Войти
| Обессоливание воды |
|---|
| Методы |
|
Нанофильтрация (NF) - относительно недавний процесс мембранной фильтрации, который чаще всего используется с низким общим содержанием растворенных твердых веществ водой, например поверхностные воды и пресные подземные воды с целью смягчения (поливалентный катион удаление) и удаление предшественников побочных продуктов дезинфекции, таких как природные органические вещества и синтетические органические вещества.
Нанофильтрация также становится все более широко используемой в пищевой промышленности приложения, такие как молочные продукты, для одновременного концентрирования и частичной (одновалентный ион ) деминерализации.
Нанофильтрация - это мембранная фильтрация Метод на основе, который использует сквозные поры размером нанометров, которые проходят через мембрану. Мембраны для нанофильтрации имеют размер пор от 1 до 10 нанометров, что меньше, чем в микрофильтрации и ультрафильтрации, но только больше, чем в обратном осмосе. Используемые мембраны преимущественно создаются из тонких полимерных пленок. Обычно используемые материалы включают полиэтилентерефталат или металлы, такие как алюминий. Размеры пор регулируются pH, температурой и временем во время разработки с плотностью пор от 1 до 106 пор на см. Мембраны, изготовленные из полиэтилентерефталата и других подобных материалов, называются мембранами «трекового травления», так как их название происходит от способа образования пор на мембранах. «Отслеживание» включает бомбардировку тонкой полимерной пленки частицами высокой энергии. Это приводит к образованию 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 кислой среде.
Исторически нанофильтрация и другие мембранные технологии, используемые для разделения молекул, полностью применялись в водных системах. Первоначально нанофильтрация использовалась для обработки воды и, в частности, умягчения воды. Нанофильтры могут «смягчать» воду, задерживая образующие накипь гидратированные двухвалентные ионы (например, Ca, Mg), пропуская более мелкие гидратированные одновалентные ионы.
В последние годы использование нанофильтрации распространилось на другие отрасли, такие как производство молока и соков. Исследования и разработки устойчивых к растворителям мембран позволили использовать мембраны для нанофильтрации в новых областях, таких как фармацевтика, тонкая химия, а также промышленность по производству ароматизаторов и ароматизаторов.
| Промышленность | Использование |
|---|---|
| Тонкая химия и фармацевтика | Нетермическое извлечение растворителя и управление им Замена растворителя при комнатной температуре |
| Нефть и нефтехимия | Удаление компонентов смолы в сырье Очистка газовых конденсатов |
| Объемная химия | Полировка продукта Непрерывное извлечение гомогенных катализаторов |
| Натуральные эфирные масла и аналогичные продукты | Фракционирование сырых экстрактов Обогащение природных соединений Бережное разделение |
| Лекарство | Способно извлекать аминокислоты и липиды из крови и других клеточных культур. |
Одним из основных преимуществ нанофильтрации как метода умягчения воды является то, что в процессе удержания ионов кальция и магния при прохождении более мелкие гидратированные одновалентные ионы, фильтрация выполняется без добавления дополнительных ионов натрия, как это используется в ионообменниках. Многие процессы разделения не работают при комнатной температуре (например, дистилляция ), что значительно увеличивает стоимость процесса при применении непрерывного нагрева или охлаждения. Выполнение мягкого 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. 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.
Промышленное применение мембран требует от сотен до тысяч квадратных метров мембран, и поэтому требуется эффективный способ уменьшения занимаемой площади путем их упаковки. Мембраны впервые стали коммерчески жизнеспособными, когда были применены недорогие методы размещения в «модулях». Мембраны не являются самонесущими. Они должны поддерживаться пористой опорой, способной выдерживать давление, необходимое для работы мембраны NF, без ухудшения ее характеристик. Чтобы сделать это эффективно, в модуле должен быть канал для удаления проницаемости мембраны и обеспечение соответствующих условий потока, которые уменьшают явление концентрационной поляризации. 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.
Концентрационная поляризация описывает скопление частиц, удерживаемых близко к поверхности. мембраны, что снижает способность к разделению. Это происходит потому, что частицы [конвектируются]] к мембране вместе с растворителем, и ее величина является балансом между этой конвекцией, вызванной потоком растворителя , и переносом частиц от мембраны из-за градиента концентрации (преимущественно вызвано диффузией.) Хотя концентрационная поляризация легко обратима, она может привести к загрязнению мембраны.
Спиральная намотка модули являются наиболее часто используемым стилем модуля и имеют «стандартизованную» конструкцию, доступны в диапазоне стандартных диаметров (2,5 дюйма, 4 дюйма и 8 дюймов), чтобы соответствовать стандартному сосуду высокого давления, который может содержать несколько модулей в В модуле используются плоские листы, обернутые вокруг центральной трубки. Мембраны приклеиваются по трем краям на прокладку для пермеата, образуя «листы». Прокладка для пермеата поддерживает мембрану и направляет пермеат в центральную трубу для пермеата.. Между каждой створкой вставлена сетка, похожая на распорку для корма. T Причина, по которой размер спейсера подобен сетке, заключается в обеспечении гидродинамической среды около поверхности мембраны, которая препятствует концентрационной поляризации. После того, как листы намотаны на центральную трубку, модуль оборачивается слоем оболочки, а на конце цилиндра устанавливаются колпачки для предотвращения «телескопирования», которое может происходить в условиях высокой скорости потока и давления.
Трубчатые модули похожи на кожухотрубные теплообменники со связками трубок с активной поверхностью мембраны внутри. Поток через трубки обычно турбулентный, что обеспечивает поляризацию низкой концентрации, но также увеличивает 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. В связи с высокими эксплуатационными затратами на энергию турбулентного потока и ограничивающим давлением разрыва трубчатые модули больше подходят для «грязных» применений, где сырье содержит твердые частицы, такие как фильтрация сырой воды для получения питьевой воды в процессе Fyne.. Мембраны можно легко очистить с помощью техники «очистки скребками », когда шарики из пенопласта проталкиваются через трубки, очищая спекшиеся отложения.
Эти стратегии работают 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 завихрений и создания высокого сдвига в потоке вблизи поверхности мембраны. Некоторые из этих стратегий включают в себя вибрацию мембраны, вращение мембраны, наличие диска ротора над мембраной, изменение скорости подачи и введение пузырьков газа близко к поверхности мембраны.
При разработке мембран NF необходимо учитывать множество различных факторов, поскольку они сильно различаются по материалам, механизмам разделения и, следовательно, применению. Во время предварительных расчетов следует исследовать два важных параметра: параметры производительности и морфологии.
Удержание как заряженных, так и незаряженных растворенных веществ и проницаемость измерений можно разделить на параметры производительности, поскольку производительность в естественных условиях мембрана 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 удерживающей характеристики 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 эффектом Гиббса – Доннана для прогнозирования удерживающих характеристик этой мембраны.
Незаряженные растворенные вещества нельзя охарактеризовать просто Отсечка 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.
Морфология мембраны также должна быть известна, чтобы реализовать успешный дизайн системы NF, и это обычно делается с помощью микроскопии. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) - это один из методов, используемых для определения шероховатости поверхности мембраны путем пропускания небольшого острого наконечника (<100 Ă) across the surface of a membrane and measuring the resulting сила Ван-дер-Ваальса между атомами на конце наконечника и поверхность. Это полезно, поскольку была установлена прямая корреляция между шероховатостью поверхности и коллоидным загрязнением. Также существуют корреляции между загрязнением и другими параметрами морфологии, такими как гидрофобность, показывая, что чем более гидрофобна мембрана, тем меньше она подвержена засорению. Для получения дополнительной информации см. засорение мембраны.
Методы определения пористости пористых мембран также были найдены с помощью пермпорометрии, с использованием различных давления пара для характеристики размера пор и распределения пор по размерам внутри мембраны. Первоначально все поры в мембране полностью заполнены жидкостью, поэтому проникновение газа не происходит., но после снижения относительного давления пара начнут образовываться зазоры. внутри пор, как диктуется уравнением Кельвина. Полимерные (непористые) мембраны не могут быть подвергнуты этой методологии, так как конденсируемый пар должен иметь незначительное взаимодействие внутри мембраны.
Механизмы, с помощью которых растворенные вещества переносятся при нанофильтрации через мембрану. В отличие от мембран с большими и меньшими размерами пор, прохождение растворенных веществ через нанофильтрацию значительно сложнее.
Из-за размеров пор существует три способа транспортировки растворенных веществ через мембрану. К ним относятся 1) диффузия (перемещение молекул 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 по размеру (стерическому) исключению, 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, обеспечивая метод для понимания и лучшего контроля отторжения.
Первичные механизмы отторжения, которые предотвращают попадание растворенных веществ в поры при нанофильтрации. Механизмы переноса и исключения в значительной степени зависят от размера пор мембраны, вязкости растворителя, толщины мембраны, диффузии растворенных веществ, температуры раствора, pH раствора и диэлектрической проницаемости мембраны постоянный. Распределение пор по размерам также важно. Точное моделирование отклонения для NF очень сложно. Это можно сделать с применением уравнения Нернста – Планка, хотя обычно требуется сильная зависимость от параметров подгонки экспериментальных данных.
В общем, заряженные растворенные вещества гораздо более эффективно отбрасываются в NF, чем незаряженные растворенные вещества, и поливалентные растворенные вещества, такие как SO. 4(валентность 2), испытывают очень сильное отторжение.
Учитывая, что NF обычно является частью составной системы очистки, выбирается единый блок на основе проектных спецификаций блока NF. Для очистки питьевой воды существует множество коммерческих мембран, принадлежащих к разным химическим семействам, имеющих разные структуры, химические допуски 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 содержания солей (<5% in 1001A membranes) to almost complete rejection (99% in 8040-TS80-TSA membranes.) Flow rates range from 25–60 m/day for each unit, so commercial filtration requires multiple NF units in parallel to process large quantities of feed water. The pressures required in these units are generally between 4.5-7.5 bar.
Для морской воды опреснения с использованием системы NF-RO, типичный процесс показан ниже.
Тот факт, 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 обратного осмоса (RO), как показано выше.
Как и в случае других разделений на основе мембран, таких как ультрафильтрация, микрофильтрация и обратный осмос, последующая обработка потоков пермеата или ретентата (в зависимости от области применения) - необходимая стадия промышленного разделения ЯТ до коммерческого распределения продукта. Выбор и порядок операций установки, используемых при доочистке, зависит от нормативов качества воды и конструкции системы NF. Типичные стадии доочистки воды NF включают аэрацию и дезинфекцию. на стабилизации.
A Поливинилхлорид (ПВХ) или армированный волокном пластик (FRP) дегазатор используется для удаления растворенных газов, таких как диоксид углерода и сероводород, из потока пермеата.. Это достигается за счет продувки воздуха противотоком к воде, падающей через упаковочный материал в дегазаторе. Воздух эффективно удаляет из воды нежелательные газы.
Пермеат воды после отделения NF деминерализован и может подвергаться значительным изменениям pH, что создает значительный 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.
Современные исследования в области нанофильтрации (NF) Технология в первую очередь связана с улучшением характеристик мембран NF, минимизацией загрязнения мембран и снижением энергозатрат для уже существующих процессов. Один из способов, которым исследователи пытаются улучшить характеристики NF - более конкретно, увеличить поток пермеата и снизить сопротивление мембраны - это эксперименты с различными материалами и конфигурациями мембран. тонкопленочные композитные мембраны (TFC), которые состоят из ряда чрезвычайно тонких селективных слоев, полимеризованных на границе раздела фаз на микропористой подложке, имели наибольший коммерческий успех в промышленных мембранных применениях благодаря возможности оптимизации селективности и проницаемость каждого отдельного слоя. Недавние исследования показали, что добавление нанотехнологических материалов, таких как слои электроспуннанофиброзных мембран (ENM) к обычным мембранам TFC, приводит к увеличению потока пермеата. Это было связано с присущими ЭНМ свойствами, благоприятствующими потоку, а именно их взаимосвязанной структурой пор, высокой пористостью и низким трансмембранным давлением. 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. В результате снижаются загрязнение мембраны и затраты энергии на предварительную обработку. Также были проведены обширные исследования возможности использования наночастиц диоксида титана (TiO2, диоксид титана) для уменьшения загрязнения мембран. Этот метод включает нанесение непористого покрытия из диоксида титана на поверхность мембраны. Внутреннему загрязнению / закупорке пор мембраны препятствует непористость покрытия, в то время как супер гидрофильная природа диоксида титана обеспечивает устойчивость к поверхностному загрязнению за счет снижения адгезии эмульгированного масла к поверхности мембраны.
