Половолоконная мембрана

Мембраны из полых волокон ( HFM ) представляют собой класс искусственных мембран, содержащих полупроницаемый барьер в виде полого волокна. Первоначально разработанные в 1960-х годах для применения в системах обратного осмоса , половолоконные мембраны с тех пор стали широко распространены в очистке воды, опреснении, культуре клеток, медицине и тканевой инженерии. ^{[ 1 ]} Большинство коммерческих мембран из полых волокон упакованы в картриджи, которые можно использовать для разделения различных жидкостей и газов.

Пример картриджа с половолоконной мембраной.

Производство

HFM обычно производятся с использованием искусственных полимеров . Конкретные методы производства во многом зависят от типа используемого полимера, а также от его молекулярной массы . Производство HFM, обычно называемое «прядением», можно разделить на четыре основных типа:

Прядение из расплава, при котором термопластичный полимер плавится и экструдируется через фильеру на воздух, а затем охлаждается. ^{[ 3 ]}
Сухое прядение, при котором полимер растворяют в соответствующем растворителе и экструдируют через фильеру на воздух. ^{[ 4 ]}
Влажное прядение Dry-Jet, при котором полимер растворяется в соответствующем растворителе и экструдируется в воздух и последующий коагулянт (обычно воду). ^{[ 4 ]}
Мокрое формование, при котором полимер растворяется и экструдируется непосредственно в коагулянт (обычно воду). ^{[ 4 ]}

Общим для каждого из этих методов является использование фильеры — устройства, содержащего иглу, через которую выдавливается растворитель, и кольцевое пространство, через которое выдавливается раствор полимера. Когда полимер экструдируется через кольцевое пространство фильеры, он сохраняет полую цилиндрическую форму. Когда полимер выходит из фильеры, он затвердевает в мембрану посредством процесса, известного как фазовая инверсия . Свойства мембраны, такие как средний диаметр пор и толщина мембраны, можно точно настроить, изменяя размеры фильеры, температуру и состав растворов «присадки» (полимер) и «скважины» (растворитель), длины воздушного зазора. (для сухоструйного мокрого прядения), температуру и состав коагулянта, а также скорость, с которой полученное волокно собирается моторизованной катушкой. Экструзию полимера и растворителя через фильеру можно осуществлять либо с помощью газовой экструзии, либо с помощью дозирующего насоса. Некоторые из полимеров, наиболее часто используемых для изготовления HFM, включают: ацетат целлюлозы , полисульфон , полиэфирсульфон и поливинилиденфторид . ^{[ 5 ]}

После создания волокон они обычно собираются вместе в мембранный модуль, в котором множество волокон расположены параллельно. Концы волокон скреплены смолой или эпоксидной смолой на обоих концах. ^{[ 6 ]} Эту часть можно прорезать насквозь, чтобы было легче обнажить входы/выходы. Обычно они размещаются внутри цилиндра, который имеет входные и выходные отверстия на противоположных сторонах со стороны канала (просвета) и боковые отверстия, позволяющие потоку проходить через мембраны со стороны оболочки. Обычно подача с более высоким давлением осуществляется со стороны отверстия, чтобы избежать разрушения волокна.

Характеристика

Свойства HFM можно охарактеризовать теми же методами, которые обычно используются для других типов мембран. Основными свойствами, представляющими интерес для HFM, являются средний диаметр пор и распределение пор, которые можно измерить с помощью метода, известного как порометрия , функции нескольких лабораторных инструментов, используемых для измерения размера пор. ^{[ 7 ]} Диаметр пор также можно измерить с помощью метода, известного как эвапопорометрия , при котором испарение 2-пропанола через поры мембраны связано с размером пор посредством уравнения Кельвина . ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} В зависимости от диаметра пор в HFM, для получения качественного представления о размере пор можно использовать сканирующую электронную микроскопию или просвечивающую электронную микроскопию.

Приложения

Мембраны из полых волокон повсеместно используются в промышленной сепарации, особенно при фильтрации питьевой воды. ^{[ 11 ]}

Промышленные фильтры для воды в основном оснащены ультрафильтрационными половолоконными мембранами. Бытовые системы фильтрации воды оснащены микрофильтрационными половолоконными мембранами. При микрофильтрации диаметр пор мембраны 0,1 микрометра отсекает такие микроорганизмы, как микробы и бактерии, цисты лямблий и других кишечных паразитов, а также удаляет осадки. Ультрафильтрационные мембраны способны удалять не только бактерии, но и вирусы.

Полые волокна обычно используются в качестве субстратов для специализированных биореакторных систем , поскольку некоторые картриджи с полыми волокнами способны культивировать миллиарды зависимых от фиксации клеток в относительно небольшом (<100 мл) объеме биореактора. ^{[ 12 ]}

Полые волокна можно использовать для тестирования эффективности лекарств при исследованиях рака в качестве альтернативы традиционной, но более дорогой модели ксенотрансплантата. ^{[ 13 ]}

Мембраны из полых волокон используются в мембранных оксигенаторах при экстракорпоральной мембранной оксигенации , которая насыщает кровь кислородом и заменяет легкие у пациентов в критическом состоянии.

См. также

Ссылки

^ Энциклопедия систем жизнеобеспечения (Eolss): т.1: Опреснение и водные ресурсы (Desware): Мембранные процессы . Оксфорд: EOLSS Publishers Co Ltd., 2010. ISBN. 978-1-84826-877-7 .
^ О, Джин Ву; Фикс, Эндрю Дж.; Живиани, Давиде; Браун, Джеймс Э.; Варсингер, Дэвид М. (2024). «Оптимизация конструкции половолоконных мембран для пассивного осушения воздуха при сушке». Преобразование энергии и управление . 302 . Elsevier BV: 118097. doi : 10.1016/j.enconman.2024.118097 . ISSN 0196-8904 .
^ Имсаил, Ахмад; Хулбе, Кайлас; Мацуура, Такеши (28 апреля 2015 г.). Газоразделительные мембраны: полимерные и неорганические . Спрингер. ISBN 9783319010953 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Ван, Лоуренс; Чен, Цзяпин; Хун, Юнг-Цзе; Шаммас, Назих (1 декабря 2010 г.). Мембранные и опреснительные технологии . Springer Science & Business Media. ISBN 9781597452786 .
^ Фэн, Китай; Хулбе, КЦ; Мацуура, Т.; Исмаил, AF (июнь 2013 г.). «Последние достижения в подготовке, характеристике и применении полимерных половолоконных мембран». Технология разделения и очистки . 111 : 43–71. дои : 10.1016/j.seppur.2013.03.017 .
^ Башоу, доктор медицинских наук; Лоусон, Дж. К.; Орофино, Т. А. (1972). Технология полого волокна для усовершенствованной обработки отходов . Серия научных отчетов: Технологии охраны окружающей среды. Типография правительства США. п. 2 . Проверено 19 июля 2024 г.
^ AB Abell, KL Willis и DA Lange, "Ртутная порометрия и анализ изображений материалов на основе цемента", Journal of Colloid and Interface Science, 211, стр. 39-44 (1999).
^ Кранц, Уильям Б.; Гринберг, Алан Р.; Куюнджич, Эльмира; Эй, Адриан; Хоссейни, Сейед С. (июль 2013 г.). «Эвапопорометрия: новый метод определения распределения мембран по размерам». Журнал мембранной науки . 438 : 153–166. дои : 10.1016/j.memsci.2013.03.045 .
^ Мерриман, Лорен; Муа, Алекс; Бейтл, Роберт; Хестекин, Джейми (октябрь 2014 г.). «Доставка углекислого газа в тонкопленочные водные системы через половолоконные мембраны». Химико-технологический журнал . 253 : 165–173. Бибкод : 2014ЧЭнЖ.253..165М . дои : 10.1016/j.cej.2014.04.075 .
^ MBR-Надежное решение для трудноочищаемых сточных вод (PDF) . Семинар OWEA NE по промышленным отходам. 20 февраля 2014 г.
^ Накацука, Сюдзи; Накате, Ичиро; Мияно, Тадааки (1 августа 1996 г.). «Очистка питьевой воды с использованием ультрафильтрационных половолоконных мембран». Опреснение . 106 (1): 55–61. Бибкод : 1996Дезал.106...55Н . дои : 10.1016/S0011-9164(96)00092-6 . ISSN 0011-9164 .
^ Шу, Джонатан; Бельцер, Джим; Фьюри, Брайан; Вильчек, Катажина; Тобин, Стив; Фальконер, Дэнни; Нолта, Ян; Бауэр, Герхард (1 января 2015 г.). «Крупномасштабное производство лентивирусного вектора в половолоконном биореакторе закрытой системы» . Молекулярная терапия: методы и клиническое развитие . 2 : 15020–. дои : 10.1038/mtm.2015.20 . ISSN 2329-0501 . ПМЦ 4470365 . ПМИД 26151065 .
^ Декер, С.; Холлингсхед, М.; Бономи, Калифорния; Картер, JP; Сосвилл, ЕА (апрель 2004 г.). «Модель полого волокна при скрининге лекарств от рака». Европейский журнал рака . 40 (6): 821–826. дои : 10.1016/j.ejca.2003.11.029 . ISSN 0959-8049 .

[1] Энциклопедия систем жизнеобеспечения (Eolss): т.1: Опреснение и водные ресурсы (Desware): Мембранные процессы . Оксфорд: EOLSS Publishers Co Ltd., 2010. ISBN. 978-1-84826-877-7 .

[HFdryingOh-2] О, Джин Ву; Фикс, Эндрю Дж.; Живиани, Давиде; Браун, Джеймс Э.; Варсингер, Дэвид М. (2024). «Оптимизация конструкции половолоконных мембран для пассивного осушения воздуха при сушке». Преобразование энергии и управление . 302 . Elsevier BV: 118097. doi : 10.1016/j.enconman.2024.118097 . ISSN 0196-8904 .

[3] Имсаил, Ахмад; Хулбе, Кайлас; Мацуура, Такеши (28 апреля 2015 г.). Газоразделительные мембраны: полимерные и неорганические . Спрингер. ISBN 9783319010953 .

[WangMembraneDesalination-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Ван, Лоуренс; Чен, Цзяпин; Хун, Юнг-Цзе; Шаммас, Назих (1 декабря 2010 г.). Мембранные и опреснительные технологии . Springer Science & Business Media. ISBN 9781597452786 .

[5] Фэн, Китай; Хулбе, КЦ; Мацуура, Т.; Исмаил, AF (июнь 2013 г.). «Последние достижения в подготовке, характеристике и применении полимерных половолоконных мембран». Технология разделения и очистки . 111 : 43–71. дои : 10.1016/j.seppur.2013.03.017 .

[s962-6] Башоу, доктор медицинских наук; Лоусон, Дж. К.; Орофино, Т. А. (1972). Технология полого волокна для усовершенствованной обработки отходов . Серия научных отчетов: Технологии охраны окружающей среды. Типография правительства США. п. 2 . Проверено 19 июля 2024 г.

[7] AB Abell, KL Willis и DA Lange, "Ртутная порометрия и анализ изображений материалов на основе цемента", Journal of Colloid and Interface Science, 211, стр. 39-44 (1999).

[8] Кранц, Уильям Б.; Гринберг, Алан Р.; Куюнджич, Эльмира; Эй, Адриан; Хоссейни, Сейед С. (июль 2013 г.). «Эвапопорометрия: новый метод определения распределения мембран по размерам». Журнал мембранной науки . 438 : 153–166. дои : 10.1016/j.memsci.2013.03.045 .

[9] Мерриман, Лорен; Муа, Алекс; Бейтл, Роберт; Хестекин, Джейми (октябрь 2014 г.). «Доставка углекислого газа в тонкопленочные водные системы через половолоконные мембраны». Химико-технологический журнал . 253 : 165–173. Бибкод : 2014ЧЭнЖ.253..165М . дои : 10.1016/j.cej.2014.04.075 .

[10] MBR-Надежное решение для трудноочищаемых сточных вод (PDF) . Семинар OWEA NE по промышленным отходам. 20 февраля 2014 г.

[11] Накацука, Сюдзи; Накате, Ичиро; Мияно, Тадааки (1 августа 1996 г.). «Очистка питьевой воды с использованием ультрафильтрационных половолоконных мембран». Опреснение . 106 (1): 55–61. Бибкод : 1996Дезал.106...55Н . дои : 10.1016/S0011-9164(96)00092-6 . ISSN 0011-9164 .

[12] Шу, Джонатан; Бельцер, Джим; Фьюри, Брайан; Вильчек, Катажина; Тобин, Стив; Фальконер, Дэнни; Нолта, Ян; Бауэр, Герхард (1 января 2015 г.). «Крупномасштабное производство лентивирусного вектора в половолоконном биореакторе закрытой системы» . Молекулярная терапия: методы и клиническое развитие . 2 : 15020–. дои : 10.1038/mtm.2015.20 . ISSN 2329-0501 . ПМЦ 4470365 . ПМИД 26151065 .

[13] Декер, С.; Холлингсхед, М.; Бономи, Калифорния; Картер, JP; Сосвилл, ЕА (апрель 2004 г.). «Модель полого волокна при скрининге лекарств от рака». Европейский журнал рака . 40 (6): 821–826. дои : 10.1016/j.ejca.2003.11.029 . ISSN 0959-8049 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]