Klasifikácia membránovej separácie: Šesť šošoviek na výber správnej membrány

Membránová separácia rozdeľuje prívod na permeát a retentát všade tam, kde je potrebné regenerovať alebo odstrániť vodu, chemikálie, potravinové prísady, liečivá alebo kovy. Objavuje sa pri odsoľovaní, opätovnom použití vody, mliekarenstve, ultračistej vode, hydrometalurgii a získavaní rozpúšťadiel. Napriek tomu "membránová separácia" opisuje rodinu procesov, nie jeden produkt. Dva prvky s podobnými krytmi sa môžu líšiť v polyméri, veľkosti pórov, povrchovom náboji, hnacej sile a balení. Preto hľadanie „najlepšej membrány“ pomáha len málokedy.

Klasifikácia membránových separácií zoskupuje tieto procesy podľa otázky, na ktorú odpovedajú: čo je produkt, z čoho je membrána vyrobená, čo poháňa dopravu, ako tesný je rez, ako je štruktúrovaná bariéra a ako je balená. Šesť šošoviek nižšie predstavuje doplnkové zobrazenia jednej špecifikácie; používané postupne, zužujú preplnený trh na krátky zoznam, ktorý stojí za to vyskúšať.

                              ----Čo musí odísť a čo musí zostať?

Prvým objektívom je ekonomika procesu. Ak je produktom permeát, úlohou je čistenie: voda prechádza, zatiaľ čo soli, koloidy alebo organické látky sa zadržiavajú. Reverzná osmóza pre ultračistú vodu je najjasnejším príkladom. Ak je produktom retentát, úlohou je koncentrácia: voda odchádza ako permeát, zatiaľ čo cenné alebo problematické druhy zostávajú pozadu. Membrána, ktorá koncentruje prúd nesúci kov, je koncentračná membrána, aj keď jej polymér a póry pripomínajú NF.

Ak majú oba prúdy hodnotu, úlohou je oddelenie. Ak je cieľom úzka frakcia medzi dvoma medznými hodnotami, úlohou je extrakcia: materiál prejde voľnejšou membránou, ale je zadržaný užšou membránou, takže produkt je frakciou medzi týmito dvoma limitmi. Každý štítok mení metriku. Purifikácia sa posudzuje podľa kvality permeátu, koncentrácie na regeneráciu a silu retentátu a separácie v oboch prúdoch.

Špeciálne membrány YIME ukazujú, ako jedna technológia mení úlohu. Jeho membrána z drahého kovu zachováva kovové hodnoty v koncentráte, takže funguje ako koncentračná membrána. Jeho membrána reverznej osmózy je navrhnutá okolo permeátu – čistej vody – ide teda o čistiacu membránu. Rôzne produkty, rôzne metriky.

----Organické, anorganické a kovové

Druhým objektívom je chémia. Organické membrány využívajú polyméry ako polysulfón (PSf), polypropylén (PP), polyakrylonitril (PAN), polyvinylidénfluorid (PVDF), polyétersulfón (PES), acetát celulózy (CA), aromatický polyamid a polyamid na báze piperazínu. Dominujú pri úprave vody, pretože sú lacné, balia sa do veľkoplošných modulov a bežia pri nižších tlakoch ako keramika.Ich limity sú praktické: oxidanty, rozpúšťadlá, extrémne pH alebo teplo napadajú polymér; mechanická pevnosť je obmedzená; a čistenie okien sú užšie.

Anorganické membrány sú typicky keramické, sklenené alebo silikáty so selektívnymi vrstvami oxidu hlinitého, zirkónu, titánu alebo oxidu kremičitého. Znášajú vysoké teploty, agresívne čistenie a drsné chemikálie a dajú sa ťažko spätne preplachovať. Výmenou za to sú ťažšie, drahšie, krehké pri tepelnom šoku a majú menšiu plochu na jednotku objemu. Kovové membrány sú menšou skupinou: husté paládiové zliatiny oddeľujú vodík a porézna nehrdzavejúca oceľ slúži ako nosič. Membrány z oxidu kovu sú zvyčajne zoskupené s keramikou.

Rodiny sa zbližujú. Organické membrány získavajú nabité povlaky, plnivá so zmiešanou matricou a kompozitné vrstvy; keramika získava tenšie vrstvy a vyššiu hustotu balenia. Aromatický polyamid stále dominuje v reverznej osmóze, zatiaľ čo NF, UF a MF ponúkajú viac polymérov a povrchovej chémie. Táto odroda umožňuje membráne prispôsobiť sa povinnosti, nie vyberanej podľa veľkosti pórov.

Nanofiltračná linka YIME je príkladom: vychádzajúc z nanofiltračného substrátu, spoločnosť používa viacrozmernú stratégiu koordinácie medzi vrstvami na vyladenie separácie medzi monovalentnými a divalentnými iónmi kovov. Žiadny jednotlivý polymér nie je univerzálne lepší; chémia môže byť vytvorená okolo problému separácie.

---Čo tlačí na oddelenie?

Každý membránový proces potrebuje gradientový tlak, parciálny tlak, osmotický tlak, koncentráciu, elektrický potenciál alebo teplotu. Tento gradient určuje vybavenie, energiu a režim znečistenia viac ako veľkosť pórov.

Procesy poháňané tlakom sú známe, ale nie celá rodina. Elektrodialýza využíva iónomeničové membrány a elektrické pole na odstránenie nabitých častíc bez pevného polyméru.Membránadestilácia prechádza vodnou parou cez hydrofóbnu membránu, takže môže spracovávať soľné roztoky, ktoré by zanášali RO. Dopredná osmóza používa osmotický gradient namiesto pumpy, hoci stále potrebuje regeneráciu roztoku. Membrána, ktorá vyniká pod tlakom, môže byť pri inom gradiente irelevantná.

PreYIME-AgR100-8040 Membrána na koncentráciu strieborných iónovhnacou silou je tlak: 2,5 MPa (363 psi). To ju stavia na vysokotlakový koniec nanofiltrácie, bližšie k reverznej osmóze ako k nízkotlakovej ultrafiltrácii. Tlak vyplýva z tesného rezu 100 Da a potreby prekonať osmotický tlak a polarizáciu koncentrácie v prúdoch koncentrovaného kyanidu.

---Z MF do RO, s obchádzkami

SeParation precision je najpoužívanejší a najviac zjednodušený objektív. Mikrofiltrácia (MF) odstraňuje suspendované pevné látky, baktérie a riasy pri 0,1–10 µm. Ultrafiltrácia (UF)pracuje pri približne 1–100 nm, pričom zadržiava koloidy, proteíny, oleje a makromolekuly. Nanofiltrácia (NF) je približne 0,5–2 nm, odmieta mnoho multivalentných iónov a malých organických látok a prepúšťa niektoré monovalentné ióny. Reverzná osmóza (RO) je prísnejšia, odmieta väčšinu rozpustených iónov pri prechode vodou. 

Tieto rozsahy sú orientačné. Skutočná retencia závisí od náboja, hydrofilnosti, morfológie, koncentrácie krmiva, pH, teploty a testovacej metódy molekulovej hmotnosti (MWCO). MWCO je zvyčajne priradené neutrálnym sondám, takže nemôže samo o sebe predpovedať odmietnutie nabitého iónu. Dve "NF" membrány sa môžu na tej istej soľanke správať veľmi odlišne. 

ED, EDI a MD sa objavujú v rovnakej tabuľke, pretože ich kupujúci porovnávajú vedľa seba, ale nie sú to bratranci s veľkosťou pórov. ED a EDI využívajú elektrický potenciál; MD využíva teplotný gradient.

---Čo prezrádza prierez

Membránová štruktúra popisuje, ako je bariéra postavená. Symetrická membrána je vo svojej hrúbke zhruba rovnomerná. Asymetrická membrána má tenkú selektívnu vrstvu na otvorenejšom nosiči rovnakého polyméru. Tenkovrstvový kompozit (TFC) ide ešte ďalej: ultratenká selektívna vrstva je nanesená na porézny podklad, takže chémiu bariéry a mechaniku podpory možno optimalizovať nezávisle. Väčšina RO a mnoho NF membrán sú z tohto dôvodu kompozitné. 

Štruktúra tiež pokrýva pórovitosť a povrchovú chémiu. MF a UF membrány sú porézne; RO membrány sú husté a spoliehajú sa na difúziu roztoku, nie na preosievanie. NF sedí medzi nimi, s pórmi dostatočne malými, že záleží na náboji a dielektrických efektoch. Nabité membrány so zmiešanou matricou a medzivrstvy ladené membrány sa snažia oddeliť selektivitu od permeability. Prierez určuje kompromis medzi tokom, odmietnutím, znečistením a pevnosťou. Kompozit s vysokým tokom môže zlyhať, ak krmivo obsahuje abrazíva alebo ak čistiace prostriedky napadnú medzivrstvu. Keramická membrána môže vyhovovať prevádzke s vysokým obsahom pevných látok a vysokej teplote aj pri nižšom toku.

---Ako je membrána zabalená

Konečná šošovka je modul, ktorý premení plochú membránu na prvok. Špirálovo vinuté moduly rolujú ploché listy okolo permeátovej trubice, pričom rozpery vytvárajú prietokové kanály. Ponúkajú vysokú hustotu balenia, predvídateľné zväčšenie a nižšie náklady na meter štvorcový, a preto dominujú v RO a NF. Moduly z dutých vlákien používajú tisíce jemných vlákien pre veľkú plochu na objem, ale ľahko sa zanášajú a sú často premývané. Rúrkové moduly zvládajú veľké množstvo pevných látok a viskóznych prívodov, ale zaberajú menšiu plochu. Doskové a rámové moduly sa ľahko čistia a vyhovujú malým, špinavým alebo vysoko hodnotným tokom. Keramické monolity kombinujú mnoho kanálov v jednom bloku pre náročné chemické a tepelné úlohy.

YIME-AgR100-8040 používa špirálovo vinutý prvok 8040 s priemerom 8,0 palcov, dĺžkou 40 palcov a 400 ft² (37,2 m²). Tento formát sa zmestí do čistého, predfiltrovaného, ​​vysokotlakového prúdu a zbalí oblasť do štandardnej nádoby. Nie je vhodný pre krmivá s veľkými pevnými látkami alebo vysokým obsahom nečistôt; rúrkové alebo doskové konštrukcie môžu byť robustnejšie pri vyšších investičných nákladoch.

Štruktúra prvkov spôsobuje pilotné prekvapenia. Membrána, ktorá funguje dobre v teste s plochým listom, môže stratiť tok v špirálovite navinutom prvku, keď sa rozpera podávača zašpiní, pokles tlaku stúpa alebo prietok koncentrátu je príliš nízky. Maximálny diferenčný tlak a minimálny pomer koncentrátu k permeátu si preto zaslúžia rovnakú pozornosť ako odmietnutie. Definujú hydraulickú obálku, v ktorej sa testovacie údaje stávajú výkonnosťou.