закупорка мембраны затрудняет фильтрацию. Эту закупорку можно уменьшить, используя метод перекрестного потока ( фильтрация перекрестного потока ). Здесь фильтруемая жидкость течет вдоль передней части мембраны и разделяется за счет разницы давлений между передней и задней частью мембраны на ретентат (текущий концентрат) спереди и пермеат (фильтрат) сзади. Тангенциальный поток спереди создает напряжение сдвига , которое раскалывает фильтровальную корку и уменьшает засорение .

Мембранные операции

По движущей силе операции можно выделить:

• Операции под давлением
  • микрофильтрация
  • ультрафильтрация
  • нанофильтрация
  • обратный осмос
  • разделение газов
• Операции, основанные на концентрации
  • диализ
  • проникновение
  • прямой осмос
  • искусственное легкое
• Действия в градиенте электрического потенциала
  • электродиализ
  • мембранный электролиз, например, хлорщелочной процесс
  • электродная ионизация
  • электрофильтрация
  • топливный элемент
• Действия в температурном градиенте
  • мембранная дистилляция

Формы мембран и геометрия потока

Поперечная геометрия

Тупиковая геометрия

Существует две основные конфигурации потока мембранных процессов: перекрестный поток (или тангенциальный поток) и тупиковая фильтрация. При фильтрации с поперечным потоком поток исходного материала направлен по касательной к поверхности мембраны, ретентат удаляется с той же стороны дальше по потоку, тогда как поток пермеата отслеживается на другой стороне. При тупиковой фильтрации направление потока жидкости перпендикулярно поверхности мембраны. Обе геометрии потока имеют некоторые преимущества и недостатки. Обычно тупиковая фильтрация используется для технико-экономических обоснований в лабораторных масштабах. Тупиковые мембраны относительно легко изготовить, что снижает стоимость процесса разделения. Тупиковый процесс мембранного разделения легко реализовать, и этот процесс обычно дешевле, чем мембранная фильтрация с перекрестным потоком. Тупиковый процесс фильтрации обычно представляет собой процесс периодического типа, при котором фильтрующий раствор загружается (или медленно подается) в мембранное устройство, которое затем позволяет проходить некоторым частицам, подверженным действию движущей силы. Основным недостатком тупиковой фильтрации является обширная мембрана. загрязнение и концентрационная поляризация . Загрязнение обычно происходит быстрее при более высоких движущих силах. Загрязнение мембраны и удержание частиц в исходном растворе также создают градиенты концентрации и обратный поток частиц (поляризация концентрации). 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, спирально-навитые и полые волокна .

Плоские пластины обычно представляют собой круглые тонкие плоские мембранные поверхности, которые используются в модулях тупиковой геометрии. Спиральные раны состоят из аналогичных плоских мембран, но в форме «кармана», содержащего два листа мембраны, разделенных высокопористой опорной пластиной. Затем несколько таких карманов наматываются на трубку, чтобы создать тангенциальную геометрию потока и уменьшить загрязнение мембраны. Модули из полых волокон состоят из совокупности самонесущих волокон с плотными разделительными слоями и более открытой матрицы, помогающей противостоять градиентам давления и сохранять структурную целостность. Половолоконные модули могут содержать до 10 000 волокон диаметром от 200 до 2500 мкм; Основным преимуществом модулей из полых волокон является очень большая площадь поверхности внутри замкнутого объема, что повышает эффективность процесса разделения.

Мембранный модуль со спиральной намоткой

• 
  Мембранный модуль из полых волокон
• 
  Разделение воздуха на кислород и азот через мембрану

Модуль дисковой трубки использует геометрию поперечного потока и состоит из напорной трубки и гидравлических дисков, которые удерживаются центральным натяжным стержнем, а также мембранными подушками, расположенными между двумя дисками.

Характеристики мембраны и основные уравнения

Выбор синтетических мембран для целевого процесса разделения обычно основан на нескольких требованиях. Мембраны должны обеспечивать достаточную площадь массообмена для обработки больших объемов потока сырья. Выбранная мембрана должна обладать высокими свойствами селективности ( отсеивания ) определенных частиц; он должен противостоять загрязнению 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:

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

где V _p и Q — объем пермеата и его объемный расход соответственно (пропорциональные тем же характеристикам исходного потока), μ — динамическая вязкость проникающей жидкости, A — площадь мембраны, R _m и R — соответствующие сопротивления мембрана и растущие отложения загрязняющих веществ. R _m можно интерпретировать как устойчивость мембраны к проникновению растворителя (воды). Это сопротивление является внутренним свойством мембраны и, как ожидается, будет достаточно постоянным и независимым от движущей силы Δp. R зависит от типа мембранного загрязнения, его концентрации в фильтрующем растворе и характера взаимодействия загрязнителя с мембраной. Закон Дарси позволяет рассчитать площадь мембраны для целевого разделения при заданных условиях. Коэффициент растворенного вещества просеивания определяется уравнением:

$S={\frac {C_{p}}{C_{f}}}$

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

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

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

Процессы мембранного разделения

Процессы мембранного разделения играют очень важную роль в сепарационной промышленности. 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. Все процессы, за исключением первапорации, не сопровождаются фазовым переходом. Все процессы, кроме электродиализа, происходят под 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 микроэлектронной промышленности и других. Мембраны нанофильтрации и обратного осмоса в основном используются для очистки воды. Плотные мембраны применяют для разделения газов (удаление CO ₂ из природного газа, отделение N ₂ от воздуха, удаление паров органических веществ из воздуха или потока азота), а иногда и при мембранной перегонке. Последний процесс помогает в разделении азеотропных композиций, снижая затраты на процессы дистилляции.

Диапазоны мембранного разделения

Размер пор и селективность

Распределение пор фиктивной ультрафильтрационной мембраны с номинальным размером пор и D _90.

Размеры пор технических мембран указаны по-разному в зависимости от производителя. Одним из распространенных различий является номинальный размер пор . Он описывает максимальное распределение пор по размерам. и дает лишь расплывчатую информацию об удерживающей способности мембраны. Предел исключения или «пороговая граница» мембраны обычно указывается в форме NMWC (номинальная пороговая молекулярная масса, или MWCO , пороговая молекулярная масса , с единицами измерения в Дальтонах ). Он определяется как минимальная молекулярная масса глобулярной молекулы, которая удерживается мембраной до 90%. Граничная граница, в зависимости от метода, может быть преобразована в так называемый D ₉₀ , который затем выражается в метрических единицах. На практике MWCO мембраны должна быть как минимум на 20% ниже молекулярной массы молекулы, которую необходимо разделить.

Использование трековых слюдяных мембран. Бек и Шульц продемонстрировали, что затрудненная диффузия молекул в порах может быть описана законом Рэнкина. уравнение.

По размеру пор фильтрующие мембраны делятся на четыре класса:

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, 2-валентные ионы
< 1 нм	< 100 Да	обратный осмос	10-80 бар	соли, небольшие органические молекулы

Форма и форма пор мембраны сильно зависят от производственного процесса, и их часто трудно определить. Поэтому для определения характеристик проводят пробную фильтрацию, а диаметр пор относится к диаметру мельчайших частиц, которые не смогли пройти через мембрану.

Отторжение может быть определено различными способами и обеспечивает косвенное измерение размера пор. Одной из возможностей является фильтрация макромолекул (часто декстрана , полиэтиленгликоля или альбумина ), другой — измерение порогового значения с помощью гель-проникающей хроматографии . Эти методы используются в основном для измерения мембран для ультрафильтрации. Другим методом тестирования является фильтрация частиц определенного размера и их измерение с помощью прибора для определения размера частиц или с помощью спектроскопии лазерного пробоя (LIBS). Яркой характеристикой является измерение отторжения декстранового синего или других цветных молекул. Удержание бактериофага и бактерий , так называемый «тест на бактериальное воздействие», также может предоставить информацию о размере пор.

Номинальный размер пор	микроорганизм	ATCC Корневой номер
0,1 мкм	Ахолеплазма Лейлави	23206
0,3 мкм	Bacillus subtilis Споры	82
0,5 мкм	Псевдомонада крошечная	19146
0,45 мкм	Серратия марцеценс	14756
0,65 мкм	Лактобактерии бревис

Для определения диаметра пор также используются физические методы, такие как порозиметр определенная форма пор (например, цилиндрические или сцепленные сферические (ртуть, жидкостно-жидкостный порозиметр и тест точки пузырька), но предполагается 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 реальные фильтрационные свойства и селективность.

Селективность сильно зависит от процесса разделения, состава мембраны и ее электрохимических свойств, а также от размера пор. Благодаря высокой селективности можно обогащать изотопы (обогащение урана) в ядерной технике или восстанавливать промышленные газы, такие как азот ( разделение газов ). В идеале даже рацематы можно обогатить подходящей мембраной.

При выборе мембран селективность имеет приоритет над высокой проницаемостью, поскольку низкие потоки можно легко компенсировать увеличением поверхности фильтра за счет модульной конструкции. При газовой фильтрации действуют различные механизмы осаждения, так что частицы, размеры которых меньше размера пор мембраны, также могут удерживаться.

Классификация мембран

Биомембраны подразделяются на две категории: синтетические мембраны и натуральные мембраны. синтетические мембраны, которые далее классифицируются на органические и неорганические мембраны. Органические мембраны подклассифицируют полимерные мембраны и неорганические мембраны подклассифицируют керамические полимеры.

Синтез мембраны из биомассы

Композитная мембрана из биомассы

Зеленая мембрана или биомембранный синтез — это решение для защищенной среды, которое имеет в значительной степени комплексную эффективность. Биомасса используется в виде наночастиц активированного угля , например, использование биомассы на основе целлюлозы из скорлупы кокосового ореха , скорлупы фундука, скорлупы грецкого ореха, сельскохозяйственных отходов стеблей кукурузы и т. д. которые улучшают гидрофильность разделения и защиты от обрастания мембран. поверхности, увеличивают размер пор, увеличивают и уменьшают шероховатость поверхности, поэтому одновременно улучшаются характеристики

Изготовление мембраны на основе чистой биомассы

Мембрана на основе биомассы — это мембрана, изготовленная из органических материалов, таких как растительные волокна. Эти мембраны часто используются в системах фильтрации воды и очистки сточных вод . Изготовление мембраны на основе чистой биомассы — сложный процесс, включающий ряд этапов. Первым шагом является создание суспензии органических материалов . Затем эту суспензию наливают на подложку, например стеклянную или металлическую пластину. Затем отливку сушат, а полученную мембрану подвергают ряду обработок, таких как химическая или термическая обработка, для улучшения ее свойств. Одной из задач изготовления мембран на основе биомассы является создание мембраны с желаемыми свойствами.

Оборудование и инструменты, используемые в процессе

Список инструментов, используемых в процедурах мембранного синтеза:

• Центрифуга
• Литейная машина
• Плоское литье стекла
• Магнитная мешалка
• Стеклянная посуда: мензурки , мерные цилиндры , колбы и т. д.
• Печь
• Ступка и пестик

Характеристика мембраны

После отливки и синтеза мембраны необходимо охарактеризовать подготовленную мембрану, чтобы узнать более подробную информацию о параметрах мембраны, таких как размер пор, функциональные группы, смачиваемость, поверхностный заряд и т. д. Важно знать свойства мембраны, чтобы мы могли удалить и обрабатывать твердые загрязняющие вещества, вызывающие загрязнение окружающей среды. Для характеристики используются следующие различные инструменты:

• Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
• Просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ)
• Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR)
• Атомно-силовая микроскопия
• Измеритель угла контакта
• Дзета-потенциал ( потоковой потенциал )
• Рентгеновская дифракция (XRD)
• Порозиметрия вытеснения жидкость-жидкость (LLDP)

Применение мембран из биомассы

Очистка воды

Очистка воды – это любой процесс, который улучшает качество воды, чтобы сделать ее более приемлемой для конкретного конечного использования. Мембраны можно использовать для удаления частиц из воды путем исключения размера или разделения зарядов. При исключении размера поры в мембране имеют такой размер, что через них могут пройти только частицы, меньшие размера пор. Поры в мембране имеют такой размер, что через них могут проходить только молекулы воды, оставляя растворенные загрязнения.

Разделение газов

Использование мембран при разделении газов, например углекислого газа ( CO ₂ ), оксиды азота ( NO
_x ), оксиды серы ( SO
_x ), вредные газы можно удалить для защиты окружающей среды. Мембранное разделение газов биомассы более эффективно, чем коммерческие мембраны.

Гемодиализ

Применение мембран при гемодиализе – это процесс использования полупроницаемой мембраны для удаления продуктов жизнедеятельности и лишней жидкости из крови.

См. также

• Осаждение частиц
• Синтетическая мембрана

Ссылки

• Осада Ю., Накагава Т. Мембранная наука и технология , Нью-Йорк: Marcel Dekker, Inc, 1992.
• Земан, Леос Дж., Зидни, Эндрю Л., Микрофильтрация и ультрафитрация , принципы и приложения. Нью-Йорк: Marcel Dekker, Inc., 1996.
• Малдер М., Основные принципы мембранной технологии , Kluwer Academic Publishers, Нидерланды, 1996.
• Йорниц, Майк В., Стерильная фильтрация , Шпрингер, Германия, 2006 г.
• Ван Рейс Р., Зидни А. Мембранная технология биопроцесса. J Mem Sci . 297(2007): 16-50.
• Темплин Т., Джонстон Д., Сингх В., Тамблсон М.Е., Бельеа Р.Л. Рауш К.Д. Мембранное разделение твердых частиц из потоков переработки кукурузы. Биорес Тех . 97(2006): 1536-1545.
• Риппергер С., Шульц Г. Микропористые мембраны в биотехнических приложениях. Биопроцесс Инж . 1 (1986): 43-49.
• Томас Мелин, Роберт Раутенбах, Мембранный процесс , Шпрингер, Германия, 2007 г., ISBN   3-540-00071-2 .
• Мунир Черьян, Справочник по ультрафильтрации , Бер, 1990, ISBN   3-925673-87-3 .
• Эберхард Штауде, Мембраны и мембранные процессы , VCH, 1992, ISBN   3-527-28041-3 .