Hydrolab – Membrantekniker
Hydrolab – Membrantekniker
Membrantekniker gör det möjligt att separera föroreningar med partikel- och partikeldimensioner på molekyl- eller jonnivå. Dessa processer är nya, och deras snabba utveckling har observerats under de senaste åren. Framsteg inom forskning och utveckling av membrantekniker gör att deras tillämpning inom miljöskydd är tekniskt och ekonomiskt fördelaktig. Membranseparationsprocesser och reaktorer Membran är idag tekniker med ett brett spektrum av applikationer. Driftintegration membran med traditionell teknik eller utforma nya cykler baserade på membrantekniker, håller på att bli ett attraktivt område för forskningsteknik.
Tillämpning
För närvarande används fler och fler polymera och oorganiska membran, med en stor selektivitet och effektivitet och en hög grad av termisk, kemisk och kemisk resistens mekanisk, för avsaltning av havsvatten, avloppsrening, återvinning av värdefulla komponenter från avloppsvatten, samt separering av blandningar av föreningar organiska.
I allmänhet är varje membran ett filter och, som vid normal filtrering, kan minst en av komponenterna i den separerade blandningen passera obehindrat membran, medan andra hålls kvar av det.
Fig. 1. Jämförelse av tryckmetoder för membranprocesser när det gäller kvarhållande partiklar.
2. Uppdelning av tryckmembrantekniker
a) Mikrofiltrering – MF
Termen mikrofiltrering avser en process där partiklar med diametrar på 10-50 μm separeras från lösningsmedlet och lågmolekylära komponenter i lösningen. Separationsmekanismen är baserad på en siktmekanism och sker endast med partikeldiametrar. Vid mikrofiltrering används vanligen syntetiska mikroporösa membran med en pordiameter från 10 μm till 50 μm. Denna process gör det möjligt att separera vattenlösningar sockerarter, salter och även vissa proteiner som ett filtrat och lämna det i koncentrat de finaste partiklarna och kolloiderna. Processens drivkraft är en tryckskillnad på mellan 0,01 och 0,1 MPa. Det är allmänt accepterat att mikrofiltrering används inom industrin och i laboratoriet för avlägsnande, koncentration och rening av partiklar (partiklar) med en diameter större än 0,1 μm.
Mikrofiltreringsmembran kan framställas av organiska polymerer och oorganiska material (keramik, metaller, glas) med hjälp av följande produktionstekniker:
– modellering och sintring,
– sträckning av polymerfilmer,
– bombardering av polymerfilmer i kärnreaktorn,
– fasinversion.
Polymermembran är tillverkade av både hydrofoba polymerer och hydrofila. Keramiska membran framställs huvudsakligen av aluminiumoxid och dioxidzirkonium. För tillverkning av oorganiska membran används: glas, metaller (palladium, volfram) och sintrade material med kol.
b) Ultrafiltrering – UF
Ultrafiltrering är en process med relativt lågt tryck som utnyttjar porösa symmetriska eller asymmetriska membran med pordiametrar från 1 μm till 10 μm, vilket möjliggör flöde genom membranet, t.ex. sockerarter, salter, vatten, separering av proteiner och större partiklar. Det finns inget osmotiskt mottryck i ultrafiltreringsprocessen, och separationen baseras, precis som i mikrofiltrering, på den fysiska screeningen av partiklar, ämnen som är lösta eller kolloidala, genom ett membran med lämplig porositet.
Diffusionsprocesser spelar en liten roll i separationsmekanismen. Det applicerade trycket överstiger i allmänhet inte 1 MPa. Till skillnad från mikrofiltrering används asymmetriska membran i ultrafiltreringsprocessen. Ultrafiltrationsmembran är också grunden för den så kallade skelettbottenplattan med kompositmembran som används i andra membrantekniker som omvänd osmos, pervaporation och gasseparation. Ultrafiltrering används främst för att avlägsna, koncentrera och rena ämnen makromolekylära och kolloidala.
c) Nanofiltrering – NF
Vid nanofiltrering används membran som tillåter vissa joner att flöda, särskilt monovalenta, t.ex. natrium eller kalium. Nanofiltrering är en relativt ny process, som blev möjlig att genomföra efter att man utvecklat metoder för produktion av lämpliga membran. De tryck som används för nanofiltrering varierar mellan 1 och 3 MPa. Nanofiltrering används vanligtvis när man behöver avlägsna t.ex. proteiner, sockerarter och andra stora partiklar från en lösning och lämna kvar salter i filtratet. Hittills har nanofiltrering framgångsrikt använts i teknisk skala i processer för behandling av underjordiskt vatten och ytvatten, för avhärdning av processvatten.
d) Omvänd osmos – RO
Omvänd osmos används för att separera små molekyler (oorganiska salter, organiska föreningar med låg molekylvikt) från lösningsmedel. Det är nödvändigt att använda högre transmembrantryck än vid ultra- och mikrofiltrering, eftersom föreningar med låg molekylvikt har högre osmotiska tryck. Dessa tryck är mer beroende av koncentrationen än för lösningar av makromolekylära föreningar.
Naturlig osmos
Fenomenet omvänd osmos bygger på fenomenet naturlig osmos. I ett system där membranet separerar lösningen från lösningsmedlet eller två lösningar med olika koncentrationer, sker en spontan penetration av lösningsmedlet genom membranet mot en mer koncentrerad lösning. Externt tryck som balanserar det osmotiska flödet kallas osmotiskt tryck och är karakteristiskt för den givna lösningen.
Omvänd osmos
Om lösningssidan skapar ett hydrostatiskt tryck som överstiger det osmotiska trycket, kommer lösningsmedlet att tränga igenom från den mer koncentrerade lösningen till den utspädda, och därmed i motsatt riktning än i processen med naturlig osmos. Omvänd osmos föreslogs för denna process. Det används parallellt ibland namn hyperfiltrering. Omvänd osmos gör att lösningsmedlet (vatten) kan separeras från lösta ämnen, även med relativt låg molekylvikt, t.ex. salter och sockerarter. Separationsmekanismen är diffus. Arbetstrycken som används i den omvända osmosprocessen på grund av det höga värdet av osmotiska tryck hos de separerade lösningarna är höga och sträcker sig från 1 till 10 MPa.
Tillämpning
Omvänd osmos användes för första gången 1953 för avsaltning av havsvatten. Den introducerades i industrin först på 60-talet efter att Loeb och Sourirajan utvecklat en teknik för tillverkning i industriell skala av högpresterande, men selektiva, asymmetriska membran. Det är en process som separerar komponenter med låg molekylvikt (M <300). Diametern hos de separerade partiklarna och molekylerna kan variera från några få till ett tiotal angström (Ǻ). Partiklar och partiklar som hålls kvar av membranet leder till en ökad koncentration på denna sida av membranet, vilket i sin tur leder till en ökning av det osmotiska trycket, vilket minskar processens drivkraft.
Filtratflödet (permeatflödet) är möjligt när det yttre trycket (Δp) överstiger det osmotiska trycket (π).
π = C-RG-T
Beroende på koncentrationen av lösningen på båda sidor av membranet varierar det använda trycket mellan 0,3 och 10 MPa. Till skillnad från ett traditionellt filter kan omvänd osmos separera lösningskomponenter till ett molekylärt storleksintervall, vilket gör det konkurrenskraftigt med andra vattenreningsmetoder. Det är möjligt att kombinera membranenheter med klassiska kemitekniska processer, t.ex. jonbyte, destillation, kristallisation.
Principen för omvänd osmos visas i figur 2:
A – naturlig osmos
När ett perfekt semipermeabelt membran delar två lösningar med olika koncentrationer (C1, C2) uppstår en kemisk potentialskillnad Δμ på båda sidor av membranet. Det sker ett spontant flöde av lösningsmedel från lösningen med den lägre koncentrationen till lösningen med den högre koncentrationen (C1↑, C2↓), (Δp
B – Balansräkning
Vid jämvikt mellan dessa lösningar etableras en tryckskillnad av lika stor osmotisk tryckskillnad för båda lösningarna (C1, C2=konst.), (Δp=Δπ).
C – omvänd osmos
Om ett högre tryck Δp appliceras på en lösning med högre koncentration än vatten, kommer det att strömma in i lösningen med lägre koncentration, dvs. i motsatt riktning mot den osmotiska strömmen. Omvänd osmos äger då rum, vilket leder till koncentration av denna lösning och utspädning av lösningen på den motsatta sidans membran (C1↓, C2↑), (Δp>Δπ). Den drivande kraften i denna process är tryckskillnaden som är lika med: Δp – Δπ.
3. Begreppet membran
En gemensam egenskap hos alla membrantekniker är att separationsprocessen beror på närvaron av ett membran (fig. 2.). Under begreppet membran, enligt Recommended by Membrane-företaget, förstår vi fasen som separerar två andra faser, som fungerar som en passiv eller aktiv barriär för masstransport mellan dem. Enligt en annan, mer allmänt membran, det är internationellt tillåtande kontrollerad transport av en eller flera komponenter från en uppsättning fasta, vätska eller gas. Flödesriktning (kierunek), matningslösning (roztwór zasilający), retentat, drivkraft (siła napędowa), filtrat (filtrat).
4. Grundläggande parametrar för membranprocesser
Trots sin korta historia intar membranteknikerna en framskjuten position bland de populära separationsmetoderna. Effektiviteten vid användning av membran bestäms med hjälp av en av två parametrar: retentionshastighet eller selektivitet.
Gemensamt för alla semipermeabla membran som används i permeationsprocesser är den varierande masstransporthastigheten, som beror på typen av och värdena på de drivkrafter som omfattas av de fasseparerade komponenterna samt på membranets allmänna och kemiska egenskaper.
flödeshastighet
Lösningsvolymflöde jp[dm3/min*m3] annars är flödeshastigheten ett mått på membranprocessens intensitet. Det bestäms av volymen som passerar genom membranet som används under påverkan av drivkraften genom att använda membranets användbara yta och tillgänglig tid.
var:
VP – lösningsvolym,m3,
t – tid, s eller d, s lub d,
S – membranyta,m2.
Filtreringshastigheten [jP] och mängden löst ämne som passerar kan relateras till en ekvation där membranytan och arbetstiden är konstanta:
ds=jP*CsP
var:
ds – flöde av löst ämne, mol, mol/(m2*s),
CsP – koncentration av löst ämne i permeat, mol/m3
Effekten av separation av de komponenter som strömmar genom membranet beror på differentiering av deras transporthastighet och olika löslighet i membranmaterialet.
Separationsselektivitet α ABav två komponenter A och B som transporteras genom membranet uttrycker separationskoefficienten definierad av förhållandet mellan koncentrationsförhållandet (A) och (B) i permeat och retentat:
var:
CPA,CPB – koncentrationer av komponent A och B i permeatet,mol/m3,
CRA,CRB – koncentrationer av komponent A och B i retentatet, mol/m3
Avskiljningseffekten kan också bestämmas av retentionsfaktorn R, dvs. graden av retention (saltavstötning):
var:
CZ – koncentration av löst ämne i den separerade lösningen, mol/m3,
CP – koncentration av löst ämne i filtratet, mol/m3.
För att bedöma effektiviteten i permeationsprocessen används så kallad: grad Y konvertering (återvinning), definierad enligt följande:
var:
QP – permeatflöde,m3/s,
QZ – flöde för matningslösning,m3/s
5. Omvänd osmos
Mekanismen för masstransport genom membranet i RO-processen
Separationsmekanismen vid omvänd osmos beskriver upplösnings- och diffusionsmodellen. Denna modell utgår från att flödet av specifika komponenter genom kompakta polymermembran bestäms av deras upplösning i polymeren och diffusion. Modellen ignorerar påverkan mellan membranpolymeren och den diffunderande komponenten. Ingredienser diffunderar genom membranet under påverkan av en “termodynamisk stimulans”, dvs. en negativ gradient kemisk potential för denna komponent.
Omvänd osmos skiljer sig dock definitivt från andra tekniker av denna typ, t.ex. ultra- och mikrofiltrering. I MF- och UF-processer är grunden för separering sikteffekten. I RO förekommer denna effekt praktiskt taget inte.
Membran i RO-processen
Vid omvänd osmos används asymmetriska membran som är uppbyggda av en polymer och kompositmembran. Tjockleken på det aktiva skiktet är vanligtvis £ 1 mm, med permeabilitet som bestäms av det aktiva skiktet. För tillverkning av RO-membran används vanligtvis cellulosaestrar, främst cellulosadi- och triacetat, eftersom de har hydrofila egenskaper. Cellulosaacetat har låg termisk och mikrobiologisk resistens och hydrolyseras vid låga och höga pH-lösningar. Ett annat material för tillverkning av membran är aromatiska polyamider, som inte är särskilt resistenta mot fritt klor.
Den nya generationens RO-membran är kompositmembran där det aktiva skiktet och det nedre fästet är tillverkade av olika polymerer. Det nedre fästet är vanligtvis vanligt ultrafiltreringsmembran (polysulfon). Det aktiva skiktet är tillverkat av polymerer som: polyimider, polybenzimidazol, polybenzimidazolat, polyamidhydrazin.
Polymeren som membranet är tillverkat av och det epidermala skiktet av membranet för RO, för att säkerställa hög selektivitet:
– bör vara i glasartat tillstånd,
– bör vara mekaniskt starkt,
– polymerens molmassa bör vara tillräckligt hög och molmassans dispersion så låg som möjligt,
– bör ha hög hydrolytisk resistens (dvs.dvs. hydrolysbeständighet), så att membranets hållbarhet är 3-5 år,
– bör inte vara biologiskt nedbrytbart, – det bör vara motståndskraftigt mot klor och andra oxidationsmedel.
Användning av omvänd osmos
Från de tillgängliga möjligheterna att använda omvänd osmos, tillämpningar som specifikt definieras av utvecklingen av de ovan angivna riktningarna, är de mest relevanta följande
– avsaltning av saltvatten och bräckt vatten,
– täcka gruvvatten,
– erhålla sköljvatten i fotografering för att återvinna silver,
– återvinning av soda från dräneringsvatten från en kolgruva,
– avloppsrening från textilfärgningsanläggningar,
– inkludera massatvätt,
– inkludera vatten från deponier,
– vattenavhärdning,
– omfamna sulfitlut,
– ta hänsyn till avloppsvatten som används lösningsmedel.
