Nanofiltracja

Metody
odsalania wody

Nanofiltracja to proces filtracji membranowej stosowany najczęściej do zmiękczania i dezynfekcji wody.

Przegląd

Nanofiltracja to metoda oparta na filtracji membranowej , która wykorzystuje pory o wielkości nanometrów , przez które przechodzą przez membranę cząsteczki mniejsze niż 10 nanometrów. Membrany nanofiltracyjne mają pory o wielkości od 1-10 nanometrów, mniejsze niż stosowane w mikrofiltracji i ultrafiltracji , ale nieco większe niż w odwróconej osmozie . Stosowane membrany wykonane są głównie z cienkich warstw polimerowych. Powszechnie stosowane materiały obejmują politereftalan etylenu lub metale, takie jak aluminium . Wymiary porów są kontrolowane przez pH , temperaturę i czas podczas rozwoju, przy gęstości porów w zakresie od 1 do 106 porów na cm2 . Membrany wykonane z politereftalanu etylenu i innych podobnych materiałów nazywane są membranami „track-etch”, których nazwa pochodzi od sposobu wykonania porów na membranach. „Śledzenie” polega na bombardowaniu cienkiej warstwy polimeru cząstkami o wysokiej energii. Powoduje to tworzenie ścieżek, które są chemicznie rozwijane w membranie lub „wytrawione” w membranie, które są porami. Membrany wykonane z metalu, takie jak membrany z tlenku glinu, są wytwarzane przez elektrochemiczne hodowanie cienkiej warstwy tlenku glinu z metalicznego aluminium w środowisku kwaśnym.

Zakres zastosowań

W przeszłości nanofiltracja i inne technologie membranowe stosowane do rozdzielania cząsteczek były stosowane wyłącznie w systemach wodnych . Pierwotnym zastosowaniem nanofiltracji było uzdatnianie wody, aw szczególności zmiękczanie wody . Nanofiltry „zmiękczają” wodę zatrzymując tworzące kamień jony dwuwartościowe (np. Ca ​​2+ , Mg 2+ ).

Nanofiltracja została rozszerzona na inne gałęzie przemysłu, takie jak produkcja mleka i soków, a także farmaceutyki , wysokowartościowe chemikalia oraz przemysł aromatyzujący i zapachowy.

Przemysł Używa
chemii szlachetnej i farmaceutycznej Odzyskiwanie i zarządzanie rozpuszczalnikami nietermicznymi

Wymiana rozpuszczalnika w temperaturze pokojowej
Chemia ropy naftowej i ropy naftowej Usuwanie składników smołowych w paszach

Oczyszczanie kondensatów gazowych
Chemia masowa Polerowanie produktu

Ciągłe odzyskiwanie katalizatorów homogenicznych
Naturalne olejki eteryczne i podobne produkty Frakcjonowanie surowych ekstraktów

Wzbogacenie naturalnych związków Delikatne Separacje
Medycyna Zdolny do ekstrakcji aminokwasów i lipidów z krwi i innych kultur komórkowych.

Zalety i wady

Jedną z głównych zalet nanofiltracji jako metody zmiękczania wody jest to, że podczas procesu zatrzymywania jonów wapnia i magnezu przy przepuszczaniu mniejszych uwodnionych jonów jednowartościowych, filtracja odbywa się bez dodawania dodatkowych jonów sodu , jak to ma miejsce w wymieniaczach jonowych. Wiele procesów rozdzielania nie odbywa się w temperaturze pokojowej (np. destylacja ), co znacznie zwiększa koszt procesu, gdy stosowane jest ciągłe ogrzewanie lub chłodzenie. Przeprowadzanie delikatnej separacji molekularnej wiąże się z nanofiltracją, której często nie obejmuje się innymi formami procesów separacji ( wirowanie ). Są to dwie główne korzyści związane z nanofiltracją. Nanofiltracja ma bardzo korzystną zaletę polegającą na możliwości przetwarzania dużych ilości i ciągłego wytwarzania strumieni produktów. Mimo to nanofiltracja jest najrzadziej stosowaną metodą filtracji membranowej w przemyśle, ponieważ wielkość porów membrany jest ograniczona do zaledwie kilku nanometrów. Wszystko, co mniejsze, stosuje się odwróconą osmozę, a wszystko, co większe, służy do ultrafiltracji. Ultrafiltrację można również stosować w przypadkach, w których można zastosować nanofiltrację, ponieważ jest ona bardziej konwencjonalna. Główną wadą związaną z nanotechnologią, podobnie jak w przypadku wszystkich technologii filtrów membranowych, jest koszt i konserwacja stosowanych membran. Membrany nanofiltracyjne są kosztowną częścią procesu. Naprawa i wymiana membran zależy od całkowitej ilości rozpuszczonych ciał stałych, natężenia przepływu i składników paszy. Ponieważ nanofiltracja jest stosowana w różnych gałęziach przemysłu, można zastosować jedynie oszacowanie częstotliwości wymiany. Powoduje to, że nanofiltry są wymieniane na krótko przed lub po zakończeniu ich głównego użycia.

Konstrukcja i działanie

Przemysłowe zastosowania membran wymagają setek do tysięcy metrów kwadratowych membran, dlatego wymagany jest skuteczny sposób zmniejszenia zajmowanej powierzchni poprzez ich pakowanie. Membrany po raz pierwszy stały się komercyjnie opłacalne, gdy opracowano tanie metody umieszczania ich w „modułach”. Membrany nie są samonośne. Muszą być utrzymywane przez porowaty nośnik, który może wytrzymać ciśnienie wymagane do działania membrany NF bez utrudniania działania membrany. Aby to zrobić skutecznie, moduł musi zapewnić kanał do usuwania przenikania membrany oraz zapewnić odpowiednie warunki przepływu, które ograniczają zjawiska polaryzacji stężeniowej. Dobra konstrukcja minimalizuje straty ciśnienia zarówno po stronie zasilania, jak i permeatu, a tym samym zapotrzebowanie na energię.

Polaryzacja koncentracji

Polaryzacja stężenia opisuje akumulację gatunków zatrzymywanych blisko powierzchni membrany, co zmniejsza możliwości separacji. Dzieje się tak, ponieważ cząstki są konwekcyjne w kierunku membrany z rozpuszczalnikiem, a jej wielkość jest równowagą między tą konwekcją spowodowaną strumieniem rozpuszczalnika a transportem cząstek z membrany z powodu gradientu stężeń (głównie spowodowanego dyfuzją ) . Chociaż polaryzacja stężenia jest łatwo odwracalny, może prowadzić do zanieczyszczenia membrany.

Moduł zwijany spiralnie

Moduły zwijane spiralnie są najczęściej używanymi modułami i mają „znormalizowaną” konstrukcję, dostępne w zakresie standardowych średnic (2,5”, 4” i 8”), aby pasowały do ​​​​standardowego zbiornika ciśnieniowego, który może pomieścić kilka modułów połączonych szeregowo za pomocą O -pierścienie. Moduł wykorzystuje płaskie arkusze owinięte wokół centralnej rurki. Membrany są przyklejone wzdłuż trzech krawędzi ponad przekładką permeatu, tworząc „liście". Przekładka permeatu podtrzymuje membranę i prowadzi permeat do centralnej rurki permeatu. Pomiędzy każdym liściem , wkładana jest przekładka podająca przypominająca siatkę. Powodem dla wymiaru przekładki przypominającego siatkę jest zapewnienie a hydrodynamiczne w pobliżu powierzchni membrany, które zniechęca do polaryzacji stężeniowej. Gdy liście zostaną owinięte wokół centralnej rury, moduł jest owinięty warstwą osłonową i zaślepkami umieszczonymi na końcu cylindra, aby zapobiec „wysuwaniu się teleskopu”, które może wystąpić w warunkach dużego natężenia przepływu i ciśnienia.

Moduł rurowy

Moduły rurowe wyglądają podobnie do płaszczowo-rurowych wymienników ciepła z wiązkami rur z aktywną powierzchnią membrany od wewnątrz. Przepływ przez rurki jest zwykle turbulentny , co zapewnia polaryzację o niskim stężeniu, ale także zwiększa koszty energii. Rury mogą być samonośne lub podparte przez włożenie do perforowanych rur metalowych. Ta konstrukcja modułów jest ograniczona do nanofiltracji przez ciśnienie, które mogą wytrzymać przed rozerwaniem, ograniczając maksymalny możliwy strumień. Ze względu zarówno na wysokie koszty eksploatacji energii przepływu turbulentnego, jak i ograniczające ciśnienie rozrywające, moduły rurowe są bardziej odpowiednie do „brudnych” zastosowań, w których pasze zawierają cząstki stałe, takie jak filtrowanie wody surowej w celu uzyskania wody pitnej w procesie Fyne'a. Membrany można łatwo czyścić za pomocą techniki „ piggingu ” z kulkami pianki przeciskanymi przez rurki, czyszczącymi zbrylone osady.

Strategie zwiększające przepływ

Strategie te działają w celu zmniejszenia wielkości polaryzacji stężenia i zanieczyszczenia. Dostępnych jest wiele technik, jednak najpowszechniejszymi są przekładki kanałów zasilających, jak opisano w modułach zwijanych spiralnie. Wszystkie strategie działają poprzez zwiększanie wirów i generowanie silnego ścinania w przepływie w pobliżu powierzchni membrany. Niektóre z tych strategii obejmują wibrowanie membrany, obracanie membrany, umieszczanie tarczy wirnika nad membraną, pulsowanie natężenia przepływu zasilającego i wprowadzanie pęcherzyków gazu blisko powierzchni membrany.

Charakteryzacja

Parametry wydajności

Retencję zarówno naładowanych, jak i nienaładowanych substancji rozpuszczonych oraz pomiary przenikania można podzielić na parametry wydajności, ponieważ wydajność membrany w warunkach naturalnych opiera się na stosunku substancji rozpuszczonej zatrzymanej/przepuszczonej przez membranę.

W przypadku naładowanych substancji rozpuszczonych rozkład jonów soli w pobliżu granicy faz membrana-roztwór odgrywa ważną rolę w określaniu charakterystyki retencyjnej membrany. Jeśli znany jest ładunek membrany oraz skład i stężenie filtrowanego roztworu, można znaleźć rozkład różnych soli. To z kolei można połączyć ze znanym ładunkiem membrany i efektem Gibbsa-Donnana, aby przewidzieć charakterystykę retencji dla tej membrany.

Nienaładowanych substancji rozpuszczonych nie można scharakteryzować po prostu przez odcięcie masy cząsteczkowej (MWCO), chociaż ogólnie wzrost masy cząsteczkowej lub wielkości substancji rozpuszczonej prowadzi do wzrostu retencji. Ładunek i struktura, pH substancji rozpuszczonej wpływają na charakterystykę retencji.

Parametry morfologiczne

Morfologię błony zwykle ustala się za pomocą mikroskopii. Mikroskopia sił atomowych (AFM) to jedna z metod stosowanych do charakteryzowania chropowatości powierzchni membrany poprzez przesunięcie małej ostrej końcówki (<100 Ă) po powierzchni membrany i pomiar powstałej siły Van der Waalsa między atomami na końcu końcówka i powierzchnia. Jest to przydatne, ponieważ opracowano bezpośrednią korelację między chropowatością powierzchni a zanieczyszczeniem koloidalnym. Istnieją również korelacje między zanieczyszczeniami a innymi parametrami morfologicznymi, takimi jak hydrofobowość , pokazując, że im bardziej hydrofobowa jest membrana, tym mniej jest podatna na zarastanie. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz zanieczyszczenie membrany .

Metody określania porowatości porowatych membran zostały również znalezione za pomocą permporometrii , wykorzystując różne prężności par do scharakteryzowania wielkości porów i rozkładu wielkości porów w membranie. Początkowo wszystkie pory w membranie są całkowicie wypełnione cieczą i jako takie nie występuje przenikanie gazu, ale po zmniejszeniu względnej prężności pary w porach zaczną tworzyć się szczeliny, zgodnie z równaniem Kelvina . Membrany polimerowe (nieporowate) nie mogą być poddane tej metodologii, ponieważ skraplająca się para powinna mieć pomijalny wpływ na membranę.

Transport substancji rozpuszczonej i odrzucanie

Mechanizmy transportu substancji rozpuszczonych w nanofiltracji przez membranę.

W przeciwieństwie do membran o większych i mniejszych rozmiarach porów, przejście substancji rozpuszczonych przez nanofiltrację jest znacznie bardziej złożone.

Ze względu na rozmiary porów istnieją trzy sposoby transportu substancji rozpuszczonych przez membranę. Obejmują one 1) dyfuzję (przemieszczanie się cząsteczek z powodu gradientów potencjału stężeń, jak widać przez membrany odwróconej osmozy), 2) konwekcję (przemieszczanie się z przepływem, jak w przypadku filtracji o większych rozmiarach porów, takiej jak mikrofiltracja) oraz 3) elektromigrację (przyciąganie lub odpychanie z ładunki wewnątrz i blisko błony).

Ponadto mechanizmy wykluczania w nanofiltracji są bardziej złożone niż w innych formach filtracji. Większość systemów filtracji działa wyłącznie na podstawie wykluczenia rozmiaru (sterycznego), ale przy małych skalach długości obserwowanych w nanofiltracji ważne efekty obejmują ładunek powierzchniowy i uwodnienie ( powłoka solwatacyjna ). Wykluczenie spowodowane uwodnieniem jest określane jako wykluczenie dielektryczne, odniesienie do stałych dielektrycznych (energii) związanych z obecnością cząstek w roztworze w porównaniu z podłożem membranowym. pH roztworu silnie wpływa na ładunek powierzchniowy, zapewniając metodę zrozumienia i lepszej kontroli odrzucenia.

Podstawowe mechanizmy odrzucania, które zapobiegają przedostawaniu się substancji rozpuszczonych do porów w nanofiltracji.

Na mechanizmy transportu i wykluczania duży wpływ ma wielkość porów membrany, lepkość rozpuszczalnika, grubość membrany, dyfuzyjność substancji rozpuszczonej, temperatura roztworu, pH roztworu i stała dielektryczna membrany. Ważny jest również rozkład wielkości porów. Dokładne modelowanie odrzucenia dla NF jest bardzo trudne. Można to zrobić za pomocą równania Nernsta-Plancka , chociaż zwykle wymagane jest duże poleganie na dopasowaniu parametrów do danych eksperymentalnych.

Ogólnie rzecz biorąc, naładowane substancje rozpuszczone są znacznie skuteczniej odrzucane w NF niż nienaładowane substancje rozpuszczone, a wielowartościowe substancje rozpuszczone, takie jak SO
2− 4 (wartościowość 2), podlegają bardzo silnemu odrzuceniu.

Typowe wartości dla zastosowań przemysłowych

Mając na uwadze, że NF jest zwykle częścią złożonego systemu oczyszczania, pojedyncza jednostka jest wybierana na podstawie specyfikacji projektowej dla jednostki NF. Istnieje wiele komercyjnych membran do oczyszczania wody pitnej , pochodzących z rodzin chemicznych o zróżnicowanej strukturze, tolerancji chemicznej i odrzuceniu soli.

Jednostki NF do oczyszczania wody pitnej mają zakres od bardzo niskiego odrzucania soli (<5% w membranach 1001A) do prawie całkowitego odrzucania (99% w membranach 8040-TS80-TSA). Natężenia przepływu wahają się od 25–60 m 3 /dzień dla każdej jednostki , więc filtracja komercyjna wymaga równoległego działania wielu jednostek NF w celu przetworzenia dużych ilości wody zasilającej. Ciśnienia wymagane w tych urządzeniach wynoszą na ogół od 4,5 do 7,5 bara.

Poniżej przedstawiono typowy proces odsalania wody morskiej przy użyciu systemu NF-RO.

Process diagram nanofiltration-desalination

Ponieważ permeat NF rzadko jest wystarczająco czysty, aby można go było stosować jako produkt końcowy do wody pitnej i innych metod oczyszczania wody, czy jest on powszechnie stosowany jako etap obróbki wstępnej przed odwróconą osmozą (RO), jak pokazano powyżej.

Po leczeniu

Podobnie jak w przypadku innych separacji opartych na membranach, takich jak ultrafiltracja , mikrofiltracja i odwrócona osmoza , wtórna obróbka strumieni przepływających permeatu lub retentatu (w zależności od zastosowania) – jest niezbędnym etapem przemysłowej separacji NF przed komercyjną dystrybucją produktu. Wybór i kolejność operacji jednostkowych stosowanych w oczyszczaniu jest zależny od przepisów dotyczących jakości wody i konstrukcji systemu NF. Typowe etapy oczyszczania wody NF obejmują napowietrzanie, dezynfekcję i stabilizację.

Napowietrzanie

Odgazowywacz z polichlorku winylu (PVC) lub tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem (FRP) służy do usuwania rozpuszczonych gazów, takich jak dwutlenek węgla i siarkowodór ze strumienia permeatu. Osiąga się to poprzez wdmuchiwanie powietrza w kierunku przeciwnym do wody opadającej przez materiał opakowaniowy w odgazowywaczu. Powietrze skutecznie usuwa z wody niepożądane gazy.

Dezynfekcja i stabilizacja

Permeat z separacji NF jest zdemineralizowany i może być narażony na duże zmiany pH, co stwarza znaczne ryzyko korozji rurociągów i innych elementów wyposażenia. Aby zwiększyć stabilność wody, stosuje się chemiczne dodawanie roztworów alkalicznych, takich jak wapno i soda kaustyczna. Ponadto do permeatu dodaje się środki dezynfekujące, takie jak chlor lub chloroamina, a także w niektórych przypadkach inhibitory korozji fosforanowe lub fluorkowe.

Trendy badawcze

Wyzwania związane z technologią nanofiltracji (NF) obejmują minimalizację zanieczyszczenia membrany i zmniejszenie zapotrzebowania na energię. Kompozytowe membrany cienkowarstwowe (TFC), które składają się z wielu niezwykle cienkich selektywnych warstw spolimeryzowanych międzyfazowo na mikroporowatym podłożu, odniosły komercyjny sukces w przemysłowych zastosowaniach membranowych. Elektrospunnanowłókniste warstwy membranowe (ENM) zwiększają przepływ permeatu. Energooszczędną alternatywą dla powszechnie stosowanego spiralnie zwijanego układu są membrany z włókien kapilarnych, które wymagają mniejszej obróbki wstępnej. Zastosowano nanocząsteczki dwutlenku tytanu , aby zminimalizować zanieczyszczenie membrany.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nanofiltration&oldid=1124212258 ”