stringtranslate.com

Мембрана из полых волокон

Мембраны из полых волокон ( HFM ) представляют собой класс искусственных мембран , содержащих полупроницаемый барьер в форме полого волокна. Первоначально разработанные в 1960-х годах для применения в обратном осмосе , мембраны из полых волокон с тех пор стали широко распространены в очистке воды, опреснении, культивировании клеток, медицине и тканевой инженерии. [1] Большинство коммерческих мембран из полых волокон упакованы в картриджи, которые могут использоваться для различных разделений жидкостей и газов.

Схематическая диаграмма мембраны из полых волокон, включая вид мембранного модуля и выноски для поперечного сечения (справа вверху), мембранного транспорта (слева внизу) и парциального давления растворенного вещества. Изменено авторами из [2]
Поперечное сечение полисульфоновой половолоконной мембраны, изготовленной методом фазового разделения, не вызванного растворителем, полученное с помощью СЭМ.
Экструзия полимерного раствора зарождающейся половолоконной мембраны через кольцевое пространство фильеры .
Пример действующей системы по производству полых волокон методом сухоструйного мокрого прядения.
Пример картриджа с половолоконной мембраной.

Производство

HFM обычно производятся с использованием искусственных полимеров . Конкретные методы производства в значительной степени зависят от типа используемого полимера, а также от его молекулярной массы . Производство HFM, обычно называемое «прядением», можно разделить на четыре основных типа:

Общим для каждого из этих методов является использование фильеры , устройства, содержащего иглу, через которую выдавливается растворитель, и кольцевое пространство, через которое выдавливается раствор полимера. Когда полимер выдавливается через кольцевое пространство фильеры, он сохраняет полую цилиндрическую форму. Когда полимер выходит из фильеры, он затвердевает в мембрану посредством процесса, известного как инверсия фаз . Свойства мембраны, такие как средний диаметр пор и толщина мембраны, можно точно настроить, изменяя размеры фильеры, температуру и состав растворов «добавки» (полимера) и «отверстия» (растворителя), длину воздушного зазора (для мокрого прядения с сухой струей), температуру и состав коагулянта, а также скорость, с которой полученное волокно собирается моторизованной катушкой. Экструзия полимера и растворителя через фильеру может осуществляться либо с помощью газовой экструзии, либо с помощью дозирующего насоса. Некоторые из полимеров, наиболее часто используемых для изготовления ГФМ, включают ацетат целлюлозы , полисульфон , полиэфирсульфон и поливинилиденфторид . [5]

После создания волокон их обычно собирают вместе в мембранный модуль, со многими параллельными волокнами. Концы волокон фиксируются вместе в смоле или эпоксидной смоле на обоих концах. [6] Эту часть можно разрезать начисто, чтобы легче было открыть их вход/выход. Обычно их помещают внутрь цилиндра, который имеет входы и выходы на противоположных сторонах для стороны отверстия (люмена) и боковые порты для пропуска потока через мембраны со стороны оболочки. Обычно подача под более высоким давлением осуществляется со стороны отверстия, чтобы избежать схлопывания волокна.

Характеристика

Свойства HFM можно охарактеризовать, используя те же методы, которые обычно используются для других типов мембран. Основными интересующими свойствами для HFM являются средний диаметр пор и распределение пор, измеряемые с помощью метода, известного как порозиметрия , функции нескольких лабораторных приборов, используемых для измерения размера пор. [7] Диаметр пор также можно измерить с помощью метода, известного как эвапопорометрия , в котором испарение 2-пропанола через поры мембраны связано с размером пор с помощью уравнения Кельвина . [8] [9] В зависимости от диаметров пор в HFM, сканирующая электронная микроскопия или просвечивающая электронная микроскопия могут использоваться для получения качественной перспективы размера пор.

Приложения

Армированная кассета из погружных полых волоконных мембран, используемая в мембранном биореакторе для очистки воды [10]

Мембраны из полых волокон повсеместно используются в промышленных процессах разделения, особенно при фильтрации питьевой воды. [11]

Промышленные фильтры для воды в основном оснащены ультрафильтрационными половолоконными мембранами. Бытовые системы фильтрации воды имеют микрофильтрационные половолоконные мембраны. При микрофильтрации диаметр пор мембраны 0,1 мкм отсекает микроорганизмы, такие как микробы и бактерии, цисты лямблий и других кишечных паразитов, а также удаляет осадки. Ультрафильтрационные мембраны способны удалять не только бактерии, но и вирусы.

Полые волокна широко используются в качестве субстратов для специализированных биореакторных систем , при этом некоторые картриджи с полыми волокнами способны культивировать миллиарды клеток, зависящих от прикрепления, в относительно небольшом (<100 мл) объеме биореактора. [12]

Полые волокна могут использоваться для тестирования эффективности лекарств в исследованиях рака в качестве альтернативы традиционной, но более дорогой модели ксенотрансплантата. [13]

Мембраны из полых волокон используются в мембранных оксигенаторах при экстракорпоральной мембранной оксигенации , которые насыщают кислородом кровь, заменяя легкие у пациентов в критическом состоянии.

Продольное сечение полисульфоновой полой волокнистой мембраны, культивированной интралюминально с фибробластами 3T3 и окрашенной DAPI.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Энциклопедия систем жизнеобеспечения (Eolss): т.1: Опреснение и водные ресурсы (Desware): Мембранные процессы . Оксфорд: EOLSS Publishers Co Ltd. 2010. ISBN 978-1-84826-877-7.
  2. ^ О, Джинву; Фикс, Эндрю Дж.; Зивиани, Давиде; Браун, Джеймс Э.; Варсингер, Дэвид М. (2024). «Оптимизация конструкции мембран из полых волокон для пассивного осушения воздуха в системах сушки». Преобразование энергии и управление . 302. Elsevier BV: 118097. doi :10.1016/j.enconman.2024.118097. ISSN  0196-8904.
  3. ^ Имсаил, Ахмад; Хулбе, Кайлаш; Мацуура, Такеши (28 апреля 2015 г.). Газоразделительные мембраны: полимерные и неорганические . Springer. ISBN 9783319010953.
  4. ^ abc Wang, Lawrence; Chen, Jiaping; Hung, Yung-Tse; Shammas, Nazih (1 декабря 2010 г.). Мембранные и опреснительные технологии . Springer Science & Business Media. ISBN 9781597452786.
  5. ^ Feng, CY; Khulbe, KC; Matsuura, T.; Ismail, AF (июнь 2013 г.). «Последние достижения в подготовке, характеристике и применении полимерных полых волоконных мембран». Технология разделения и очистки . 111 : 43–71. doi :10.1016/j.seppur.2013.03.017.
  6. ^ Bashaw, JD; Lawson, JK; Orofino, TA (1972). Технология полых волокон для усовершенствованной обработки отходов. Серия исследовательских отчетов: Технология защиты окружающей среды. Типография правительства США. стр. 2. Получено 19 июля 2024 г.
  7. ^ AB Abell, KL Willis и DA Lange, «Ртутная интрузионная порометрия и анализ изображений материалов на основе цемента», Журнал коллоидной и интерфейсной науки, 211, стр. 39-44 (1999).
  8. ^ Кранц, Уильям Б.; Гринберг, Алан Р.; Куюнджич, Элмира; Йео, Адриан; Хоссейни, Сейед С. (июль 2013 г.). «Эвапопорометрия: новый метод определения распределения размеров пор в мембранах». Журнал мембранной науки . 438 : 153–166. doi :10.1016/j.memsci.2013.03.045.
  9. ^ Мерриман, Лорен; Мойкс, Алекс; Бейтл, Роберт; Хестекин, Джейми (октябрь 2014 г.). «Доставка углекислого газа в тонкопленочные водные системы через мембраны из полых волокон». Chemical Engineering Journal . 253 : 165–173. Bibcode : 2014ChEnJ.253..165M. doi : 10.1016/j.cej.2014.04.075.
  10. ^ MBR-Надежное решение для трудно поддающихся очистке сточных вод (PDF) . Семинар OWEA NE по промышленным отходам. 20 февраля 2014 г.
  11. ^ Накацука, Сюдзи; Накате, Ичиро; Мияно, Тадааки (1 августа 1996 г.). «Очистка питьевой воды с использованием ультрафильтрационных мембран из полых волокон». Опреснение . 106 (1): 55–61. Bibcode :1996Desal.106...55N. doi :10.1016/S0011-9164(96)00092-6. ISSN  0011-9164.
  12. ^ Шеу, Джонатан; Бельцер, Джим; Фьюри, Брайан; Вильчек, Катажина; Тобин, Стив; Фальконер, Дэнни; ​​Нолта, Ян; Бауэр, Герхард (1 января 2015 г.). «Крупномасштабное производство лентивирусного вектора в закрытой системе полого волоконного биореактора». Молекулярная терапия: методы и клиническая разработка . 2 : 15020–. doi :10.1038/mtm.2015.20. ISSN  2329-0501. PMC 4470365. PMID 26151065  . 
  13. ^ Decker, S.; Hollingshead, M.; Bonomi, CA; Carter, JP; Sausville, EA (апрель 2004 г.). «Модель полых волокон в скрининге противораковых препаратов». European Journal of Cancer . 40 (6): 821–826. doi :10.1016/j.ejca.2003.11.029. ISSN  0959-8049.