Мембранна сепарація розділяє подачу на пермеат і ретентат, де вода, хімікати, харчові інгредієнти, фармацевтичні препарати або метали повинні бути відновлені або видалені. Він з’являється в опрісненні, повторному використанні води, молочному виробництві, надчистій воді, гідрометалургії та відновленні розчинників. Проте «мембранне відділення» описує групу процесів, а не окремий продукт. Два елементи з однаковими корпусами можуть відрізнятися полімером, розміром пор, зарядом поверхні, рушійною силою та упаковкою. Тому пошуки «найкращої мембрани» рідко допомагають.
Класифікація розділення мембран групує ці процеси за питаннями, на які вони відповідають: що таке продукт, з чого виготовлена мембрана, що приводить у рух транспортування, наскільки щільний зріз, як структурований бар’єр і як він упакований. Наведені нижче шість об’єктивів є додатковими видами однієї специфікації; використовуючи їх послідовно, вони звужують переповнений ринок до короткого списку, який варто протестувати.
структура класифікації мембранного розділення
Класифікація мембран в основному охоплює шість вимірів, як показано на малюнку ліворуч: ціль поділу, матеріал мембрани, рушійна сила, точність поділу, структура мембрани та структура мембранного модуля. Нижче автор надасть детальний розподіл цих категорій.
1. За сепараційною ціллю
----Що повинно піти, а що залишитися?
Перша лінза – економіка процесу. Якщо продуктом є пермеат, робота полягає в очищенні: вода проходить, а солі, колоїди або органічні речовини зберігаються. Зворотний осмос для надчистої води є яскравим прикладом. Якщо продуктом є ретентат, робота полягає в концентрації: вода виходить у вигляді пермеату, а цінні або проблемні види залишаються. Мембрана, яка концентрує потік, що містить метал, є концентраційною мембраною, навіть якщо її полімер і пори нагадують NF.
Якщо обидва потоки мають значення, завдання є розділенням. Якщо метою є вузька фракція між двома межами, робота полягає в екстракції: матеріал проходить через більш пухку мембрану, але утримується щільнішою, тому продукт є фракцією між двома межами. Кожна мітка змінює метрику. Очищення оцінюється за якістю пермеату, концентрацією на відновлення та міцністю ретентату, а також поділом на обидва потоки.
Спеціальні мембрани YIME показують, як змінюється роль однієї технології. Його мембрана з дорогоцінних металів зберігає цінність металу в концентраті, тому вона працює як концентраційна мембрана. Його мембрана зворотного осмосу розроблена навколо пермеату – чистої води, тому це мембрана для очищення. Різні продукти, різні показники.
2. За матеріалом мембрани
----Органічні, неорганічні та металеві
Друга лінза – це хімія. В органічних мембранах використовуються такі полімери, як полісульфон (PSf), поліпропілен (PP), поліакрилонітрил (PAN), полівініліденфторид (PVDF), поліефірсульфон (PES), ацетат целюлози (CA), ароматичний поліамід і поліамід на основі піперазину. Вони домінують у обробці води, оскільки вони недорогі, упаковані в модулі великої площі та працюють під нижчим тиском, ніж кераміка.Їх обмеження практичні: окислювачі, розчинники, екстремальний рН або теплова атака на полімер; механічна міцність обмежена; і миючі вікна вужчі.
Неорганічні мембрани, як правило, складаються з кераміки, скла або силікатів з вибірковими шарами оксиду алюмінію, цирконію, титану або кремнезему. Вони стійкі до високих температур, агресивного чищення та агресивних хімікатів, і їх можна важко промити. Натомість вони важчі, дорожчі, крихкі під впливом теплового удару та займають меншу площу на одиницю об’єму. Меншу групу становлять металеві мембрани: щільні сплави паладію відокремлюють водень, а опорою служить пориста нержавіюча сталь. Металооксидні мембрани зазвичай відносять до кераміки.
Родини сходяться. Органічні мембрани отримують заряджені покриття, наповнювачі зі змішаною матрицею та композитні шари; кераміка набуває тонших шарів і більшої щільності упаковки. Ароматичний поліамід все ще домінує у зворотному осмосі, тоді як NF, UF та MF пропонують більше полімерів і хімічних речовин поверхні. Ця різноманітність дозволяє адаптувати мембрану до певного завдання, а не вибирати за розміром пор.
Лінія нанофільтрації YIME є прикладом: починаючи з нанофільтраційної підкладки, компанія використовує багатовимірну стратегію міжшарової координації для налаштування поділу між одновалентними та двовалентними іонами металів. Жоден полімер не є універсально кращим; хімію можна сконструювати навколо проблеми розділення.
3. За рушійною силою
---Що спонукає до розлуки?
Для кожного мембранного процесу потрібен градієнтний тиск, парціальний тиск, осмотичний тиск, концентрація, електричний потенціал або температура. Цей градієнт визначає обладнання, енергію та режим забруднення більше, ніж розмір пор.
| Рушійна сила | Типовий процес | Що рухається | Загальний обов'язок |
|---|---|---|---|
| Трансмембранний тиск | MF, UF, NF, RO | Вода та малі розчинені речовини | Водопідготовка, концентрація, попереднє очищення |
| Різниця парціального тиску | Розділення газів, первапорація | Специфічний вид газу або пари | Відновлення водню, видалення ЛОС, дегідратація |
| Різниця осмотичного тиску | Прямий осмос | вода | Складні подачі, процеси розведення |
| Різниця концентрації | діаліз | Малі розчинені речовини | Очищення крові, деяке хімічне відновлення |
| Різниця електричних потенціалів | Електродіаліз (ЕД), ЕДІ | Заряджені іони | Солонувата вода, відновлення кислоти/основи, надчиста вода |
| Різниця температур | Мембранна дистиляція | Водяна пара |
Розсіл високої солоності, термоінтеграція |
Процеси, керовані тиском, знайомі, але не всій родині. Електродіаліз використовує іонообмінні мембрани та електричне поле для видалення заряджених частинок без щільного полімеру.Мембранадистиляція пропускає водяну пару через гідрофобну мембрану, тому вона може обробляти розсоли, які можуть забруднити RO. Прямий осмос використовує осмотичний градієнт замість насоса, хоча він все ще потребує відновлення розчину. Мембрана, яка перевершує тиск під тиском, може бути непридатною за іншого градієнта.
ДляYIME-AgR100-8040 Мембрана концентрації іонів срібларушійною силою є тиск: 2,5 МПа (363 psi). Це ставить його на кінець високого тиску нанофільтрації, ближче до зворотного осмосу, ніж до ультрафільтрації низького тиску. Тиск випливає з жорсткого розрізу 100 Да та необхідності подолати осмотичний тиск і концентраційну поляризацію в концентрованих ціанідних потоках.
4. За точністю поділу
---Від MF до RO, з об'їздами
SeParation precision є найбільш використовуваним і найбільш спрощеним об’єктивом. Мікрофільтрація (MF) видаляє зважені тверді речовини, бактерії та водорості на рівні 0,1–10 мкм. Ультрафільтрація (UF)працює приблизно на 1–100 нм, утримуючи колоїди, білки, олії та макромолекули. Нанофільтрація (NF) знаходиться приблизно на 0,5–2 нм, відкидає багато багатовалентних іонів і дрібну органіку та пропускає деякі одновалентні іони. Зворотний осмос (RO) є більш жорстким, відкидаючи більшість розчинених іонів під час пропускання води.
Ці діапазони є орієнтовними. Справжнє утримання залежить від заряду, гідрофільності, морфології, концентрації корму, pH, температури та методу випробування граничної молекулярної маси (MWCO). MWCO зазвичай призначається з нейтральними зондами, тому він сам по собі не може передбачити відторгнення зарядженого іона. Дві "NF" мембрани можуть поводитися дуже по-різному на одному розсолі.
| Клас | Індикативна межа | Типове утримання | Загальні програми |
|---|---|---|---|
| MF | 0.1–10 µm | Завислі речовини, бактерії, водорості | Освітлення, попереднє очищення, стічні води |
| UF | 1–100 нм (≈1–1000 кДа) | Колоїди, білки, масла, макромолекули | Молочні продукти, продукти харчування, повторне використання, розділення масла та води |
| NF | ≈0,5–2 нм (часто 100–1000 Да) | Багатовалентні іони, барвники, дрібна органіка | Розм'якшення, виділення барвників і солей, відновлення металу |
| RO | <0.5 nm (≈<100 Da) | Більшість іонів і малих молекул | Опріснення, надчиста вода, концентрація |
| ED / EDI | Не обмеження розміру пор | Заряджені іони | Солонувата вода, відновлення кислоти/основи, надчиста вода |
| MD | Не обмеження розміру пор | Водяна пара | Розсіл високої мінералізації, відновлення води |
РЕД, EDI та MD відображаються в одній таблиці, оскільки покупці порівнюють їх пліч-о-пліч, але вони не є двоюрідними братами за розміром пор. ED і EDI використовують електричний потенціал; MD використовує тепловий градієнт.
5. За будовою мембрани
---Що показує перетин
Структура мембрани описує, як побудований бар’єр. Симетрична мембрана приблизно однорідна по товщині. Асиметрична мембрана має тонку селективну оболонку на більш відкритій основі з того ж полімеру. Тонкоплівковий композит (TFC) йде далі: ультратонкий селективний шар наноситься на пористу основу, тому бар’єрну хімію та механізми підтримки можна оптимізувати незалежно. З цієї причини більшість RO та багато NF мембран є композитними.
Структура також охоплює пористість і хімічний склад поверхні. мембрани MF і UF пористі; Мембрани зворотного осмосу є щільними та засновані на дифузії розчину, а не на просіюванні. NF знаходиться між ними з порами, досить малими, щоб заряд і діелектричні ефекти мали значення. Заряджені мембрани, мембрани зі змішаною матрицею та мембрани з міжшаровим налаштуванням намагаються відокремити вибірковість від проникності. Поперечний переріз встановлює компроміс між флюсом, відбраковуванням, забрудненням і міцністю. Композит із високим флюсом може вийти з ладу, якщо подача містить абразиви або якщо чистячі речовини впливають на проміжний шар. Керамічна мембрана може працювати з високим вмістом твердих частинок при високій температурі навіть при меншому потокі.
6. За елементною структурою
--- Як упаковується мембрана
Кінцева лінза — це модуль, який перетворює плоску мембрану на елемент. Спірально намотані модулі обертають плоскі листи навколо пермеатної трубки з прокладками, які створюють канали потоку. Вони пропонують високу щільність упаковки, передбачуване масштабування та нижчу вартість квадратного метра, тому вони домінують у RO та NF. У модулях із порожнистими волокнами використовуються тисячі тонких волокон для великої площі на об’єм, але вони легко забруднюються та часто промиваються. Трубчасті модулі витримують подачу з високим вмістом твердих речовин і в’язких матеріалів, але займають менше площі. Пластино-каркасні модулі легко миються і підходять для невеликих, брудних або цінних потоків. Керамічні моноліти поєднують багато каналів в одному блоці для жорстких хімічних і термічних навантажень.
YIME-AgR100-8040 використовує спірально намотаний елемент 8040 діаметром 8,0 дюймів, довжиною 40 дюймів і площею 400 фут² (37,2 м²). Цей формат підходить для чистого, попередньо відфільтрованого потоку під високим тиском і упаковує площу в стандартну посудину. Це не підходить для кормів з великим вмістом твердої речовини або високим вмістом забруднень; трубчасті або плитно-каркасні конструкції можуть бути міцнішими з вищими капітальними витратами.
Елементна структура викликає сюрпризи на дослідній установці. Мембрана, яка добре працює під час випробування на плоскому аркуші, може втратити потік у спірально намотаному елементі, коли прокладка подачі забивається, перепад тиску зростає або потік концентрату занадто низький. Тому максимальний перепад тиску та мінімальне співвідношення концентрат-пермеат заслуговують на таку ж увагу, як і відмова. Вони визначають гідравлічну зону, в якій дані випробувань стають характеристиками.
