Нанофильтрация - Nanofiltration

Опреснение воды
Методы

Нанофильтрация (NF) является относительно недавним мембранная фильтрация процесс, используемый чаще всего с низким общее количество растворенных твердых веществ вода, такая как Поверхность воды и свежий грунтовые воды, с целью смягчения (поливалентный катион удаление) и удаление прекурсоров побочных продуктов дезинфекции, таких как натуральные органический вещество и синтетическое органическое вещество.[1][2]

Нанофильтрация также получает все большее распространение в переработка пищевых продуктов такие приложения, как молочный, для одновременного концентрирования и частичного (одновалентного ион ) деминерализация.

Обзор

Нанофильтрация - это мембранная фильтрация -основанный метод, использующий нанометр размер сквозных пор, которые проходят через мембрану. Мембраны для нанофильтрации имеют размер пор от 1 до 10 нанометров, что меньше, чем у используемых в микрофильтрация и ультрафильтрация, но чуть больше, чем в обратный осмос. Используемые мембраны преимущественно создаются из тонких полимерных пленок.[1] Обычно используемые материалы включают полиэтилентерефталат или металлы, такие как алюминий.[3] Размеры пор контролируются pH, температура и время в процессе проявления с плотностью пор от 1 до 106 пор на см2. Мембраны, изготовленные из полиэтилентерефталата и других подобных материалов, называются мембранами «трекового травления», так как их название происходит от способа образования пор на мембранах.[4] «Отслеживание» включает бомбардировку тонкой полимерной пленки частицами высокой энергии. Это приводит к созданию дорожек, которые химически превращаются в мембрану или «вытравливаются» в мембране, которые являются порами. Мембраны, созданные из металла, такие как мембраны из оксида алюминия, изготавливаются путем электрохимического выращивания тонкого слоя оксида алюминия из металлического алюминия в кислая среда.

Спектр приложений

Исторически нанофильтрация и другие мембранные технологии, используемые для разделения молекул, полностью применялись на водный системы. Изначально нанофильтрация использовалась для очистки воды и, в частности, умягчение воды. Нанофильтры могут «смягчать» воду, удерживая образующие накипь гидратированные двухвалентные ионы (например, Ca2+, Mg2+) при прохождении более мелких гидратированных одновалентных ионов.[5][6]

В последние годы использование нанофильтрации распространилось на другие отрасли, такие как производство молока и соков. Исследования и разработки устойчивых к растворителям мембран позволили применять нанофильтрационные мембраны в новых областях, таких как фармацевтические препараты, тонкая химия, вкусовая и парфюмерная промышленность.[5]

ПромышленностьИспользует
Тонкая химия и фармацевтикаНетермическое восстановление растворителей и управление ими

Замена растворителя при комнатной температуре

Нефть и нефтехимияУдаление компонентов смолы в корме

Очистка газовых конденсатов

Массовая химияПолировка продукта

Непрерывное восстановление гомогенных катализаторов

Натуральные эфирные масла и аналогичные продуктыФракционирование сырых экстрактов

Обогащение натуральными соединениями Бережное разделение

ЛекарствоСпособен извлекать аминокислоты и липиды из крови и других культур клеток.

Преимущества и недостатки

Одним из основных преимуществ нанофильтрации как метода умягчения воды является то, что в процессе удержания кальций и магний ионы при прохождении более мелких гидратированных одновалентных ионов, фильтрация выполняется без добавления дополнительных натрий ионы, используемые в ионообменниках.[7] Многие процессы разделения не работают при комнатной температуре (например, дистилляция ), что значительно увеличивает стоимость процесса при непрерывном нагреве или охлаждении. Выполнение деликатного молекулярного разделения связано с нанофильтрацией, которая часто не включается в другие формы процессов разделения (центрифугирование ). Это два основных преимущества, связанных с нанофильтрацией. Нанофильтрация имеет очень благоприятное преимущество, так как позволяет обрабатывать большие объемы и непрерывно производить потоки продуктов. Тем не менее, нанофильтрация является наименее используемым методом мембранной фильтрации в промышленности, поскольку размер пор мембраны ограничен всего несколькими нанометрами. Все, что меньше, используется обратный осмос, а все, что больше, используется для ультрафильтрации. Ультрафильтрация также может использоваться в тех случаях, когда может использоваться нанофильтрация, поскольку она более традиционна. Основным недостатком нанотехнологий, как и всех технологий мембранных фильтров, является стоимость используемых мембран и их техническое обслуживание.[8] Мембраны для нанофильтрации - дорогостоящая часть процесса. Ремонт и замена мембран зависит от общего количества растворенных твердых частиц, скорости потока и компонентов сырья. Поскольку нанофильтрация используется в различных отраслях промышленности, можно использовать только оценку частоты замены. Это приводит к замене нанофильтров за короткое время до или после завершения их первого использования.

Конструкция и работа

Промышленные применения мембран требуют от сотен до тысяч квадратных метров мембран, и поэтому требуется эффективный способ уменьшить занимаемую площадь путем их упаковки. Мембраны впервые стали коммерчески жизнеспособными, когда были применены недорогие методы размещения в «модулях».[9] Мембраны не являются самонесущими. Они должны быть поддержаны пористой опорой, способной выдерживать давление, необходимое для работы мембраны NF, без ухудшения характеристик мембраны. Чтобы сделать это эффективно, в модуле должен быть канал для удаления мембраны. проникновение и обеспечить соответствующие условия потока, которые уменьшают явления поляризации концентрации. Хорошая конструкция сводит к минимуму потери давления как на стороне подачи, так и на стороне пермеата и, следовательно, потребность в энергии. Также необходимо предотвращать утечку сырья в поток пермеата. Это можно сделать с помощью постоянных уплотнений, таких как клей, или сменных уплотнений, таких как Уплотнительные кольца.[10]

Концентрационная поляризация

Концентрационная поляризация описывает накопление частиц, удерживаемых близко к поверхности мембраны, что снижает возможности разделения. Это происходит потому, что частицы [конвектируются]] к мембране с растворителем, и его величина является балансом между этой конвекцией, вызванной растворителем. поток и перенос частиц от мембраны из-за градиента концентрации (в основном вызванного распространение.) Хотя концентрационная поляризация легко обратима, она может привести к обрастание мембраны.[10][11]

Модуль спиральной намотки

Модули со спиральной навивкой являются наиболее часто используемым типом модулей и имеют «стандартизированную» конструкцию, доступны в диапазоне стандартных диаметров (2,5 дюйма, 4 дюйма и 8 дюймов) для соответствия стандартным сосуд под давлением который может содержать несколько модулей, соединенных последовательно уплотнительными кольцами. В модуле используются плоские листы, обернутые вокруг центральной трубы. Мембраны приклеиваются по трем краям к прокладке для пермеата, образуя «листья». Прокладка для пермеата поддерживает мембрану и направляет пермеат в центральную трубку для пермеата. Между каждым листом вставлена ​​сетка, похожая на распорку для корма.[11][12] Причина, по которой размер проставки подобен сетке, состоит в том, чтобы обеспечить гидродинамический окружающая среда у поверхности мембраны, которая препятствует концентрационной поляризации. После того, как листы намотаны на центральную трубку, модуль оборачивают слоем оболочки, а на конце цилиндра устанавливают колпачки для предотвращения «телескопирования», которое может возникнуть в условиях высокой скорости потока и давления.

Трубчатый модуль

Трубчатые модули похожи на кожухотрубные теплообменники с пучками трубок с активной поверхностью мембраны внутри. Поток по трубкам обычно бурный, обеспечивая низкую поляризацию концентрации, но также увеличивая затраты на энергию. Трубки могут быть самонесущими или поддерживаться вставкой в ​​перфорированные металлические трубки. Конструкция этого модуля ограничена для нанофильтрации давлением, которое они могут выдержать перед разрывом, что ограничивает максимально возможный поток.[9][10] В связи с высокими эксплуатационными затратами на энергию турбулентного потока и ограничивающим давлением разрыва трубчатые модули больше подходят для «грязных» применений, где в сырье есть твердые частицы, такие как фильтрация сырой воды для получения Питьевая вода в процессе Файна. Мембраны можно легко очистить через 'свинья В технике пенопласта шарики выдавливаются через трубки, счищая налипшие отложения.[13]

Стратегии увеличения потока

Эти стратегии работают, чтобы уменьшить величину концентрационной поляризации и загрязнения. Существует ряд доступных методов, но наиболее распространенными являются разделители каналов подачи, описанные в модулях со спиральной намоткой. Все стратегии работают за счет увеличения водовороты и генерируя высокий срезать в потоке у поверхности мембраны. Некоторые из этих стратегий включают в себя вибрацию мембраны, вращение мембраны, наличие диска ротора над мембраной, изменение скорости потока подаваемого материала и введение пузырьков газа близко к поверхности мембраны.[10][11][12]

Характеристика

При разработке мембран NF необходимо учитывать множество различных факторов, поскольку они сильно различаются по материалам, механизмам разделения и т. Д. морфология и таким образом приложение. Во время предварительных расчетов следует исследовать два важных параметра: параметры производительности и морфологии.

Параметры производительности

Сохранение как заряженных, так и незаряженных растворенные вещества и проникновение Измерения можно разделить на рабочие параметры, поскольку производительность мембраны в естественных условиях основана на соотношении растворенных веществ, удерживаемых / проникающих через мембрану.

Для заряженных растворенных веществ ионное распределение солей вблизи границы раздела мембрана-раствор играет важную роль в определении характеристики удерживания мембраны. Если известны заряд мембраны, состав и концентрация фильтруемого раствора, можно определить распределение различных солей. Это, в свою очередь, может быть объединено с известным зарядом мембраны и Эффект Гиббса – Доннана для прогнозирования удерживающих характеристик этой мембраны.[10]

Незаряженные растворенные вещества нельзя охарактеризовать просто Отсечение молекулярной массы (MWCO,), хотя в целом увеличение молекулярной массы или размера растворенного вещества приводит к увеличению удерживания. Валентный заряд, химическая структура, функциональные концевые группы, а также pH растворенного вещества - все это играет важную роль в определении характеристик удерживания, и поэтому подробная информация о характеристиках молекулы растворенного вещества должна быть известна до реализации проекта NF.[1]

Параметры морфологии

Морфология мембраны также должна быть известна, чтобы реализовать успешный дизайн системы NF, и это обычно делается с помощью микроскопии. Атомно-силовая микроскопия (AFM) - это один из методов, используемых для характеристики шероховатости поверхности мембраны путем проведения небольшого острого наконечника (<100 Ă) по поверхности мембраны и измерения полученного Сила Ван-дер-Ваальса между атомами на конце наконечника и поверхностью.[10] Это полезно, поскольку была обнаружена прямая корреляция между шероховатостью поверхности и коллоидным загрязнением. Также существуют корреляции между обрастанием и другими параметрами морфологии, такими как гидрофоб, показывая, что чем более гидрофобна мембрана, тем меньше она подвержена загрязнению. Видеть засорение мембраны для дополнительной информации.

Методы определения пористость пористых мембран также были обнаружены через пермпорометрия, используя разные давление пара для характеристики размера пор и распределения пор по размерам внутри мембраны. Первоначально все поры в мембране полностью заполнены жидкостью, и поэтому проникновение газа не происходит, но после снижения относительного давления пара в порах начнут образовываться зазоры, что диктуется условиями Уравнение Кельвина. Полимерные (непористые) мембраны не могут быть подвергнуты этой методологии, поскольку конденсируемый пар должен иметь незначительное взаимодействие внутри мембраны.[10]

Транспорт и отбраковка растворенного вещества

Механизмы, с помощью которых растворенные вещества при нанофильтрации переносятся через мембрану.[1]

В отличие от мембран с большими и меньшими размерами пор, прохождение растворенных веществ через нанофильтрацию значительно сложнее.

Из-за размера пор существует три способа транспортировки растворенных веществ через мембрану. К ним относятся 1) диффузия (перемещение молекулы из-за градиентов потенциала концентрации, как видно через мембраны обратного осмоса), 2) конвекцию (перемещение с потоком, как при фильтрации с большим размером пор, такой как микрофильтрация) и 3) электромиграция (притяжение или отталкивание от заряды внутри и около мембраны).

Кроме того, механизмы исключения в нанофильтрации более сложны, чем в других формах фильтрации. Большинство систем фильтрации работают исключительно за счет (стерического) исключения размера, но при небольших масштабах длины, наблюдаемых в нанофильтрации, необходимо также учитывать влияние поверхностного заряда на небольшие заряженные растворенные вещества, а также влияние гидратации, когда молекулы в растворе имеют сольватационная оболочка окружающих молекул воды. Исключение из-за гидратации называется диэлектрическим исключением, ссылкой на различные диэлектрические постоянные (энергию), связанные с присутствием частиц в растворе по сравнению с мембранной подложкой. PH раствора сильно влияет на поверхностный заряд [14], предоставляя способ понять и лучше контролировать отклонение.

Первичные механизмы отторжения, предотвращающие попадание растворенных веществ в поры при нанофильтрации.[1]

Механизмы переноса и исключения сильно зависят от размера пор мембраны, вязкости растворителя, толщины мембраны, диффузии растворенных веществ, температуры раствора, pH раствора и диэлектрической проницаемости мембраны. Распределение пор по размерам также важно. Точное моделирование отклонения для NF очень сложно. Это можно сделать с помощью приложений Уравнение Нернста – Планка, хотя обычно требуется сильная зависимость от подгоночных параметров к экспериментальным данным.[1]

В общем, заряженные растворенные вещества гораздо более эффективно отклоняются в NF, чем незаряженные растворенные вещества, и поливалентные растворенные вещества, такие как ТАК2−
4 (валентность 2) испытывают очень сильное неприятие.

Типовые цифры для промышленного применения

Принимая во внимание, что ЯТ обычно является частью составной системы очистки, единый блок выбирается на основе проектных спецификаций для блока ЯТ. За очистка питьевой воды Существует множество коммерческих мембран, принадлежащих к разным химическим семействам, имеющих разную структуру, химическую стойкость и отторжение солей, поэтому характеристики должны выбираться на основе химического состава и концентрации потока сырья.

Установки NF для очистки питьевой воды варьируются от чрезвычайно низкого отвода солей (<5% в мембранах 1001A) до почти полного отвода (99% в мембранах 8040-TS80-TSA). Диапазон расхода от 25 до 60 м3/ день для каждой установки, поэтому коммерческая фильтрация требует параллельной работы нескольких установок NF для обработки большого количества питательной воды. Давление, требуемое в этих устройствах, обычно составляет 4,5-7,5 бар.[10]

Для морской воды опреснение с использованием системы NF-RO типичный процесс показан ниже.

Схема процесса нанофильтрация-опреснение

Из-за того, что пермеат NF редко бывает достаточно чистым, чтобы его можно было использовать в качестве конечного продукта для питьевой воды и другой очистки воды, обычно ли он используется в качестве стадии предварительной обработки для обратный осмос (РО)[8] как показано выше.

Лечение после

Как и в случае других разделителей на основе мембран, таких как ультрафильтрация, микрофильтрация и обратный осмос, постобработка потоков пермеата или ретентата (в зависимости от области применения) - необходимая стадия промышленного разделения ЯТ перед коммерческим распределением продукта. Выбор и порядок операций установки, используемых при доочистке, зависит от нормативов качества воды и конструкции системы NF. Типичные этапы доочистки воды NF включают аэрацию, дезинфекцию и стабилизацию.

Аэрация

А Поливинил хлорид (ПВХ) или армированный волокном пластик (FRP) дегазатор используется для удаления растворенных газов, таких как диоксид углерода и сероводород, из потока пермеата.[15] Это достигается за счет продувки воздуха противотоком к воде, падающей через упаковочный материал в дегазаторе. Воздух эффективно удаляет из воды нежелательные газы.

Дезинфекция и стабилизация

Вода, пермеат после отделения NF, деминерализуется и может подвергаться значительным изменениям pH, что создает существенный риск коррозии трубопроводов и других компонентов оборудования. Для повышения устойчивости воды применяется химическое добавление щелочных растворов, таких как известь и каустическая сода. Кроме того, к пермеату добавляются дезинфицирующие средства, такие как хлор или хлоамин, а также в некоторых случаях фосфатные или фторидные ингибиторы коррозии.[15]

Новые разработки

Современные исследования в области технологии нанофильтрации (NF) в первую очередь связаны с улучшением характеристик мембран NF, минимизацией загрязнения мембран и снижением энергетических требований уже существующих процессов. Один из способов, которым исследователи пытаются улучшить производительность NF - более конкретно, увеличить пермеат поток и более низкое сопротивление мембраны - это результат экспериментов с различными материалами и конфигурациями мембран. тонкопленочные композитные мембраны (TFC), которые состоят из ряда чрезвычайно тонких селективных слоев, полимеризованных на границе раздела на микропористой подложке, имели наибольший коммерческий успех в промышленных мембранных приложениях благодаря возможности оптимизации селективности и проницаемость каждого отдельного слоя.[16] Недавние исследования показали, что добавление нанотехнологических материалов, таких как слои электроспуннанофиброзных мембран (ENM) к обычным мембранам TFC, приводит к увеличению потока пермеата. Это было приписано внутренним свойствам ENM, которые благоприятствуют потоку, а именно их взаимосвязанной структуре пор, высокой пористость и низкое трансмембранное давление.[17] Недавно разработанная конфигурация мембраны, которая предлагает более энергоэффективную альтернативу обычно используемой спирально-навитой конструкции, представляет собой мембрану из полых волокон. Преимущество этого формата состоит в том, что он требует значительно меньшей предварительной обработки, чем мембраны со спиральной намоткой, поскольку твердые частицы, вводимые в сырье, эффективно вытесняются во время обратной промывки или промывки.[18] В результате снижаются засорение мембраны и затраты энергии на предварительную обработку. Также были проведены обширные исследования потенциального использования Оксид титана (TiO2, диоксид титана) наночастицы для уменьшения загрязнения мембран. Этот метод включает нанесение непористого покрытия из диоксида титана на поверхность мембраны. Внутреннее загрязнение / закупорка пор мембраны предотвращается благодаря непористости покрытия, в то время как супергидрофильный природа диоксида титана обеспечивает устойчивость к поверхностному загрязнению за счет уменьшения адгезии эмульгированного масла к поверхности мембраны.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Рой, Ягнасени; Уорсингер, Дэвид М .; Линхард, Джон Х. (2017). «Влияние температуры на перенос ионов в мембранах для нанофильтрации: диффузия, конвекция и электромиграция». Опреснение. 420: 241–257. Дои:10.1016 / j.desal.2017.07.020. HDL:1721.1/110933. ISSN  0011-9164.
  2. ^ Раймонд Д. Леттерман (редактор) (1999). «Качество воды и очистка». 5-е изд. (Нью-Йорк: Американская ассоциация водопроводных сооружений и McGraw-Hill.) ISBN  0-07-001659-3.
  3. ^ Baker, L.A .; Мартин (2007). «Нанотехнологии в биологии и медицине: методы, устройства и приложения». Наномедицина: нанотехнологии, биология и медицина. 9: 1–24.
  4. ^ Апель П.Ю; и другие. (2006). «Структура поликарбонатного трека-травления: происхождение« парадоксальной »формы поры». Журнал мембрановедения. 282 (1): 393–400. Дои:10.1016 / j.memsci.2006.05.045.
  5. ^ а б Рахимпур, А; и другие. (2010). «Получение и определение характеристик асимметричных полиэфирсульфоновых и тонкопленочных композитных полиамидных мембран для нанофильтрации для смягчения воды». Прикладная наука о поверхности. 256 (6): 1657–1663. Дои:10.1016 / j.apsusc.2009.09.089.
  6. ^ Labban, O .; Liu, C .; Chong, T.H .; Линхард V, J.H. (2017). «Основы нанофильтрации при низком давлении: характеристика мембран, моделирование и понимание многоионных взаимодействий при умягчении воды» (PDF). Журнал мембрановедения. 521: 18–32. Дои:10.1016 / j.memsci.2016.08.062. HDL:1721.1/105440.
  7. ^ Baker, L.A .; Мартин, Цой (2006). «Современная нанонаука». Наномедицина: нанотехнологии, биология и медицина. 2 (3): 243–255.
  8. ^ а б Mohammed, A.W .; и другие. (2007). «Моделирование влияния свойств нанофильтрационной мембраны на оценку стоимости системы для опреснительных применений». Опреснение. 206 (1): 215–225. Дои:10.1016 / j.desal.2006.02.068.
  9. ^ а б Бейкер, Ричард (2004). Мембранные технологии и применение. Западный Сассекс: Джон Уайли и сыновья. ISBN  0470854456.
  10. ^ а б c d е ж грамм час Шафер, А.И. (2005). Принципы и применение нанофильтрации. Оксфорд: Эльзевир. ISBN  1856174050.
  11. ^ а б c Wiley, D.E .; Швинге, Фейн (2004). «Новая конструкция проставки улучшает наблюдаемый поток». Журнал мембрановедения. 229 (1–2): 53–61. Дои:10.1016 / j.memsci.2003.09.015. ISSN  0376-7388.
  12. ^ а б Schwinge, J .; Neal, P.R .; Wiley, D.E .; Fletcher, D.F .; Фейн, А.Г. (2004). «Модули и спейсеры со спиральной намоткой: обзор и анализ». Журнал мембрановедения. 242 (1–2): 129–153. Дои:10.1016 / j.memsci.2003.09.031. ISSN  0376-7388.
  13. ^ Grose, A.B.F; Smith, A.J .; Донн, А .; О'Доннелл, Дж .; Велч, Д. (1998). «Поставка высококачественной питьевой воды в отдаленные районы Шотландии». Опреснение. 117 (1–3): 107–117. Дои:10.1016 / s0011-9164 (98) 00075-7. ISSN  0011-9164.
  14. ^ Эпштейн, Рази; Шаульский, Эвятар; Дизге, Надир; Уорсингер, Дэвид М .; Элимелех, Менахем (06.03.2018). «Роль плотности ионного заряда в исключении по Доннану одновалентных анионов с помощью нанофильтрации». Экологические науки и технологии. Американское химическое общество (ACS). 52 (7): 4108–4116. Дои:10.1021 / acs.est.7b06400. ISSN  0013-936X. PMID  29510032.
  15. ^ а б Американская ассоциация водопроводных сооружений (2007 г.). Руководство по практике водоснабжения при обратном осмосе и нанофильтрации. Денвер: Американская ассоциация водопроводных сетей. С. 101–102. ISBN  978-1583214916.
  16. ^ Misdan, N .; Lau, W.J .; Исмаил, А.Ф .; Мацуура, Т. (2013). «Формирование тонкопленочной композитной нанофильтрационной мембраны: влияние характеристик полисульфонового субстрата» (PDF). Опреснение. 329: 9–18. Дои:10.1016 / j.desal.2013.08.021.
  17. ^ Субраманиан, S; Серан (2012). «Новое направление - применение нанофильтрации - являются ли нановолокна подходящими материалами в качестве мембран при опреснении воды». Опреснение. 308: 198. Дои:10.1016 / j.desal.2012.08.014.
  18. ^ Пирс, Г. (2013). Отличная нанофильтрация, новые разработки показывают многообещающие (26-е изд.). Журнал «Водный мир».
  19. ^ Dražević, E .; Кошутич, К .; Дананич, В .; Павлович, Д. (2013). «Влияние слоя покрытия на производительность тонкопленочной мембраны для нанофильтрации при удалении органических растворенных веществ». Технология разделения и очистки. 118: 530–539. Дои:10.1016 / j.seppur.2013.07.031.

внешняя ссылка