Микрофильтрация - это тип фильтрации физического процесса, при котором загрязненная жидкость проходит через специальный мембрана с размером пор для отделения микроорганизмов и взвешенных частиц от технологической жидкости. Он обычно используется в сочетании с различными другими процессами разделения, такими как ультрафильтрация и обратный осмос, чтобы обеспечить поток продукта, свободный от нежелательных загрязняющих веществ.
Микрофильтрация обычно используется в качестве предварительной обработки для других процессов разделения, таких как ультрафильтрация, и последующей обработки для фильтрации гранулированной среды. Типичный размер частиц, используемых для микрофильтрации, составляет от примерно 0,1 до 10 мкм. Что касается приблизительной молекулярной массы, эти мембраны могут разделять макромолекулы с молекулярной массой обычно менее 100000 г / моль. Фильтры, используемые в процессе микрофильтрации, специально разработаны для предотвращения проникновения таких частиц, как осадок, водоросли, простейшие или крупные бактерии через специально разработанный фильтр. Более микроскопические, атомные или ионные материалы, такие как вода (H 2 O), одновалентные вещества, такие как ионы натрия (Na) или хлорида (Cl), растворенные или природные органические вещества, а небольшие коллоиды и вирусы все равно смогут проходить через фильтр.
Взвешенная жидкость проходит с относительно высокой скоростью около 1–3 м / с и при давлении от низкого до умеренного (около 100-400 кПа ) параллельно или по касательной к полупроницаемой мембране в форме листа или трубы. Насос обычно устанавливается на технологическом оборудовании, чтобы позволить жидкости проходить через мембранный фильтр. Также есть две конфигурации насоса: с приводом от давления или вакуум. Дифференциальный или обычный манометр обычно присоединяется для измерения перепада давления между выходным и входным потоками. См. Общую схему на Рисунке 1.
Рисунок 1: Общая установка для системы микрофильтрацииЧаще всего микрофильтрационные мембраны используются в воде, напитке и биоперерабатывающие отрасли (см. Ниже). Выходящий технологический поток после обработки с использованием микрофильтра имеет степень извлечения, которая обычно составляет примерно 90-98%.
Возможно, Наиболее частое использование мембран для микрофильтрации относится к очистке источников питьевой воды. Мембраны - ключевой этап первичной дезинфекции забираемого потока воды. Такой поток может содержать патогены, такие как простейшие Cryptosporidium и Giardia lamblia, которые вызывают многочисленные вспышки заболеваний. Оба вида проявляют постепенную устойчивость к традиционным дезинфицирующим средствам (т.е. хлору ). Использование мембран MF представляет собой физическое средство разделения (барьер) в отличие от химической альтернативы. В этом смысле и фильтрация, и дезинфекция происходят за один этап, что сводит на нет дополнительные расходы на дозирование химикатов и соответствующее оборудование (необходимое для обработки и хранения).
Точно так же мембраны MF используются во вторичных сточных водах для удаления мутности, а также для обеспечения обработки для дезинфекции. На этой стадии потенциально могут быть добавлены коагулянты (железо или алюминий ) для осаждения таких веществ, как фосфор и мышьяк который иначе был бы растворим.
Еще одно важное применение мембран MF заключается в холодной стерилизации напитков и фармацевтических препаратов. Исторически сложилось так, что для стерилизации освежающих напитков, таких как сок, вино и пиво, в частности, использовалось тепло, однако при нагревании отчетливо наблюдалась приятная потеря вкуса. Аналогичным образом было показано, что фармацевтические препараты теряют свою эффективность при добавлении тепла. Мембраны MF используются в этих отраслях промышленности в качестве метода удаления бактерий и других нежелательных суспензий из жидкостей, процедура, называемая «холодная стерилизация», которая исключает использование тепла.
Кроме того, мембраны для микрофильтрации находят все более широкое применение в таких областях, как нефтепереработка, где удаление твердых частиц из дымовых газов представляет особую важность. Ключевыми проблемами / требованиями для этой технологии являются способность мембранных модулей выдерживать высокие температуры (т.е. сохранять стабильность), но также и конструкция должна быть такой, чтобы обеспечивать очень тонкий лист (толщина < 2000 ангстремов ) для облегчения увеличение потока. Вдобавок модули должны иметь низкий профиль засорения и, что наиболее важно, быть доступными по низкой цене, чтобы система была финансово жизнеспособной.
Помимо вышеупомянутых применений, мембраны MF находят динамичное применение в основных областях молочной промышленности, особенно при переработке молока и сыворотки. Мембраны MF помогают удалять из молока бактерии и связанные с ними споры, препятствуя проникновению вредных организмов. Это также прекурсор для пастеризации, что позволяет продлить срок хранения продукта. Однако наиболее многообещающий метод для мембран MF в этой области относится к отделению казеина от белков сыворотки (то есть белков сывороточного молока). В результате образуются два потока продуктов, на оба из которых очень полагаются потребители; поток концентрата, обогащенного казеином, используемый для производства сыра, и поток сывороточного / сывороточного белка, который дополнительно обрабатывается (с использованием ультрафильтрации ) для получения концентрата сывороточного белка. Поток сывороточного протеина подвергается дальнейшей фильтрации для удаления жира с целью достижения более высокого содержания протеина в конечных порошках WPC (концентрат сывороточного протеина) и WPI (изолят сывороточного протеина).
Другие распространенные применения, использующие микрофильтрацию в качестве основного процесса разделения, включают
Процессы мембранной фильтрации можно различать по трем основным характеристикам: движущая сила, поток и пермеат потоки. Процесс микрофильтрации осуществляется под давлением с использованием взвешенных частиц и воды в качестве ретентата и растворенных растворенных веществ плюс вода в качестве пермеата. Использование гидравлического давления ускоряет процесс разделения за счет увеличения скорости потока (flux ) потока жидкости, но не влияет на химический состав компонентов в потоках ретентата и продукта.
Основной характеристикой, которая ограничивает эффективность микрофильтрации или любой мембранной технологии, является процесс, известный как засорение. Обрастание описывает осаждение и накопление компонентов сырья, таких как взвешенные частицы, непроницаемые растворенные вещества или даже проницаемые растворенные вещества, на поверхности мембраны и / или внутри порах мембраны. Загрязнение мембраны во время процессов фильтрации снижает поток и, следовательно, общую эффективность работы. На это указывает, когда падение давления увеличивается до определенной точки. Это происходит даже при постоянных рабочих параметрах (давление, скорость потока, температура и концентрация). Загрязнение в большинстве случаев необратимо, хотя часть слоя загрязнения можно обратить вспять путем очистки в течение коротких периодов времени.
Фильтрация с поперечным потоком : где жидкость проходит по касательной к мембране. Часть потока сырья, содержащего обработанную жидкость, собирается под фильтром, в то время как часть воды проходит через мембрану без обработки. Под перекрестной фильтрацией понимается единичная операция, а не процесс. Обратитесь к Рисунку 2 для получения общей схемы процесса.
Тупиковая фильтрация ; все потоки технологической жидкости и все частицы, размер которых превышает размер пор мембраны, останавливаются на ее поверхности. Вся питательная вода обрабатывается сразу, что приводит к образованию корки. Этот процесс в основном используется для периодической или полунепрерывной фильтрации низкоконцентрированных растворов. Общая схема этого процесса представлена на Рисунке 3.
Основные проблемы, влияющие на выбор мембраны, включают
Некоторые важные эвристики проектирования и их оценка обсуждаются ниже:
Как и любые другие мембраны, мембраны для микрофильтрации склонны к загрязнению. (См. Рисунок 4 ниже) Поэтому необходимо проводить регулярное техническое обслуживание для продления срока службы мембранного модуля.
Стоимость для проектирования и производства мембраны на единицу площади примерно на 20% меньше по сравнению с началом 1990-х годов и в общем смысле постоянно сокращается. Мембраны для микрофильтрации более выгодны по сравнению с обычными системами. Системы микрофильтрации не требуют дорогостоящего постороннего оборудования, такого как флокуляты, добавка химикатов, мгновенные смесители, отстойники и бассейны фильтров. Однако стоимость замены капитального оборудования (мембранные картриджные фильтры и т. Д.) Все еще может быть относительно высокой, поскольку оборудование может быть изготовлено для конкретного применения. Используя эвристику проектирования и общие принципы проектирования установки (упомянутые выше), можно увеличить срок службы мембраны для снижения этих затрат.
Посредством разработки более интеллектуальных систем управления технологическим процессом и эффективных конструкций заводов некоторые общие советы по сокращению эксплуатационных расходов перечислены ниже
Таблица 1 (ниже) представляет ориентировочное руководство по капитальным затратам на мембранную фильтрацию и эксплуатационным расходам на единицу потока.
Параметр | Количество | Количество | Количество | Количество | Количество |
---|---|---|---|---|---|
Расчетный расход (мг / сут) | 0,01 | 0,1 | 1,0 | 10 | 100 |
Средний расход (мг / сут) | 0,005 | 0,03 | 0,35 | 4,4 | 50 |
Капитальные затраты (долл. / Галлон) | 18,00 долл. | 4,30 долл. | 1,60 долл. | $1.10 | 0,85 долл. |
Годовые операционные и управленческие расходы (долл. / Кгал) | 4,25 долл. | 1,10 долл. | 0,60 долл. | 0,30 доллара | 0,25 доллара |
Таблица 1 Приблизительная стоимость мембранной фильтрации на единицу потока
Примечание:
Материалы, которые составляют мембраны, используемые в системах микрофильтрации, могут быть либо органическими, либо неорганическими, в зависимости от загрязнителей, которые желательно удалить, или типа применения.
Общее Мембранные структуры для микрофильтрации включают
Пластина и рама (плоский лист)
Мембранные модули для тупиковой проточной микрофильтрации в основном представляют собой пластинчато-рамные конфигурации. Они имеют плоский и тонкопленочный композитный лист, в котором пластина асимметрична. Тонкая селективная пленка поддерживается более толстым слоем с более крупными порами. Эти системы компактны и обладают прочной конструкцией. По сравнению с фильтрацией с поперечным потоком конфигурации пластин и рамы имеют меньшие капитальные затраты; однако эксплуатационные расходы будут выше. Использование пластинчатых и рамных модулей наиболее применимо для небольших и более простых приложений (лаборатория), где фильтруются разбавленные растворы.
Спирально-намотанная
Эта конкретная конструкция используется для фильтрации с поперечным потоком. Конструкция включает гофрированную мембрану, которая сложена вокруг перфорированного пермеатного ядра, похожего на спираль, которое обычно помещается в сосуд высокого давления. Эта конкретная конструкция предпочтительна, когда обрабатываемые растворы сильно концентрированы и в условиях высоких температур и экстремального pH. Эта конкретная конфигурация обычно используется в более крупномасштабных промышленных применениях микрофильтрации.
Поскольку разделение достигается просеиванием, основным механизмом переноса для микрофильтрации через микропористые мембраны является объемный
Как правило, из-за малого диаметра пор поток внутри процесса является ламинарным (Число Рейнольдса < 2100) The flow velocity of the fluid moving through the pores can thus be determined (by уравнение Хагена-Пуазейля ), простейший из которых при условии параболического профиля скорости.
Трансмембранное давление (TMP)
Трансмембранное давление (TMP) определяется как среднее значение приложенного давления от сырья к стороне концентрата мембрана за вычетом давления пермеата. В основном это применяется к тупиковой фильтрации и указывает на то, достаточно ли загрязнена система, чтобы гарантировать замену.
Где
Поток пермеата
Поток пермеата при микрофильтрации определяется следующим соотношением, основанным на Законе Дарси
где
Сопротивление корки определяется по формуле :
Где
Для микронных размеров частиц удельное сопротивление торта примерно равно.
Где
Уравнения строгого проектирования
Чтобы дать лучшее представление о точном определении степени образования корки, были сформулированы одномерные количественные модели для определения таких факторов, как
Подробнее см. Внешние ссылки
Хотя воздействие процессов мембранной фильтрации на окружающую среду различается в зависимости от области применения, общий метод оценки Это оценка жизненного цикла (LCA), инструмент для анализа нагрузки на окружающую среду процессов мембранной фильтрации на всех этапах, учитывающий все виды воздействия на окружающую среду, включая выбросы в почву, воду и воздух.
Что касается процессов микрофильтрации, необходимо учитывать ряд потенциальных воздействий на окружающую среду. Они включают потенциал глобального потепления, потенциал образования фотооксидантов, потенциал эвтрофикации, потенциал токсичности для человека, пресноводный потенциал экотоксичности, потенциал экотоксичности для морской среды и для наземной экотоксичности. В общем, потенциальное воздействие процесса на окружающую среду в значительной степени зависит от потока и максимального трансмембранного давления, однако другие рабочие параметры остаются фактором, который следует учитывать. Конкретный комментарий о том, какая именно комбинация рабочих условий приведет к наименьшей нагрузке на окружающую среду, не может быть сделано, так как каждое приложение потребует разных оптимизаций.
В общем смысле, процессы мембранной фильтрации являются операциями с относительным "низким риском", то есть вероятность возникновения опасных опасностей невелика. Однако есть несколько аспектов, о которых следует помнить. Все процессы фильтрации под давлением, включая микрофильтрацию, требуют приложения определенного давления к потоку подаваемой жидкости, а также электрических проблем. Другие факторы, способствующие безопасности, зависят от параметров процесса. Например, переработка молочного продукта приведет к образованию бактерий, которые необходимо контролировать в соответствии со стандартами безопасности и нормативными требованиями.
Мембранная микрофильтрация в основном такая же, как и другие методы фильтрации с использованием распределение пор по размерам для физического разделения частиц. Это аналогично другим технологиям, таким как ультра / нанофильтрация и обратный осмос, однако единственная разница существует в размере удерживаемых частиц, а также в осмотическом давлении. Основные из которых описаны в общих чертах ниже:
Мембраны для ультрафильтрации имеют размер пор от 0,1 мкм до 0,01 мкм и способны удерживать белки, эндотоксины, вирусы и диоксид кремния. UF имеет множество применений, от очистки сточных вод до фармацевтических применений.
Мембраны для нанофильтрации имеют размер пор от 0,001 мкм до 0,01 мкм и фильтруют многовалентные ионы, синтетические красители, сахара и специфические соли. Когда размер пор уменьшается от MF до NF, требования к осмотическому давлению возрастают.
Обратный осмос - это самый тонкий из доступных мембранных процессов разделения, размер пор варьируется от 0,0001 мкм до 0,001 мкм. RO способен удерживать практически все молекулы, кроме воды, и из-за размера пор необходимое осмотическое давление значительно выше, чем для MF. И обратный осмос, и нанофильтрация принципиально отличаются, поскольку поток идет против градиента концентрации, потому что эти системы используют давление как средство принуждения воды к переходу от низкого давления к высокому.
Недавние достижения в области MF были сосредоточены на производственных процессах для создания мембран и добавок, способствующих коагуляции и, следовательно, уменьшающих загрязнение мембраны. Поскольку MF, UF, NF и RO тесно связаны, эти усовершенствования применимы ко многим процессам, а не только к MF.
Недавние исследования показали, что разбавленный предварительный окисление KMnO4 в сочетании с FeCl3 способен способствовать коагуляции, что приводит к уменьшению загрязнения, в частности, предварительное окисление KMnO4 проявляет эффект, который снижает необратимое загрязнение мембран.
Подобные исследования были реализовано в конструкции мембран из нановолокна из поли (триметилентерефталата) (PTT) с высоким потоком, с упором на повышение производительности. Специализированные процессы термообработки и производства внутренней структуры мембраны показали результаты, указывающие на 99,6% -ную степень отторжения частиц TiO2 при высоком потоке. Результаты показывают, что эта технология может быть применена к существующим приложениям для повышения их эффективности с помощью мембран с высоким потоком.