Мембрана представляет собой селективный барьер; он пропускает одни вещи, но останавливает другие. Такими вещами могут быть молекулы, ионы или другие мелкие частицы. Биологические мембраны включают клеточные мембраны (внешние оболочки клеток или органелл, которые позволяют проходить определенным компонентам); ядерные мембраны, покрывающие ядро клетки; и тканевые оболочки, такие как слизистые и серозные оболочки. Синтетические мембраны производятся людьми для использования в лабораториях и на промышленных предприятиях (например, на химических заводах ).
Эта концепция мембраны была известна с восемнадцатого века, но мало использовалась за пределами лаборатории до конца Второй мировой войны. Война поставила под угрозу снабжение питьевой водой в Европе, и для проверки безопасности воды использовались мембранные фильтры. Однако из-за недостаточной надежности, медленной работы, снижения селективности и повышенных затрат мембраны не получили широкого распространения. Первое использование мембран в больших масштабах было связано с технологиями микрофильтрации и ультрафильтрации. С 1980-х годов эти процессы разделения, наряду с электродиализом, используются на крупных предприятиях, и сегодня рынок обслуживают несколько опытных компаний.
Степень селективности мембраны зависит от размера пор мембраны. В зависимости от размера пор их можно разделить на мембраны для микрофильтрации (MF), ультрафильтрации (UF), нанофильтрации (NF) и обратного осмоса (RO). Мембраны также могут быть разной толщины, с однородной или неоднородной структурой. Мембраны могут быть нейтральными или заряженными, а перенос частиц может быть активным или пассивным. Последнему могут способствовать давление, концентрация, химические или электрические градиенты мембранного процесса. Мембраны обычно можно разделить на синтетические мембраны и биологические мембраны.
Микрофильтрация удаляет частицы размером более 0,08–2 мкм и работает в диапазоне 7–100 кПа. Микрофильтрация используется для удаления остаточных взвешенных твердых частиц (SS), удаления бактерий с целью кондиционирования воды для эффективной дезинфекции и в качестве этапа предварительной обработки для обратного осмоса.
Относительно недавними разработками являются мембранные биореакторы (MBR), сочетающие микрофильтрацию и биореактор для биологической очистки.
Ультрафильтрация удаляет частицы размером более 0,005–2 мкм и работает в диапазоне 70–700 кПа. Ультрафильтрация используется для многих из тех же приложений, что и микрофильтрация. Некоторые ультрафильтрационные мембраны также использовались для удаления растворенных соединений с высокой молекулярной массой, таких как белки и углеводы. Также они могут удалять вирусы и некоторые эндотоксины.
Стенка ультрафильтрационной мембраны из полых волокон с характерными наружным (верхним) и внутренним (нижним) слоями пор.Нанофильтрация, также известная как «рыхлый» обратный осмос, позволяет отбрасывать частицы размером менее 0,002 мкм. Нанофильтрация используется для удаления выбранных растворенных компонентов из сточных вод. NF в первую очередь разработан как процесс умягчения мембран, который предлагает альтернативу химическому умягчению.
Аналогичным образом, нанофильтрация может использоваться в качестве предварительной обработки перед направленным обратным осмосом. Основными задачами предварительной обработки ЯФ являются: (1). свести к минимуму загрязнение мембран обратного осмоса твердыми частицами и микробами за счет удаления мутности и бактерий, (2) предотвратить образование накипи за счет удаления ионов жесткости, (3) снизить рабочее давление процесса обратного осмоса за счет уменьшения общего количества растворенных твердых частиц в исходной воде (TDS) концентрация.
Обратный осмос обычно используется для опреснения воды. Кроме того, обратный осмос обычно используется для удаления растворенных компонентов из сточных вод, оставшихся после дополнительной очистки с помощью микрофильтрации. RO исключает ионы, но требует высокого давления для производства деионизированной воды (850–7000 кПа).
Новый класс мембран полагается на каналы наноструктуры для разделения материалов на молекулярном уровне. К ним относятся мембраны из углеродных нанотрубок, графеновые мембраны, мембраны, изготовленные из полимеров с собственной микропористостью (PIMS), и мембраны, содержащие металлоорганические каркасы (MOF). Эти мембраны можно использовать для разделения по размеру, такого как нанофильтрация и обратный осмос, а также для разделения по адсорбции, например, олефинов от парафинов и спиртов из воды, которые традиционно требовали дорогостоящей и энергоемкой перегонки.
В области мембран термин «модуль» используется для описания полной установки, состоящей из мембран, опорной конструкции под давлением, впускного отверстия, выпускного пермеата и потоков ретентата, а также опорной конструкции в целом. Основные типы мембранных модулей:
Ключевые элементы любого мембранного процесса связаны с влиянием следующих параметров на общий поток пермеата:
Общий поток пермеата из мембранной системы определяется следующим уравнением:
Где Qp - расход потока пермеата [кг с −1 ], F w - расход воды [кг м −2 с −1 ], а A - площадь мембраны [м 2 ].
Проницаемость (k) [м с −2 бар −1 ] мембраны определяется следующим уравнением:
Трансмембранное давление (TMP) определяется следующим выражением:
где P TMP - трансмембранное давление [кПа], P f входное давление подаваемого потока [кПа]; P c давление потока концентрата [кПа]; P p давление потока пермеата [кПа].
Отвод (r) можно определить как количество частиц, удаленных из питательной воды.
Соответствующие уравнения баланса массы:
Для управления работой мембранного процесса можно использовать два режима, касающихся потока и TMP. Эти режимы: (1) постоянный TMP и (2) постоянный поток.
На режимы работы будет влиять, если отбракованные материалы и частицы в ретентате будут накапливаться в мембране. При заданном TMP поток воды через мембрану будет уменьшаться, а при заданном потоке TMP увеличится, уменьшая проницаемость (k). Это явление известно как засорение, и оно является основным ограничением работы мембранного процесса.
Можно использовать два режима работы мембран. Вот эти режимы:
Фильтрация приводит к увеличению сопротивления потоку. В случае тупиковой фильтрации сопротивление увеличивается в зависимости от толщины корки, образовавшейся на мембране. Как следствие, проницаемость (k) и поток быстро уменьшаются пропорционально концентрации твердых частиц [1] и, таким образом, требуют периодической очистки.
Для процессов с поперечным потоком осаждение материала будет продолжаться до тех пор, пока силы связующей корки на мембране не будут уравновешены силами жидкости. В этот момент фильтрация с поперечным потоком достигнет установившегося состояния [2], и, таким образом, поток будет оставаться постоянным с течением времени. Следовательно, такая конфигурация потребует меньше периодической очистки.
Загрязнение можно определить как возможное отложение и накопление компонентов в потоке сырья на мембране.
Обрастание может происходить через несколько физико-химических и биологических механизмов, которые связаны с повышенным отложением твердого материала на поверхности мембраны. Основными механизмами, посредством которых может происходить обрастание, являются:
Поскольку загрязнение является важным фактором при проектировании и эксплуатации мембранных систем, поскольку оно влияет на потребности в предварительной обработке, требования к очистке, условия эксплуатации, стоимость и производительность, его следует предотвращать и, при необходимости, удалять. Оптимизация условий эксплуатации важна для предотвращения загрязнения. Однако, если загрязнение уже произошло, его следует удалить с помощью физической или химической очистки.
Методы физической очистки мембраны включают релаксацию мембраны и обратную промывку мембраны.
Химическая чистка. Эффективность релаксации и обратной промывки будет снижаться со временем работы, поскольку на поверхности мембраны накапливается более необратимое загрязнение. Поэтому, помимо физической очистки, также может быть рекомендована химическая очистка. Это включает в себя:
Оптимизация условий эксплуатации. Можно использовать несколько механизмов для оптимизации рабочих условий мембраны для предотвращения загрязнения, например:
Изменение мембраны. Недавние усилия были сосредоточены на устранении загрязнения мембраны путем изменения химического состава поверхности материала мембраны, чтобы снизить вероятность прилипания загрязнителей к поверхности мембраны. Точная используемая химическая стратегия зависит от химического состава фильтруемого раствора. Например, мембраны, используемые при опреснении, можно сделать гидрофобными, чтобы противостоять загрязнению из-за накопления минералов, в то время как мембраны, используемые для биопрепаратов, можно сделать гидрофильными, чтобы уменьшить накопление белка / органических веществ. Таким образом, изменение химического состава поверхности путем осаждения тонкой пленки может значительно снизить загрязнение. Одним из недостатков использования методов модификации является то, что в некоторых случаях это может отрицательно повлиять на скорость потока и селективность мембранного процесса.
Отличительные особенности мембран обуславливают интерес к их использованию в качестве дополнительных устройств для процессов разделения в жидкостных процессах. Некоторые отмеченные преимущества включают:
Мембраны используются под давлением в качестве движущих процессов при мембранной фильтрации растворенных веществ и при обратном осмосе. В диализе и первапорация в химическом потенциале вдоль градиента концентрации является движущей силой. Также перстракция как процесс экстракции с помощью мембраны зависит от градиента химического потенциала.
Однако их огромный успех в биологических системах не сочетается с их применением. Основными причинами этого являются: