Мембранная сепарация разделяет сырье на пермеат и ретентат везде, где необходимо восстановить или удалить воду, химикаты, пищевые ингредиенты, фармацевтические препараты или металлы. Он появляется в опреснении, повторном использовании воды, молочной промышленности, сверхчистой воде, гидрометаллургии и регенерации растворителей. Однако «мембранное разделение» описывает семейство процессов, а не отдельный продукт. Два элемента с похожими корпусами могут различаться полимером, размером пор, поверхностным зарядом, движущей силой и упаковкой. Именно поэтому поиск «лучшей мембраны» редко помогает.
Классификация мембранного разделения группирует эти процессы по вопросам, на которые они отвечают: что представляет собой продукт, из чего состоит мембрана, что обеспечивает транспортировку, насколько плотен разрез, как устроен барьер и как он упаковывается. Шесть линз, представленных ниже, представляют собой дополняющие друг друга изображения одной спецификации; используемые последовательно, они сужают переполненный рынок до короткого списка, который стоит протестировать.
Система классификации мембранного разделения
Классификация мембран в основном охватывает шесть измерений, как показано на рисунке слева: цель разделения, материал мембраны, движущая сила, точность разделения, структура мембраны и структура мембранного модуля. Ниже автор предоставит подробную разбивку по этим категориям.
1. По цели разделения
----Что должно уйти, а что должно остаться?
Первая линза – это экономика процессов. Если продуктом является пермеат, то задача заключается в очистке: вода проходит, а соли, коллоиды или органика сохраняются. Самый яркий пример – обратный осмос для сверхчистой воды. Если продуктом является ретентат, то задача заключается в концентрации: вода уходит в виде пермеата, а ценные или проблемные виды остаются. Мембрана, концентрирующая металлосодержащий поток, является концентрационной мембраной, даже если ее полимер и поры напоминают НФ.
Если оба потока имеют ценность, то задача заключается в разделении. Если целью является узкая фракция между двумя границами, то задача заключается в экстракции: материал проходит через более рыхлую мембрану, но удерживается более плотной, поэтому продукт представляет собой фракцию между двумя пределами. Каждая метка меняет метрику. Очистка оценивается по качеству пермеата, концентрации по извлечению и силе ретентата, а также по сепарации в обоих потоках.
Специальные мембраны YIME показывают, как одна технология меняет роль. Мембрана из драгоценного металла удерживает металлы в концентрате, поэтому работает как концентрационная мембрана. Мембрана обратного осмоса спроектирована вокруг чистой воды, поэтому она является очистительной мембраной. Разные продукты, разные показатели.
2. По мембранному материалу
----Органические, неорганические и металлические
Вторая линза – химия. В органических мембранах используются такие полимеры, как полисульфон (ПСФ), полипропилен (ПП), полиакрилонитрил (ПАН), поливинилиденфторид (ПВДФ), полиэфирсульфон (ПЭС), ацетат целлюлозы (СА), ароматический полиамид и полиамид на основе пиперазина. Они доминируют в очистке воды, поскольку недороги, упаковываются в модули большой площади и работают при более низком давлении, чем керамика.Их ограничения практичны: окислители, растворители, экстремальные значения pH или тепловое воздействие на полимер; механическая прочность ограничена; и окна для мытья уже.
Неорганические мембраны обычно представляют собой керамику, стекло или силикаты с выборочными слоями оксида алюминия, циркония, титана или кремнезема. Они выдерживают высокие температуры, агрессивную очистку и агрессивные химические вещества, и их можно жестко промывать обратной промывкой. Взамен они тяжелее, дороже, хрупкие при термическом ударе и занимают меньшую площадь на единицу объема. Металлические мембраны представляют собой меньшую группу: плотные сплавы палладия отделяют водород, а подложкой служит пористая нержавеющая сталь. Металлооксидные мембраны обычно относят к керамике.
Семьи сходятся. Органические мембраны получают заряженные покрытия, смешанно-матричные наполнители и композитные слои; керамика приобретает более тонкие слои и более высокую плотность упаковки. Ароматический полиамид по-прежнему доминирует в обратном осмосе, в то время как NF, UF и MF предлагают больше полимеров и химических свойств поверхности. Такое разнообразие позволяет адаптировать мембрану к конкретной задаче, а не выбирать ее по размеру пор.
Линия нанофильтрации YIME является примером: начиная с подложки для нанофильтрации, компания использует стратегию многомерной межслоевой координации для настройки разделения между ионами одновалентных и двухвалентных металлов. Ни один полимер не является универсально лучшим; химия может быть построена вокруг проблемы разделения.
3. По движущей силе
--- Что подталкивает к расставанию?
Каждому мембранному процессу необходим градиент давления, парциальное давление, осмотическое давление, концентрация, электрический потенциал или температура. Этот градиент в большей степени определяет оборудование, энергию и режим загрязнения, чем размер пор.
| Движущая сила | Типичный процесс | Что движет | Общий долг |
|---|---|---|---|
| Трансмембранное давление | МФ, УФ, НФ, РО | Вода и небольшие растворенные вещества | Водоподготовка, концентрация, предварительная обработка |
| Разница парциального давления | Газоразделение, первапорация | Конкретные виды газа или пара | Восстановление водорода, удаление ЛОС, обезвоживание |
| Разница осмотического давления | Прямой осмос | Вода | Сложные подачи, процессы выдачи раствора |
| Разница концентрации | Диализ | Малые растворенные вещества | Очистка крови, химическое восстановление. |
| Разность электрических потенциалов | Электродиализ (ЭД), ЭДИ | Заряженные ионы | Солоноватая вода, восстановление кислоты/щелочи, сверхчистая вода |
| Разница температур | Мембранная дистилляция | Водяной пар |
Рассол высокой солености, термическая интеграция |
Процессы, вызванные давлением, известны, но не всем. В электродиализе используются ионообменные мембраны и электрическое поле для удаления заряженных частиц без плотного полимера.Мембранадистилляция пропускает водяной пар через гидрофобную мембрану, поэтому можно очищать рассолы, которые загрязняют RO. В прямом осмосе вместо насоса используется осмотический градиент, хотя он по-прежнему требует восстановления вытяжного раствора. Мембрана, которая отлично работает под давлением, может оказаться неэффективной при другом градиенте.
ДляYIME-AgR100-8040 Мембрана для концентрации ионов серебра, движущей силой является давление: 2,5 МПа (363 фунта на квадратный дюйм). Это помещает его в конец нанофильтрации с высоким давлением, ближе к обратному осмосу, чем к ультрафильтрации при низком давлении. Давление обусловлено плотным разрезом 100 Да и необходимостью преодоления осмотического давления и концентрационной поляризации в концентрированных потоках цианидов.
4. По точности разделения
---От МФ до RO, с объездами
СеТочность измерения — наиболее часто используемый и наиболее упрощенный объектив. Микрофильтрация (МФ) удаляет взвешенные вещества, бактерии и водоросли размером 0,1–10 мкм. Ультрафильтрация (УФ)работает примерно на длине волны 1–100 нм, сохраняя коллоиды, белки, масла и макромолекулы. Нанофильтрация (NF) имеет длину волны около 0,5–2 нм, отклоняет многие многовалентные ионы и мелкие органические вещества и пропускает некоторые одновалентные ионы. Обратный осмос (RO) более герметичен, отбрасывая большую часть растворенных ионов при прохождении воды.
Эти диапазоны являются ориентировочными. Реальное удерживание зависит от заряда, гидрофильности, морфологии, концентрации сырья, pH, температуры и метода определения порогового значения молекулярной массы (MWCO). MWCO обычно назначается нейтральными зондами, поэтому он сам по себе не может предсказать отторжение заряженного иона. Две мембраны «NF» могут вести себя по-разному в одном и том же рассоле.
| Сорт | Индикативное отсечение | Типичное удержание | Общие приложения |
|---|---|---|---|
| МФ | 0.1–10 µm | Взвешенные вещества, бактерии, водоросли | Осветление, предварительная очистка, сточные воды |
| УФ | 1–100 нм (≈1–1000 кДа) | Коллоиды, белки, масла, макромолекулы | Молочная, пищевая промышленность, повторное использование, разделение масла и воды |
| НФ | ≈0,5–2 нм (часто 100–1000 Да) | Многовалентные ионы, красители, мелкая органика | Размягчение, отделение красителей от солей, восстановление металлов |
| РО | <0.5 nm (≈<100 Da) | Большинство ионов и малых молекул | Опреснение, сверхчистая вода, концентрирование |
| ЭД/ЭОД | Не ограничение размера пор | Заряженные ионы | Солоноватая вода, восстановление кислоты/щелочи, сверхчистая вода |
| доктор медицинских наук | Не ограничение размера пор | Водяной пар | Рассол высокой солености, восстановление воды |
ЭД, EDI и MD появляются в одной таблице, потому что покупатели сравнивают их рядом, но они не являются родственниками по размеру пор. ED и EDI используют электрический потенциал; MD использует температурный градиент.
5. По мембранной структуре
---Что показывает поперечное сечение
Мембранная структура описывает, как построен барьер. Симметричная мембрана примерно однородна по толщине. Асимметричная мембрана имеет тонкую селективную оболочку на более открытой подложке из того же полимера. Тонкопленочный композит (TFC) идет еще дальше: ультратонкий селективный слой наносится на пористую подложку, поэтому химию барьера и механику подложки можно оптимизировать независимо. По этой причине большинство мембран обратного осмоса и многих мембран NF являются композитными.
Структура также охватывает пористость и химию поверхности. Мембраны МФ и УФ пористые; Мембраны RO плотные и основаны на диффузии раствора, а не на просеивании. Между ними находится NF, поры которого достаточно малы, чтобы иметь значение заряд и диэлектрические эффекты. Заряженные мембраны со смешанной матрицей и межслойно настроенными мембранами пытаются отделить селективность от проницаемости. Поперечное сечение устанавливает компромисс между флюсом, отбраковкой, загрязнением и прочностью. Композит с высоким флюсом может выйти из строя, если сырье содержит абразивы или если чистящие средства воздействуют на промежуточный слой. Керамическая мембрана может подойти для работы при высоких температурах и с высоким содержанием твердых частиц даже при более низком флюсе.
6. По структуре элемента
--- Как упакована мембрана
Последняя линза — это модуль, превращающий плоскую мембрану в элемент. Модули со спиральной намоткой наматывают плоские листы вокруг трубки для пермеата, а прокладки создают каналы для потока. Они предлагают высокую плотность упаковки, предсказуемое масштабирование и более низкую стоимость квадратного метра, поэтому они доминируют над RO и NF. В модулях с полыми волокнами используются тысячи тонких волокон для обеспечения большой площади на объем, но они легко загрязняются и часто подвергаются обратной промывке. Трубчатые модули обрабатывают продукты с высоким содержанием твердых частиц и вязкие материалы, но занимают меньшую площадь. Пластинчато-рамочные модули легко чистить и подходят для небольших, грязных или дорогостоящих потоков. Керамические монолиты объединяют множество каналов в одном блоке для суровых химических и термических условий.
В YIME-AgR100-8040 используется спиральный элемент 8040 диаметром 8,0 дюймов, длиной 40 дюймов и площадью 400 футов² (37,2 м²). Этот формат подходит для чистого, предварительно отфильтрованного потока под высоким давлением и упаковывает площадь в стандартный сосуд. Это не подходит для кормов с крупными твердыми частицами или высокой степенью загрязнения; трубчатые или пластинчато-рамные конструкции могут быть более прочными и требуют более высоких капитальных затрат.
Конструкция элемента вызывает сюрпризы на опытной установке. Мембрана, которая хорошо себя показала в тесте на плоском листе, может потерять магнитный поток в спирально-навитом элементе, когда засоряется питающая прокладка, возрастает перепад давления или слишком низкий поток концентрата. Поэтому максимальный перепад давления и минимальное соотношение концентрата к пермеату заслуживают не меньше внимания, чем отказ. Они определяют гидравлический диапазон, в котором данные испытаний становятся эксплуатационными.
