Мембранные технологии - Википедия - Membrane technology

Мембранная техника охватывает все инженерное дело подходит для транспортировки веществ между двумя фракциями с помощью проницаемый мембраны. Обычно в процессах механического разделения для разделения газообразных или жидких потоков используется мембранная технология.

Приложения

Ультрафильтрация для бассейна

Венозно-артериальный экстракорпоральная мембранная оксигенация схема

Процессы мембранного разделения работают без нагрева и, следовательно, используют меньше энергии, чем традиционные процессы термического разделения, такие как дистилляция, сублимация или же кристаллизация. Процесс разделения чисто физический, и обе фракции (проникать и удерживать ) может быть использован. Холодная сепарация с использованием мембранной технологии широко применяется в пищевые технологии, биотехнология и фармацевтический отрасли. Кроме того, использование мембран позволяет проводить разделение, которое невозможно при использовании методов термического разделения. Например, невозможно разделить составляющие азеотропный жидкости или растворенные вещества, которые образуют изоморфный кристаллы перегонкой или перекристаллизация но такое разделение может быть достигнуто с помощью мембранной технологии. В зависимости от типа мембраны возможно селективное разделение отдельных веществ или смесей веществ. Важные технические приложения включают производство питьевой воды путем обратный осмос (во всем мире около 7 миллионов кубометров в год), фильтрации в пищевая промышленность, восстановление органических паров, например, нефтехимических пар восстановление и электролиз для производства хлора.

В Сточные Воды лечение, мембранные технологии приобретают все большее значение. С помощью ультра /микрофильтрация можно удалить частицы, коллоиды и макромолекулы, чтобы таким образом обеззараживать сточные воды. Это необходимо, если сточные воды сбрасываются в чувствительные воды, особенно те, которые предназначены для занятий водными видами спорта и отдыха.

Около половины рынка приходится на медицинские приложения, такие как использование в искусственных почках для удаления токсичных веществ путем гемодиализ и, как искусственное легкое для подачи кислорода без пузырей в кровь.

Значение мембранных технологий в области защиты окружающей среды растет (База данных NanoMemPro IPPC ). Даже в современном восстановление энергии мембраны все чаще используются, например, в топливные элементы И в осмотические электростанции.

Массообмен

Можно выделить две основные модели массопереноса через мембрану:

в модель диффузии раствора и
в гидродинамическая модель.

В реальных мембранах эти два механизма переноса определенно работают бок о бок, особенно во время ультрафильтрации.

Модель диффузии раствора

В модели диффузии раствора перенос происходит только за счет распространение. Компонент, который необходимо транспортировать, сначала необходимо растворить в мембране. Общий подход модели диффузии раствора состоит в том, чтобы предположить, что химический потенциал исходной жидкости и жидкости пермеата находится в равновесии с прилегающими поверхностями мембраны, так что соответствующие выражения для химического потенциала в фазах жидкости и мембраны могут быть приравнены к раствору -мембранный интерфейс. Этот принцип важнее для плотный мембраны без натуральных поры например, те, которые используются для обратного осмоса и в топливных элементах. Вовремя фильтрация обработать пограничный слой образуется на мембране. Этот градиент концентрации создан молекулы которые не могут проходить через мембрану. Эффект упоминается как концентрационная поляризация и, возникая во время фильтрации, приводит к уменьшению трансмембранного потока (поток ). Концентрационная поляризация, в принципе, обратима путем очистки мембраны, что приводит к почти полному восстановлению первоначального потока. Использование тангенциального потока к мембране (фильтрация поперечного потока) также может минимизировать поляризацию концентрации.

Гидродинамическая модель

Транспорт через поры - в простейшем случае - осуществляется конвективно. Это требует, чтобы размер пор был меньше диаметра двух отдельных компонентов. Мембраны, работающие по этому принципу, используются в основном при микро- и ультрафильтрации. Они используются для разделения макромолекулы из решения, коллоиды из разброс или удалить бактерии. Во время этого процесса задержанные частицы или молекулы образуют мясистую массу (фильтровальный пирог ) на мембране, и это засорение мембраны затрудняет фильтрацию. Это засорение можно уменьшить, используя метод поперечного потока (поперечная фильтрация ). Здесь фильтруемая жидкость течет вдоль передней части мембраны и разделяется разницей давления между передней и задней частью мембраны на удерживать (текущий концентрат) спереди и проникать (фильтрат) на спине. Тангенциальный поток спереди создает напряжение сдвига, которое разрушает фильтровальную корку и снижает обрастание.

Мембранные операции

По движущей силе операции можно выделить:

Операции под давлением

Операции, связанные с концентрацией

Операции в градиенте электрического потенциала
- электродиализ
- мембранный электролиз, например хлорно-щелочной процесс
- электродеионизация
- электрофильтрация
- топливная ячейка
Работа в температурном градиенте
- мембранная перегонка

Формы мембран и геометрия потока

Геометрия с поперечным потоком

Тупиковая геометрия

Существует две основных конфигурации потока мембранных процессов: поперечный (или) тангенциальный поток и тупиковая фильтрация. При фильтрации с поперечным потоком питающий поток равен касательный На поверхность мембраны ретентат удаляется с той же стороны дальше по потоку, тогда как поток пермеата отслеживается с другой стороны. При тупиковой фильтрации направление потока жидкости перпендикулярно поверхности мембраны. Обе геометрии потока обладают некоторыми преимуществами и недостатками. Обычно тупиковая фильтрация используется для технико-экономических обоснований в лабораторном масштабе. Тупиковые мембраны относительно легко изготовить, что снижает стоимость процесса разделения. Процесс тупикового мембранного разделения легко реализовать, и этот процесс обычно дешевле, чем поперечная мембранная фильтрация. Тупиковый процесс фильтрации обычно партия -процесс, при котором фильтрующий раствор загружается (или медленно подается) в мембранное устройство, которое затем позволяет некоторым частицам проходить под действием движущей силы. Главный недостаток тупиковой фильтрации - обширная мембрана. обрастание и концентрационная поляризация. Обрастание обычно происходит быстрее при более высоких движущих силах. Загрязнение мембраны и задержка частиц в питательном растворе также увеличивает концентрацию градиенты и обратный поток частиц (концентрационная поляризация). Устройства с тангенциальным потоком более дороги и трудозатратны, 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, спиральные намотки и полые волокна.

Плоские пластины обычно представляют собой круглые тонкие плоские мембранные поверхности, которые используются в модулях с тупиковой геометрией. Спиральные раны построены из подобных плоских мембран, но в виде «карман», содержащих два мембранных листов, разделенных высокопористый опорной плитой.^[1] Затем несколько таких карманов наматывают вокруг трубки для создания геометрии тангенциального потока и уменьшения загрязнения мембраны. полое волокно Модули состоят из сборки самонесущих волокон с плотными разделительными слоями оболочки и более открытой матрицы, помогающей выдерживать градиенты давления и поддерживать структурную целостность.^[1] Модули из полых волокон могут содержать до 10 000 волокон диаметром от 200 до 2500 мкм; Основное преимущество половолоконных модулей - очень большая площадь поверхности в замкнутом объеме, повышающая эффективность процесса разделения.

Модуль спирально-навитой мембраны

Модуль половолоконных мембран
Разделение воздуха на кислород и азот через мембрану

Модуль диск трубки с использованием геометрии поперечного потока, и состоит из трубы под давлением и гидравлических дисков, которые проводятся с помощью центрального болта натяжения, и мембранные подушки, которые лежат между двумя дисками.^[2]

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 большого количества потока сырья. Выбранная мембрана должна иметь высокую избирательность (отказ ) свойства для определенных частиц; он должен сопротивляться обрастание и иметь высокую механическую стабильность. Он также должен быть воспроизводимым и иметь низкие производственные затраты. Основное уравнение моделирования тупиковой фильтрации при постоянной падение давления представлена законом Дарси:^[1]

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

где V_п Q - объем пермеата и его объемный скорость потока соответственно (пропорционально одинаковым характеристикам питающего потока) μ динамическая вязкость проникающей жидкости, A - площадь мембраны, R_м и R - соответствующие сопротивления мембраны и растущего отложения загрязняющих веществ. р_м можно интерпретировать как сопротивление мембраны проникновению растворителя (воды). Это сопротивление - мембрана внутренний свойство и ожидается, что он будет достаточно постоянным и не зависит от движущей силы Δp. R связан с типом загрязнителя мембраны, его концентрацией в фильтрующем растворе и характером взаимодействия загрязнителя с мембраной. Закон Дарси позволяет рассчитать площадь мембраны для целевого разделения при заданных условиях. В растворенное вещество просеивание коэффициент определяется уравнением:^[1]

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

где C_ж и C_п представляют собой концентрации растворенных веществ в сырье и пермеате соответственно. Гидравлическая проницаемость определяется как величина, обратная сопротивлению, и выражается уравнением:^[1]

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

где J - пермеат поток который представляет собой объемный расход на единицу площади мембраны. Коэффициент просеивания растворенных веществ и гидравлическая проницаемость позволяют быстро оценить характеристики синтетической мембраны.

Процессы мембранного разделения

Процессы мембранного разделения играют очень важную роль в разделительной отрасли. 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: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос, электролиз, диализ, электродиализ, разделение газов, паропроницаемость, проникновение, мембрана дистилляция, и мембранные контакторы.^[3] Все процессы, кроме первапорации, не вызывают фазового перехода. Все процессы, кроме (электро) диализа, управляются давлением. Микрофильтрация и ультрафильтрация широко используются в производстве продуктов питания и напитков (микрофильтрация пива, ультрафильтрация яблочного сока), биотехнологических приложениях и фармацевтическая индустрия (антибиотик производство, очистка белков), очистка воды и очистки сточных вод, промышленность микроэлектроники и другие. Мембраны для нанофильтрации и обратного осмоса используются в основном для очистки воды. Плотные мембраны используются для разделения газов (удаление CO₂ из природного газа, отделяя N₂ из воздуха, удаление органических паров из воздуха или потока азота), а иногда и при мембранной перегонке. Более поздний процесс помогает в разделении азеотропных композиций, снижая затраты на процессы дистилляции.

Диапазоны разделения на мембранной основе

Размер пор и селективность

Распределение пор фиктивной ультрафильтрационной мембраны с номинальным размером пор и D₉₀

Размеры пор технических мембран указаны по-разному в зависимости от производителя. Одно общее различие заключается в номинальный размер пор. Он описывает максимальное распределение пор по размеру.^[4] и дает лишь неопределенную информацию о удерживающей способности мембраны. Предел исключения или «отсечка» мембраны обычно указывается в виде NMWC (отсечка номинальной молекулярной массы, или MWCO, отсеченная молекулярная масса, с единицами в Далтон ). Он определяется как минимум молекулярный вес глобулярной молекулы, которая удерживается мембраной на 90%. Отсечка, в зависимости от метода, может быть преобразована в так называемую D₉₀, который затем выражается в метрических единицах. На практике MWCO мембраны должен быть, по крайней мере, на 20% ниже, чем молекулярная масса молекулы, которая должна быть разделена.

Использование трековых мембран из слюды^[5] Бек и Шульц^[6] продемонстрировали, что затрудненная диффузия молекул в порах может быть описана методом Ренкина.^[7] уравнение.

Фильтрующие мембраны делятся на четыре класса по размеру пор:

Размер пор	Молекулярная масса	Процесс	Фильтрация	Удаление
> 10		"Классик" 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^[8]
<1 нм	<100 Да	обратный осмос	10-80 бар	соли, небольшие органические молекулы

Форма и форма пор мембраны в значительной степени зависят от производственного процесса, и их часто трудно указать. Поэтому для определения характеристик проводят тестовую фильтрацию, и диаметр пор относится к диаметру мельчайших частиц, которые не могут пройти через мембрану.

Отклонение может быть определено различными способами и обеспечивает косвенное измерение размера пор. Одна из возможностей - фильтрация макромолекул (часто декстран, полиэтиленгликоль или же альбумин ), другой - измерение отсечки гель-проникающая хроматография. Эти методы используются в основном для измерения мембран для ультрафильтрации. Другой метод тестирования - фильтрация частиц определенного размера и их измерение с помощью измерителя размера частиц или спектроскопия лазерного пробоя (LIBS). Яркая характеристика заключается в измерении отклонения декстранового синего или других окрашенных молекул. Сохранение бактериофаг и бактерии, так называемый «тест на бактериологию», также может предоставить информацию о размере пор.

Номинальный размер пор	микроорганизм	ATCC корневое число
0,1 мкм	Acholeplasma laylawii	23206
0,3 мкм	Bacillus subtilis споры	82
0,5 мкм	Pseudomonas diminuta	19146
0,45 мкм	Serratia marcescens	14756
0,65 мкм	Lactobacillus brevis

Чтобы определить диаметр поры, физический такие методы как порозиметрия (ртуть, порозиметрия жидкость-жидкость и испытание точки пузырька), но определенная форма пор (например, цилиндрический или объединенные сферический дыр) предполагается. 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 фактические характеристики фильтрации и селективность.

Селективность в значительной степени зависит от процесса разделения, состава мембраны и ее электрохимических свойств в дополнение к размеру пор. Благодаря высокой селективности изотопы могут быть обогащены (обогащение урана) в ядерной технике или промышленных газах, таких как азот, можно восстанавливать (разделение газов ). В идеале даже рацемики может быть обогащен подходящей мембраной.

При выборе мембран селективность имеет приоритет над высокой проницаемостью, так как низкие потоки могут быть легко компенсированы увеличением поверхности фильтра с помощью модульной структуры. При газофазной фильтрации действуют различные механизмы осаждения, так что частицы, имеющие размер ниже размера пор мембраны, также могут удерживаться.

Смотрите также

Примечания

^ ^а ^б ^c ^d ^е Осада, Ю., Накагава, Т., Мембранная наука и технология, Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк., 1992.
^ "Модуль RCDT - Модуль трубы с радиальным каналом (RCDT)". Модуль дисковой трубы с радиальным каналом (RCDT). Получено 2016-05-11.
^ Пиннау И., Фриман Б.Д., Образование и модификация мембран, ACS, 1999.
^ Скрипт TU Berlin - 2 Принципа мембранных процессов («Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-04-16. Получено 2013-09-06.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь); PDF-Datei; 6,85 МБ) Страница 6 (немецкий)
^ Fleischer, R.L .; Цена, П. Б .; Уокер, Р. М. (май 1963 г.). «Способ образования тонких отверстий близких к атомным размерам». Обзор научных инструментов. 34 (5): 510–512. Bibcode:1963RScI ... 34..510F. Дои:10.1063/1.1718419. ISSN 0034-6748.
^ Beck, R.E .; Шульц, Дж. С. (1970-12-18). «Затрудненная диффузия в микропористых мембранах с известной геометрией пор». Наука. 170 (3964): 1302–1305. Bibcode:1970Sci ... 170.1302B. Дои:10.1126 / science.170.3964.1302. ISSN 0036-8075. PMID 17829429.
^ Ренкин, Евгений М. (1954-11-20). «Фильтрация, диффузия и молекулярное просеивание через пористые целлюлозные мембраны». Журнал общей физиологии. 38 (2): 225–243. ISSN 0022-1295. ЧВК 2147404. PMID 13211998.
^ Опыт и возможности применения нанофильтрации - Университет Линца (немецкий) (PDF В архиве 2013-04-05 в Wayback Machine )