Ультрафильтрация ( УФ ) – это разновидность мембранной фильтрации , при которой такие силы, как градиенты давления или концентрации , приводят к разделению через полупроницаемую мембрану . Взвешенные твердые вещества и растворенные вещества с высокой молекулярной массой удерживаются в так называемом ретентате, тогда как вода и растворенные вещества с низкой молекулярной массой проходят через мембрану в пермеате ( фильтрате). Этот процесс разделения используется в промышленности и исследованиях для очистки и концентрирования макромолекулярных (10 3 –10 6 Да ) растворов, особенно белковых растворов.
Ультрафильтрация принципиально не отличается от микрофильтрации . Оба они различны в зависимости от исключения размера или улавливания частиц. Оно принципиально отличается от мембранного разделения газов , которое разделяется на основе разной степени абсорбции и разной скорости диффузии . Мембраны для ультрафильтрации определяются пороговой молекулярной массой (MWCO) используемой мембраны. Ультрафильтрация применяется в перекрестном или тупиковом режиме .
Такие отрасли, как химическое и фармацевтическое производство, обработка продуктов питания и напитков, а также очистка сточных вод , используют ультрафильтрацию для рециркуляции потока или повышения ценности последующих продуктов. В диализе крови также используется ультрафильтрация. [ нужна цитата ]
Ультрафильтрацию можно использовать для удаления частиц и макромолекул из сырой воды с целью получения питьевой воды. Он использовался либо для замены существующих вторичных (коагуляция, флокуляция, седиментация) и третичных систем фильтрации (песчаная фильтрация и хлорирование), используемых на водоочистных сооружениях, либо в качестве автономных систем в изолированных регионах с растущим населением. [1] При очистке воды с высоким содержанием взвешенных веществ в процесс часто включают УФ, используя первичную (сортировку, флотацию, фильтрацию) и некоторые вторичные обработки в качестве стадий предварительной обработки. [2] Процессы УФ в настоящее время предпочтительнее традиционных методов лечения по следующим причинам:
Процессы УФ в настоящее время ограничены высокими затратами, связанными с загрязнением и заменой мембран. [4] Для предотвращения чрезмерного повреждения мембранных агрегатов необходима дополнительная предварительная обработка питательной воды.
Во многих случаях УФ используется для предварительной фильтрации на установках обратного осмоса (ОО) для защиты мембран обратного осмоса. [ нужна цитата ]
УФ широко используется в молочной промышленности; [5] особенно при переработке сырной сыворотки для получения концентрата сывороточного белка (WPC) и пермеата, богатого лактозой. [6] [7] За одну стадию процесс УФ позволяет концентрировать сыворотку в 10–30 раз больше, чем корм. [8]
Первоначальной альтернативой мембранной фильтрации сыворотки было использование парового нагрева с последующей барабанной или распылительной сушкой. Продукт этих методов имел ограниченное применение из-за его гранулированной текстуры и нерастворимости. Существующие методы также имели непостоянный состав продукта, высокие капитальные и эксплуатационные затраты, а из-за чрезмерного нагревания, используемого при сушке, часто происходила денатурация некоторых белков. [6]
По сравнению с традиционными методами, процессы УФ, используемые для этого применения: [6] [8]
Потенциал загрязнения широко обсуждается и считается важным фактором снижения производительности. [6] [7] [8] Сырная сыворотка содержит высокие концентрации фосфата кальция, который потенциально может привести к отложению накипи на поверхности мембраны. В результате необходимо провести существенную предварительную обработку, чтобы сбалансировать pH и температуру сырья и сохранить растворимость солей кальция. [8]
[9] === Другие приложения ===
Основной принцип работы ультрафильтрации заключается в отделении растворенных веществ от растворителя под давлением через полупроницаемую мембрану. Взаимосвязь между приложенным давлением на разделяемый раствор и потоком через мембрану чаще всего описывается уравнением Дарси:
где J — поток (скорость потока на площадь мембраны), TMP — трансмембранное давление (разность давлений между потоком сырья и пермеата), μ — вязкость растворителя, а R t — общее сопротивление (сумма сопротивления мембраны и загрязнения). [ нужна цитата ]
Когда происходит фильтрация, локальная концентрация отбракованного материала на поверхности мембраны увеличивается и может стать насыщенной. При УФ повышенная концентрация ионов может вызвать осмотическое давление на питающей стороне мембраны. Это снижает эффективное ТМР системы, тем самым снижая скорость проникновения. Увеличение концентрированного слоя на стенке мембраны снижает поток пермеата из-за увеличения сопротивления, которое уменьшает движущую силу растворителя для транспорта через поверхность мембраны. ЦП влияет практически на все доступные процессы мембранного разделения. В RO растворенные вещества, удерживаемые в мембранном слое, приводят к более высокому осмотическому давлению по сравнению с концентрацией основного потока. Таким образом, для преодоления этого осмотического давления необходимы более высокие давления. Концентрационная поляризация играет доминирующую роль в ультрафильтрации по сравнению с микрофильтрацией из-за малого размера пор мембраны. [10] Концентрационная поляризация отличается от загрязнения, поскольку она не оказывает длительного воздействия на саму мембрану и может быть обращена вспять путем снятия ТМП. Однако он оказывает существенное влияние на многие виды загрязнений. [11]
[12] Ниже приведены четыре категории, по которым можно определить загрязнения УФ-мембран:
Следующие модели описывают механизмы осаждения частиц на поверхности мембраны и в порах:
В результате концентрационной поляризации на поверхности мембраны повышенные концентрации ионов могут превышать порог растворимости и осаждаться на поверхности мембраны. Эти отложения неорганических солей могут блокировать поры, вызывая снижение потока, деградацию мембраны и потерю производительности. Образование накипи сильно зависит от факторов, влияющих как на растворимость, так и на концентрационную поляризацию, включая pH, температуру, скорость потока и скорость проникновения. [14]
Микроорганизмы прилипают к поверхности мембраны, образуя слой геля, известный как биопленка . [15] Пленка увеличивает сопротивление потоку, действуя как дополнительный барьер для проникновения. В спирально-навитых модулях закупорки, образованные биопленкой, могут привести к неравномерному распределению потока и, таким образом, увеличить эффект концентрационной поляризации. [16]
В зависимости от формы и материала мембраны для процесса ультрафильтрации могут использоваться различные модули. [17] Коммерчески доступные конструкции модулей ультрафильтрации различаются в зависимости от требуемых гидродинамических и экономических ограничений, а также механической стабильности системы при определенных рабочих давлениях. [18] К основным модулям, используемым в промышленности, относятся:
В конструкции трубчатого модуля используются полимерные мембраны, отлитые внутри пластиковых или пористых бумажных компонентов, диаметром обычно от 5 до 25 мм и длиной от 0,6 до 6,4 м. [6] Несколько трубок заключены в оболочку из ПВХ или стали. Питание модуля проходит через трубы, обеспечивающие радиальную передачу пермеата в сторону корпуса. Такая конструкция обеспечивает легкую очистку, однако основным недостатком является ее низкая проницаемость, большой объем, удерживаемый внутри мембраны, и низкая плотность упаковки. [6] [18]
Эта конструкция концептуально аналогична трубчатому модулю с кожухотрубной компоновкой. Один модуль может состоять из от 50 до тысяч полых волокон и, следовательно, является самонесущим, в отличие от трубчатой конструкции. Диаметр каждого волокна составляет 0,2–3 мм, при этом сырье течет по трубке, а пермеат продукта собирается радиально снаружи. Преимущество самонесущих мембран заключается в простоте их очистки благодаря возможности обратной промывки. Однако затраты на замену высоки, поскольку одно неисправное волокно потребует замены всего пучка. Учитывая, что трубки имеют небольшой диаметр, использование такой конструкции также делает систему склонной к засорению. [8]
Состоят из комбинации плоских мембранных листов, разделенных тонкой сетчатой прокладкой, которая служит пористой пластиковой опорой экрана. Эти листы наматываются на центральную перфорированную трубку и помещаются в трубчатый стальной корпус сосуда под давлением. Питательный раствор проходит по поверхности мембраны, а пермеат по спирали попадает в центральную сборную трубку. Спиральные модули представляют собой компактную и дешевую альтернативу конструкции ультрафильтрации, обеспечивают высокую объемную производительность и легко очищаются. [18] Однако он ограничен тонкими каналами, куда подаваемые растворы со взвешенными твердыми веществами могут привести к частичной закупорке пор мембраны. [8]
При этом используется мембрана, помещенная на плоскую пластину, разделенную сетчатым материалом. Сырье пропускается через систему, в которой пермеат отделяется и собирается с края тарелки. Длина канала может составлять 10–60 см, а высота канала – 0,5–1,0 мм. [8] Этот модуль обеспечивает малую задержку объема, относительно легкую замену мембраны и возможность подачи вязких растворов благодаря малой высоте канала, уникальной для этой конкретной конструкции. [18]
Технологические характеристики УФ-системы во многом зависят от типа используемой мембраны и ее применения. Спецификации производителей мембран обычно ограничивают процесс следующими типичными характеристиками: [19] [20] [21] [22]
При проектировании новой установки мембранного разделения или рассмотрении возможности ее интеграции в существующую установку необходимо учитывать множество факторов. Для большинства приложений можно применить эвристический подход для определения многих из этих характеристик, чтобы упростить процесс проектирования. Некоторые области дизайна включают в себя:
Обработка сырья перед мембраной необходима для предотвращения повреждения мембраны и минимизации последствий загрязнения, которые значительно снижают эффективность разделения. Типы предварительной обработки часто зависят от типа корма и его качества. Например, при очистке сточных вод проверяются бытовые отходы и другие твердые частицы. Другие типы предварительной обработки, общие для многих процессов УФ, включают балансировку pH и коагуляцию. [23] [24] Соответствующая последовательность каждого этапа предварительной обработки имеет решающее значение для предотвращения повреждения последующих этапов. Предварительную обработку можно даже использовать, просто используя точки дозирования.
В большинстве УФ-мембран используются полимерные материалы ( полисульфон , полипропилен , ацетат целлюлозы , полимолочная кислота ), однако керамические мембраны используются при высоких температурах. [ нужна цитата ]
Общее правило выбора размера пор в УФ-системе заключается в использовании мембраны с размером пор, равным одной десятой размера частиц, подлежащих сепарации. Это ограничивает количество более мелких частиц, попадающих в поры и адсорбирующихся на поверхности пор. Вместо этого они блокируют вход в поры, позволяя простой регулировкой скорости поперечного потока вытеснить их. [8]
Системы УФ могут работать как с поперечным, так и с тупиковым потоком. При тупиковой фильтрации поток исходного раствора перпендикулярен поверхности мембраны. С другой стороны, в системах с перекрестным потоком поток проходит параллельно поверхности мембраны. [25] Конфигурации с тупиковой конструкцией больше подходят для периодических процессов с низким содержанием взвешенных веществ, поскольку твердые частицы накапливаются на поверхности мембраны, поэтому требуется частая обратная промывка и очистка для поддержания высокого потока. Конфигурации с поперечным потоком являются предпочтительными при непрерывном производстве, поскольку твердые частицы непрерывно вымываются с поверхности мембраны, что приводит к более тонкому слою осадка и снижению сопротивления проникновению. [ нужна цитата ]
Скорость потока особенно важна для жесткой воды или жидкостей, содержащих взвеси, поскольку она предотвращает чрезмерное загрязнение. Более высокие скорости поперечного потока можно использовать для усиления эффекта вытеснения по поверхности мембраны, предотвращая тем самым осаждение макромолекул и коллоидного материала и уменьшая эффекты концентрационной поляризации. Однако для достижения этих условий необходимы дорогие насосы. [ нужна цитата ]
Во избежание чрезмерного повреждения мембраны рекомендуется эксплуатировать установку при температуре, указанной производителем мембраны. Однако в некоторых случаях температура выходит за пределы рекомендованного региона, чтобы свести к минимуму последствия загрязнения. [24] Экономический анализ процесса необходим для нахождения компромисса между возросшей стоимостью замены мембраны и производительностью разделения. [ нужна цитата ]
Падение давления при многоступенчатом разделении может привести к резкому снижению производительности флюса на последних стадиях процесса. Это можно улучшить, используя подкачивающие насосы для увеличения TMP на последних стадиях. Это повлечет за собой более высокие капитальные и энергетические затраты, которые будут компенсированы повышением производительности процесса. [24] При многоступенчатой операции потоки ретентата с каждой стадии рециркулируются через предыдущую стадию для повышения эффективности их разделения.
Для достижения потоков пермеата более высокой чистоты можно применять несколько последовательных ступеней. Благодаря модульной природе мембранных процессов несколько модулей могут быть расположены параллельно для обработки больших объемов. [26]
Последующая обработка потоков продуктов зависит от состава пермеата и ретентата, а также от его конечного использования или государственного регулирования. В таких случаях, как сепарация молока, оба потока (молоко и сыворотка) могут быть собраны и превращены в полезные продукты. Дополнительная сушка ретентата дает сывороточный порошок. В бумажной промышленности ретентат (небиоразлагаемый органический материал) сжигается для восстановления энергии, а пермеат (очищенная вода) сбрасывается в водные пути. Крайне важно, чтобы пермеат был сбалансирован по pH и охлаждался, чтобы избежать термического загрязнения водотоков и изменения его pH. [ нужна цитата ]
Очистка мембраны производится регулярно, чтобы предотвратить накопление загрязнений и обратить вспять отрицательное воздействие загрязнения на проницаемость и селективность.
В некоторых процессах регулярная обратная промывка часто проводится каждые 10 минут для удаления слоев осадка, образовавшихся на поверхности мембраны. [8] Создавая давление на поток пермеата и проталкивая его обратно через мембрану, можно удалить накопленные частицы, улучшая поток процесса. Обратная промывка ограничена в своей способности удалять более сложные формы загрязнения, такие как биообрастание, накипь или адсорбция на стенках пор. [27]
Для удаления этих типов загрязнений требуется химическая очистка. Распространенными типами химикатов, используемых для очистки, являются: [27] [28]
При разработке протокола очистки важно учитывать:
Время очистки . Необходимо обеспечить достаточное время для взаимодействия химических веществ с загрязнениями и проникновения в поры мембраны. Однако, если процесс продлится дольше оптимальной продолжительности, это может привести к денатурации мембраны и осаждению удаленных загрязнений. [27] Полный цикл очистки, включая полоскания между этапами, может занять до 2 часов. [29]
Агрессивность химической обработки . При высокой степени загрязнения может потребоваться использование агрессивных чистящих растворов для удаления загрязняющего материала. Однако в некоторых случаях это может оказаться неприемлемым, если материал мембраны чувствителен, что приводит к ускоренному старению мембраны.
Утилизация сточных вод очистки . Выброс некоторых химикатов в системы сточных вод может быть запрещен или регламентирован, поэтому это необходимо учитывать. Например, использование фосфорной кислоты может привести к попаданию высоких уровней фосфатов в водные пути, и это необходимо контролировать и контролировать для предотвращения эвтрофикации.
Краткое изложение распространенных типов загрязнений и соответствующих химических обработок [8]
Для увеличения срока службы мембранных систем фильтрации в мембранных биореакторных системах разрабатываются энергоэффективные мембраны. Была внедрена технология, которая позволяет снизить мощность, необходимую для аэрации мембраны для очистки, сохраняя при этом высокий уровень потока. Также были приняты процессы механической очистки с использованием гранулятов в качестве альтернативы традиционным формам очистки; это снижает потребление энергии, а также уменьшает площадь, необходимую для фильтрующих резервуаров. [30]
Свойства мембраны также были улучшены, чтобы уменьшить склонность к загрязнению за счет изменения свойств поверхности. Это можно отметить в биотехнологической промышленности, где поверхности мембран были изменены, чтобы уменьшить количество связывания белков. [31] Модули ультрафильтрации также были усовершенствованы, чтобы обеспечить возможность использования большего количества мембран на заданной площади без увеличения риска ее загрязнения за счет разработки более эффективных внутренних компонентов модуля.
В настоящее время для предварительной обработки десульфирования морской воды используются модули ультрафильтрации, которые разработаны так, чтобы выдерживать высокие температуры и давления, занимая при этом меньшую площадь. Каждый модульный резервуар является самонесущим, устойчивым к коррозии и позволяет легко снимать и заменять модуль без затрат на замену самого резервуара. [30]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |first=имеет общее имя ( справка )
СМИ, связанные с ультрафильтрацией, на Викискладе?