Мембранная технология охватывает научные процессы, используемые при создании и применении мембран. Мембраны используются для облегчения транспортировки или отвода веществ между средами, а также механического разделения потоков газа и жидкости. В простейшем случае фильтрация достигается, когда поры мембраны меньше диаметра нежелательного вещества, например, вредного микроорганизма. Мембранная технология обычно используется в таких отраслях, как очистка воды, химическая и металлообработка, фармацевтика, биотехнология, пищевая промышленность, а также для удаления загрязняющих веществ из окружающей среды.
После создания мембраны необходимо охарактеризовать подготовленную мембрану, чтобы узнать больше о ее параметрах, таких как размер пор, функциональная группа, свойства материала и т. д., которые трудно определить заранее. В этом процессе используются такие инструменты, как сканирующий электронный микроскоп , просвечивающий электронный микроскоп , инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье , рентгеновская дифракция и порометрия с вытеснением жидкость-жидкость.
Мембранная технология охватывает все инженерные подходы к транспортировке веществ между двумя фракциями с помощью полупроницаемых мембран . В целом, механические процессы разделения для разделения газообразных или жидких потоков используют мембранную технологию. В последние годы для удаления загрязняющих веществ из окружающей среды использовались различные методы, такие как адсорбция , окисление и мембранное разделение. В окружающей среде происходят различные загрязнения, такие как загрязнение воздуха, загрязнение сточных вод и т. д. [1] В соответствии с отраслевыми требованиями по предотвращению промышленного загрязнения , поскольку более 70% загрязнения окружающей среды происходит из-за промышленности. Их обязанностью является соблюдение государственных правил Закона о контроле и предотвращении загрязнения воздуха 1981 года для поддержания и предотвращения выбросов вредных химических веществ в окружающую среду. [2] Обязательно выполняйте процессы профилактики и безопасности после того, как отрасли смогут сбрасывать свои отходы в окружающую среду. [3]
Мембранная технология на основе биомассы является одной из наиболее перспективных технологий для использования в качестве средства удаления загрязняющих веществ, поскольку она имеет низкую стоимость, большую эффективность и отсутствие вторичных загрязняющих веществ . [1]
Обычно в процессе подготовки мембраны используются полисульфон , поливинилиденфторид и полипропилен . Эти мембранные материалы не возобновляемы и не биоразлагаемы , что создает вредное загрязнение окружающей среды. [4] Исследователи пытаются найти решение для синтеза экологически чистой мембраны, которая избегает загрязнения окружающей среды. Синтез биоразлагаемого материала с помощью естественно доступного материала, такого как синтез мембран на основе биомассы, может использоваться для удаления загрязняющих веществ. [5]
Процессы мембранного разделения работают без нагрева и, следовательно, потребляют меньше энергии, чем обычные процессы термического разделения, такие как дистилляция , сублимация или кристаллизация . Процесс разделения является чисто физическим, и обе фракции ( пермеат и ретентат) могут быть получены в качестве полезных продуктов. Холодное разделение с использованием мембранной технологии широко используется в пищевой , биотехнологической и фармацевтической промышленности. Кроме того, использование мембран позволяет проводить разделения, которые были бы невозможны с использованием методов термического разделения. Например, невозможно разделить компоненты азеотропных жидкостей или растворенных веществ, которые образуют изоморфные кристаллы, путем дистилляции или перекристаллизации , но такие разделения могут быть достигнуты с использованием мембранной технологии. В зависимости от типа мембраны возможно селективное разделение определенных индивидуальных веществ или смесей веществ. Важные технические применения включают производство питьевой воды методом обратного осмоса . В очистке сточных вод мембранная технология становится все более важной. Ультра- / микрофильтрация может быть очень эффективной для удаления коллоидов и макромолекул из сточных вод. Это необходимо, если сточные воды сбрасываются в уязвимые водоемы, особенно те, которые предназначены для контактных водных видов спорта и отдыха.
Около половины рынка приходится на медицинские применения, такие как искусственные почки для удаления токсичных веществ с помощью гемодиализа и искусственные легкие для беспузырьковой подачи кислорода в кровь .
Значение мембранной технологии растет в области охраны окружающей среды ( База данных Nano-Mem-Pro IPPC ). Даже в современных методах рекуперации энергии мембраны используются все чаще, например, в топливных элементах и на осмотических электростанциях .
Можно выделить две основные модели массопереноса через мембрану:
В реальных мембранах эти два механизма транспорта, безусловно, происходят бок о бок, особенно во время ультрафильтрации.
В модели растворения-диффузии транспорт происходит только путем диффузии . Компонент, который необходимо транспортировать, должен быть сначала растворен в мембране. Общий подход модели растворения-диффузии заключается в предположении, что химический потенциал исходной и пермеатной жидкостей находится в равновесии с прилегающими поверхностями мембраны, так что соответствующие выражения для химического потенциала в жидкой и мембранной фазах могут быть уравнены на границе раздела раствор-мембрана. Этот принцип более важен для плотных мембран без естественных пор, таких как те, которые используются для обратного осмоса и в топливных элементах. В процессе фильтрации на мембране образуется пограничный слой . Этот градиент концентрации создается молекулами , которые не могут пройти через мембрану. Эффект называется концентрационной поляризацией и, происходящий во время фильтрации, приводит к уменьшению трансмембранного потока ( потока ). Концентрационная поляризация, в принципе, обратима путем очистки мембраны, что приводит к почти полному восстановлению исходного потока. Использование тангенциального потока к мембране (фильтрация с поперечным потоком) также может минимизировать концентрационную поляризацию.
Транспортировка через поры — в простейшем случае — осуществляется конвективно . Для этого требуется, чтобы размер пор был меньше диаметра двух отдельных компонентов. Мембраны, функционирующие по этому принципу, используются в основном в микро- и ультрафильтрации. Они используются для отделения макромолекул от растворов , коллоидов от дисперсии или удаления бактерий. Во время этого процесса задержанные частицы или молекулы образуют пульпообразную массу ( фильтрационный осадок ) на мембране, и эта закупорка мембраны затрудняет фильтрацию. Эту закупорку можно уменьшить с помощью метода перекрестного потока ( фильтрация перекрестного потока ). Здесь фильтруемая жидкость течет вдоль передней части мембраны и разделяется разницей давления между передней и задней частями мембраны на ретентат (текущий концентрат) спереди и пермеат (фильтрат) сзади. Тангенциальный поток спереди создает сдвиговое напряжение , которое растрескивает фильтровальный осадок и уменьшает загрязнение .
По движущей силе операции можно выделить:
Существует две основные конфигурации потока мембранных процессов: перекрестный поток (или тангенциальный поток) и тупиковая фильтрация. При перекрестной фильтрации поток подачи является тангенциальным к поверхности мембраны, ретентат удаляется с той же стороны дальше по течению, тогда как поток пермеата отслеживается с другой стороны. При тупиковой фильтрации направление потока жидкости перпендикулярно поверхности мембраны. Обе геометрии потока имеют некоторые преимущества и недостатки. Как правило, тупиковая фильтрация используется для технико-экономических обоснований в лабораторных масштабах. Тупиковые мембраны относительно легко изготавливать, что снижает стоимость процесса разделения. Процесс тупиковой мембранной сепарации прост в реализации, и этот процесс обычно дешевле, чем перекрестная мембранная фильтрация. Процесс тупиковой фильтрации обычно является процессом периодического типа, в котором фильтрующий раствор загружается (или медленно подается) в мембранное устройство, которое затем позволяет проходить некоторым частицам под действием движущей силы. Основным недостатком тупиковой фильтрации является обширное загрязнение мембраны и концентрационная поляризация . Загрязнение обычно происходит быстрее при более высоких движущих силах. Загрязнение мембраны и удержание частиц в исходном растворе также создают градиенты концентрации и обратный поток частиц (концентрационная поляризация). Устройства с тангенциальным потоком более затратны и трудоемки, но они менее подвержены загрязнению из-за эффекта выметания 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 изготавливаются в виде круглых тонких плоских мембранных поверхностей для использования в модулях с тупиковой геометрией. Спиральные раны изготавливаются из аналогичных плоских мембран, но в форме «кармана», содержащего два мембранных листа, разделенных высокопористой опорной пластиной. [6] Несколько таких карманов затем наматываются вокруг трубки для создания тангенциальной геометрии потока и уменьшения загрязнения мембраны. Модули из полых волокон состоят из сборки самонесущих волокон с плотными слоями разделения оболочки и более открытой матрицы, помогающей выдерживать градиенты давления и поддерживать структурную целостность. [6] Модули из полых волокон могут содержать до 10 000 волокон диаметром от 200 до 2500 мкм; основным преимуществом модулей из полых волокон является очень большая площадь поверхности в замкнутом объеме, что повышает эффективность процесса разделения.
Модуль дисковой трубки использует геометрию поперечного потока и состоит из напорной трубки и гидравлических дисков, которые удерживаются центральным натяжным стержнем, а также мембранных подушек, которые находятся между двумя дисками. [7]
Выбор синтетических мембран для целевого процесса разделения обычно основывается на нескольких требованиях. Мембраны должны обеспечивать достаточную площадь массопереноса для обработки больших объемов потока сырья. Выбранная мембрана должна обладать высокими селективными (отталкивающими) свойствами для определенных частиц; она должна противостоять загрязнению и иметь высокую механическую стабильность. Она также должна быть воспроизводимой и иметь низкие производственные затраты. Основное уравнение моделирования для тупиковой фильтрации при постоянном перепаде давления представлено законом Дарси: [6]
где V p и Q — объем пермеата и его объемный расход соответственно (пропорциональны тем же характеристикам потока подачи), μ — динамическая вязкость проникающей жидкости, A — площадь мембраны, R m и R — соответствующие сопротивления мембраны и растущего осадка загрязняющих веществ. R m можно интерпретировать как сопротивление мембраны проникновению растворителя (воды). Это сопротивление является внутренним свойством мембраны и, как ожидается, будет довольно постоянным и независимым от движущей силы Δp. R связано с типом загрязняющего вещества мембраны, его концентрацией в фильтрующем растворе и характером взаимодействия загрязняющего вещества с мембраной. Закон Дарси позволяет рассчитать площадь мембраны для целевого разделения при заданных условиях. Коэффициент просеивания растворенного вещества определяется уравнением: [6]
где C f и C p — концентрации растворенных веществ в исходном материале и пермеате соответственно. Гидравлическая проницаемость определяется как величина, обратная сопротивлению, и представлена уравнением: [6]
где J — поток пермеата , который представляет собой объемный расход на единицу площади мембраны. Коэффициент просеивания растворенного вещества и гидравлическая проницаемость позволяют быстро оценить производительность синтетической мембраны.
Процессы мембранного разделения играют очень важную роль в разделительной промышленности. 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 микрофильтрацию , ультрафильтрацию , нанофильтрацию , обратный осмос , электролиз , диализ , электродиализ , разделение газов , паропроницаемость, первапорацию , мембранную дистилляцию и мембранные контакторы. [8] Все процессы, за исключением первапорации, не подразумевают фазового перехода. Все процессы, за исключением электродиализа, управляются давлением. Микрофильтрация и ультрафильтрация широко используются в переработке продуктов питания и напитков (микрофильтрация пива, ультрафильтрация яблочного сока), биотехнологических приложениях и фармацевтической промышленности ( производство антибиотиков , очистка белка), очистке воды и очистке сточных вод , микроэлектронной промышленности и других. Мембраны нанофильтрации и обратного осмоса в основном используются для очистки воды. Плотные мембраны используются для разделения газов (удаление CO2 из природного газа, отделение N2 от воздуха, удаление органических паров из воздуха или потока азота) и иногда в мембранной дистилляции. Последний процесс помогает в разделении азеотропных составов, снижая затраты на процессы дистилляции.
Размеры пор технических мембран указываются по-разному в зависимости от производителя. Одним из распространенных различий является номинальный размер пор . Он описывает максимальное распределение размеров пор [9] и дает лишь смутную информацию о задерживающей способности мембраны. Предел исключения или «отсечка» мембраны обычно указывается в форме NMWC (номинальная отсечка молекулярной массы, или MWCO , отсечка молекулярной массы , с единицами в дальтонах ). Он определяется как минимальная молекулярная масса глобулярной молекулы, которая удерживается мембраной на 90%. Отсечка, в зависимости от метода, может быть преобразована в так называемый D 90 , который затем выражается в метрических единицах. На практике MWCO мембраны должен быть как минимум на 20% ниже молекулярной массы молекулы, которая должна быть разделена.
Используя трековые травленые слюдяные мембраны [10], Бек и Шульц [11] продемонстрировали, что затрудненная диффузия молекул в порах может быть описана уравнением Рэнкина [12] .
Фильтрующие мембраны делятся на четыре класса по размеру пор:
Форма и очертание пор мембраны сильно зависят от производственного процесса и часто их трудно определить. Поэтому для характеристики проводятся тестовые фильтрации, а диаметр пор относится к диаметру наименьших частиц, которые не смогли пройти через мембрану.
Отторжение может быть определено различными способами и обеспечивает косвенное измерение размера пор. Одной из возможностей является фильтрация макромолекул (часто декстрана , полиэтиленгликоля или альбумина ), другой - измерение отсечки с помощью гель-проникающей хроматографии . Эти методы используются в основном для измерения мембран для ультрафильтрационных приложений. Другим методом тестирования является фильтрация частиц определенного размера и их измерение с помощью измерителя размера частиц или с помощью лазерной деструктивной спектроскопии (LIBS). Яркой характеристикой является измерение отторжения декстранового синего или других окрашенных молекул. Удержание бактериофага и бактерий , так называемый «тест на бактериальный вызов», также может предоставить информацию о размере пор.
Для определения диаметра пор также используются физические методы, такие как порозиметрия (ртутный, жидкостно-жидкостный порозиметр и Bubble Point Test), но предполагается определенная форма пор (например, цилиндрические или соединенные сферические отверстия). Такие методы применяются для мембран, геометрия пор которых не соответствует идеальной, и мы получаем «номинальный» диаметр пор, который характеризует мембрану, но не обязательно отражает ее фактическое фильтрующее поведение и селективность.
Селективность в значительной степени зависит от процесса разделения, состава мембраны и ее электрохимических свойств в дополнение к размеру пор. При высокой селективности изотопы могут быть обогащены (обогащение урана) в ядерной технике или промышленные газы, такие как азот, могут быть извлечены ( разделение газов ). В идеале даже рацематы могут быть обогащены с помощью подходящей мембраны.
При выборе мембран селективность имеет приоритет над высокой проницаемостью, так как низкие потоки легко компенсируются увеличением поверхности фильтра с модульной структурой. При фильтрации газовой фазы действуют различные механизмы осаждения, так что частицы, имеющие размеры ниже размера пор мембраны, также могут быть задержаны.
Биомембраны классифицируются на две категории: синтетические мембраны и натуральные мембраны. Синтетические мембраны далее классифицируются на органические и неорганические мембраны. Органические мембраны подклассифицируются полимерными мембранами и неорганические мембраны подклассифицируются керамическими полимерами. [14]
Зеленая мембрана или биомембранный синтез — это решение для защищенных сред, которые имеют в значительной степени всеобъемлющую производительность. Биомасса используется в форме активированных угольных наночастиц , например, с использованием биомассы на основе целлюлозы , кокосовой скорлупы , скорлупы фундука, скорлупы грецкого ореха, сельскохозяйственных отходов стеблей кукурузы и т. д. [4], которые улучшают гидрофильность поверхности , больший размер пор, большую и меньшую шероховатость поверхности, поэтому одновременно улучшаются разделительные и противообрастающие характеристики мембран. [15]
Мембрана на основе биомассы — это мембрана, изготовленная из органических материалов, таких как растительные волокна. [4] Эти мембраны часто используются в системах фильтрации воды и очистки сточных вод . Изготовление чистой мембраны на основе биомассы — сложный процесс, включающий ряд этапов. Первым этапом является создание суспензии органических материалов . Затем эта суспензия отливается на подложку, например, на стеклянную или металлическую пластину. [16] Затем отливка высушивается, а полученная мембрана подвергается ряду обработок, таких как химическая или термическая обработка, для улучшения ее свойств. Одной из проблем при изготовлении мембран на основе биомассы является создание мембраны с желаемыми свойствами. [17]
Список инструментов, используемых в процедурах синтеза мембран:
После литья и синтеза мембраны необходимо охарактеризовать подготовленную мембрану, чтобы узнать больше подробностей о параметрах мембраны, таких как размер пор, функциональные группы, смачиваемость, поверхностный заряд и т. д. Важно знать свойства мембраны, чтобы мы могли удалять и обрабатывать твердые загрязняющие вещества, которые вызывают загрязнение окружающей среды. [18] Для характеризации используются следующие различные инструменты:
Водоподготовка — это любой процесс, который улучшает качество воды, делая ее более приемлемой для определенного конечного использования. Мембраны могут использоваться для удаления частиц из воды либо путем исключения размера, либо путем разделения заряда. [19] При исключении размера поры в мембране имеют такой размер, что через них могут проходить только частицы, меньшие, чем поры. Поры в мембране имеют такой размер, что через них могут проходить только молекулы воды, оставляя растворенные загрязняющие вещества. [20]
Использование мембран при разделении газов, таких как диоксид углерода ( CO2 ), оксиды азота ( NO
х), оксиды серы ( SO
х), вредные газы могут быть удалены для защиты окружающей среды. [21] Мембранное разделение газов из биомассы более эффективно, чем коммерческая мембрана. [22]
Применение мембраны при гемодиализе представляет собой процесс использования полупроницаемой мембраны для удаления отходов и избытка жидкости из крови. [23]
{{cite book}}: |last=имеет общее название ( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )