Hydrolab – Membranteknikker
Hydrolab – Membranteknikker
Membranteknikker gør det muligt at adskille urenheder med partikel- og partikeldimensioner på molekylært eller ionisk niveau. Disse processer er nye, og deres hurtige udvikling er blevet observeret i de senere år. Fremskridt inden for forskning og udvikling af membranteknikker gør deres anvendelse inden for miljøbeskyttelse virkelig teknisk og økonomisk fordelagtig. Membranseparationsprocesser og -reaktorer Membraner er i dag teknikker med en bred vifte af anvendelsesmuligheder. Integration af membraner med traditionelle teknologier eller design af nye cyklusser baseret på membranteknikker er ved at blive et attraktivt forskningsområde.
Anvendelse
I øjeblikket bruges flere og flere polymer- og uorganiske membraner med en stor selektivitet og effektivitet og en høj grad af termisk, kemisk og kemisk modstandsdygtighed mekanisk til afsaltning af havvand, spildevandsrensning, genvinding af værdifulde komponenter fra spildevand samt adskillelse af blandinger af organiske forbindelser.
Generelt er hver membran et filter, og som ved normal filtrering kan mindst en af komponenterne i den adskilte blanding passere uhindret gennem membranen, mens andre tilbageholdes af den.
Fig. 1. Sammenligning af trykmetoder for membranprocesser med hensyn til tilbageholdelse af partikler.
2. Opdeling af trykmembranteknikker
a) Mikrofiltrering – MF
Udtrykket mikrofiltrering henviser til en proces, hvor partikler med en diameter på 10-50 μm adskilles fra opløsningsmidlet og komponenter med lav molekylvægt i opløsningen. Mekanismen er baseret på en sigtemekanisme og sker kun ved hjælp af partikeldiametre. Mikrofiltrering syntetiske mikroporøse membraner bruges generelt porediameter fra 10 μm til 50 μm. Denne proces gør det muligt at adskille vandige opløsninger, sukker, salte og også nogle proteiner som et filtrat, der efterlader de fineste partikler og kolloider i et koncentrat. Processens drivkraft er trykforskellen på 0,01 til 0,1 MPa. Det er generelt accepteret, at mikrofiltrering bruges i industrien og i laboratoriet til fjernelse, koncentration og rensning af partikler (partikler) med en diameter på mere end 0,1 μm.
Mikrofiltreringsmembraner kan fremstilles af organiske polymerer og uorganiske materialer (keramik, metaller, glas) ved hjælp af følgende produktionsteknikker:
– modellering og sintring,
– strækning af polymerfilm,
– bombardement af polymerfilm i atomreaktoren,
– faseinversion.
Polymermembraner er lavet af både hydrofobe og hydrofile polymerer. Keramiske membraner fremstilles hovedsageligt af aluminiumoxid og zirkoniumdioxid. Til fremstilling af uorganiske membraner bruges: glas, metaller (palladium, wolfram) og sintrede materialer med kulstof.
b) Ultrafiltrering – UF
Ultrafiltrering er en relativt lavtryksudnyttende proces med porøse symmetriske eller asymmetriske membraner med porediametre fra 1 μm til 10 μm, der tillader strømning gennem membranen af f.eks. sukker, salte og vand, og som adskiller proteiner og større partikler. Der er ikke noget osmotisk modtryk i ultrafiltreringsprocessen, og separationen er ligesom i mikrofiltrering baseret på den fysiske screening af partikler, opløste eller kolloide stoffer, gennem en membran med passende porøsitet.
Diffusionsprocesser spiller en lille rolle i separationsmekanismen. Det anvendte tryk overstiger generelt ikke 1 MPa. I modsætning til mikrofiltrering anvendes der i ultrafiltreringsprocessen asymmetriske membraner. Ultrafiltreringsmembraner er også grundlaget for det såkaldte skeletbundbeslag med kompositmembraner, der bruges i andre membranteknikker som omvendt osmose, pervaporation og gasudskillelse. Ultrafiltrering bruges primært til at fjerne, koncentrere og rense makromolekylære og kolloide stoffer.
c) Nanofiltrering – NF
Membraner, der tillader nogle ioner at strømme, bruges til nanofiltrering, især monovalente, f.eks. natrium eller kalium. Nanofiltrering er en relativt ny proces, som blev mulig at implementere efter udvikling af metoder til produktion af egnede membraner. De tryk, der bruges til nanofiltrering, varierer mellem 1 og 3 MPa. Nanofiltrering bruges normalt, når det er nødvendigt at fjerne f.eks. proteiner, sukker og andre store partikler fra en opløsning og efterlade salte i filtratet. Indtil videre er nanofiltrering blevet brugt med succes i teknisk skala i underjordiske og overfladiske vandbehandlingsprocesser til blødgøring af procesvand.
d) Omvendt osmose – RO
Omvendt osmose bruges til at adskille små molekyler (uorganiske salte, organiske forbindelser med lav molekylvægt) fra opløsningsmiddel. Det er nødvendigt at bruge højere transmembrantryk end ved ultra- og mikrofiltrering, fordi forbindelser med lav molekylvægt har højere osmotisk tryk. Disse tryk afhænger mere af koncentrationen end for opløsninger af makromolekylære forbindelser.
Naturlig osmose
Fænomenet omvendt osmose er baseret på fænomenet naturlig osmose. I et system, hvor membranen adskiller opløsningen fra opløsningsmidlet eller to opløsninger med forskellige koncentrationer, sker der en spontan indtrængning af opløsningsmidlet gennem membranen i retning af en mere koncentreret opløsning. Det eksterne tryk, der afbalancerer det osmotiske flow, kaldes det osmotiske tryk og er karakteristisk for den givne opløsning.
Omvendt osmose
Hvis opløsningssiden skaber et hydrostatisk tryk, der overstiger det osmotiske tryk, vil opløsningsmidlet trænge igennem fra den mere koncentrerede opløsning til den fortyndede, og dermed i den modsatte retning end i processen med naturlig osmose. Omvendt osmose blev foreslået til denne proces. Den bruges parallelt og kaldes nogle gange hyperfiltrering. Omvendt osmose gør det muligt at adskille opløsningsmidlet (vand) fra opløste stoffer, selv med relativt lav molekylvægt, f.eks. salte og sukkerarter. Adskillelsesmekanismen er diffus. Arbejdstrykket i den omvendte osmoseproces er højt og ligger mellem 1 og 10 MPa på grund af det høje osmotiske tryk i de adskilte opløsninger.
Anvendelse
Omvendt osmose blev første gang brugt i 1953 til afsaltning af havvand. Den blev først introduceret i industrien i tresserne, efter at Loeb og Sourirajan udviklede en teknologi til fremstilling i industriel skala af højtydende, men selektive, asymmetriske membraner. Det er en proces til adskillelse af komponenter med lav molekylvægt (M <300). Diameteren af de adskilte partikler og molekyler kan variere fra nogle få til omkring et dusin angström (Ǻ). Partikler og partikler, der tilbageholdes af membranen, fører til en stigning i koncentrationen på denne side af membranen, hvilket igen medfører en stigning i det osmotiske tryk, som reducerer drivkraften i processen.
Filtratstrømmen (permeatstrømmen) er mulig, når det eksterne tryk (Δp) overstiger det osmotiske tryk (π).
π = C-RG-T
Afhængigt af koncentrationen af opløsningen på begge sider af membranen varierer det anvendte tryk fra 0,3 – 10 MPa. I modsætning til et traditionelt filter kan omvendt osmose adskille opløsningskomponenter ned til en molekylær størrelse, hvilket gør den konkurrencedygtig med andre vandrensningsmetoder. Det er muligt at kombinere membranenheder med klassiske kemitekniske processer, f.eks. ionbytning, destillation og krystallisering.
Essensen af omvendt osmose er vist i figur 2:
A – naturlig osmose
Når en perfekt semipermeabel membran deler to opløsninger med forskellige koncentrationer (C1, C2), opstår der en kemisk potentialeforskel Δμ på begge sider af membranen. Der sker en spontan strømning af opløsningsmiddel fra opløsningen med den lavere koncentration til opløsningen med den højere koncentration (C1↑, C2↓), (Δp
B – Balance
Ved ligevægt mellem disse opløsninger etableres en trykforskel på lige stor osmotisk trykforskel for begge opløsninger (C1, C2=konst.), (Δp=Δπ).
C – omvendt osmose
Hvis der påføres et højere tryk Δp på en opløsning med en højere koncentration end vand, vil det strømme ind i opløsningen med en lavere koncentration, dvs. i den modsatte retning af den osmotiske strøm. Omvendt osmose finder derefter sted, hvilket fører til koncentration af denne opløsning og fortynding af opløsningen på den modsatte side af membranerne (C1↓, C2↑), (Δp>Δπ). Drivkraften i denne proces er trykforskellen, der er lig med: Δp – Δπ.
3. Begrebet membran
Et fælles træk ved alle membranteknikker er, at separationsprocessen skyldes tilstedeværelsen af en membran (fig. 2). Under begrebet membraner forstår vi ifølge Recommended by Membrane company den fase, der adskiller to andre faser, og som fungerer som en passiv eller aktiv barriere for massetransport mellem dem. Ifølge en anden, mere generel membran er det internationalt muligt at kontrollere transporten af en eller flere komponenter fra et sæt af fast stof, væske eller gas. Strømningsretning (kierunek), fødeopløsning (roztwór zasilający), retentat, drivkraft (siła napędowa), filtrat (filtrat).
4. Grundlæggende parametre for membranprocesser
På trods af deres korte anvendelseshistorie indtager membranteknikker en høj position blandt de populære separationsmetoder i dag. Effektiviteten ved brug af membraner bestemmes ved hjælp af en af to parametre: mulig tilbageholdelseshastighed eller selektivitet.
Et fælles træk for alle leverandører af semipermeable membraner i permeationsprocesser er varierende massetransporthastighed, som afhænger af typen og værdierne af de drivkræfter, der dækkes på basis af faseseparerede komponenter og af membranens generelle og kemiske egenskaber.
Gennemstrømningshastighed
Solution volume flow jp[dm3/min*m3] ellers er flux rate et mål for intensiteten af membranprocessen. Den bestemmes af det volumen, der passerer gennem den anvendte membran under påvirkning af drivkraften ved at bruge membranens anvendelige areal og den tilgængelige tid.
hvor:
VP – opløsningsvolumen,m3,
t – tid, s eller d, s lub d,
S – membranoverflade,m2.
Filtreringshastigheden [jP] og mængden af opløst stof, der passerer igennem, kan relateres til en ligning, hvor membranoverfladen og arbejdstiden er konstant:
ds=jP*CsP
hvor:
ds – flow af opløst stof, mol, mol/(m2*s),
CsP – koncentration af opløst stof i permeat, mol/m3
Effekten af adskillelse af de komponenter, der strømmer gennem membranen, skyldes differentiering af deres transporthastighed og forskellig opløselighed i membranmaterialet.
Separationsselektivitet α ABaf to komponenter A og B, der transporteres gennem membranen, udtrykker separationskoefficienten defineret ved forholdet mellem koncentrationsforholdet (A) og (B) i permeat og retentat:
hvor:
CPA,CPB – koncentrationer af komponent A og B i permeatet,mol/m3,
CRA,CRB – koncentrationer af komponent A og B i retentatet, mol/m3
Adskillelseseffekten kan også bestemmes af retentionsfaktoren R, dvs. graden af tilbageholdelse (saltafvisning):
hvor:
CZ – koncentration af opløst stof i den separerede opløsning, mol/m3,
CP – koncentration af opløst stof i filtrat, mol/m3.
For at vurdere effektiviteten af permeationsprocessen bruges såkaldt: grad Y konvertering (genvinding), defineret som følger:
hvor:
QP – permeatflowhastighed,m3/s,
QZ – flowhastighed for fødeopløsning,m3/s
5. Omvendt osmose
Mekanismen for massetransport gennem membranen i RO-processen
Adskillelsesmekanismen i omvendt osmose beskriver opløsnings- og diffusionsmodellen. Denne model antager, at strømmen af specifikke komponenter gennem kompakte polymermembraner bestemmes af deres opløsning i polymeren og diffusion. Modellen ignorerer påvirkningen mellem membranpolymeren og den diffunderende komponent. Ingredienser diffunderer gennem membranen under indflydelse af en “termodynamisk stimulus”, dvs. en negativ gradient i det kemiske potentiale for denne komponent.
Omvendt osmose adskiller sig dog markant fra andre teknikker af denne type, som f.eks. ultra- og mikrofiltrering. I MF- og UF-processer er grundlaget for separation sigteeffekten. I mellemtiden forekommer denne effekt praktisk talt ikke i RO.
Membraner i RO-processen
I processen med omvendt osmose bruges asymmetriske membraner konstrueret af en polymer og kompositmembraner. Tykkelsen af det aktive lag er normalt £ 1 mm, og permeabiliteten bestemmes af det aktive lag. Til fremstilling af RO-membraner anvendes normalt celluloseestere, primært cellulosediacetat og -triacetat, fordi de har hydrofile egenskaber. Celluloseacetat har lav termisk og mikrobiologisk resistens og hydrolyseres ved lav og høj pH-opløsning. Et andet materiale til fremstilling af membraner er aromatiske polyamider, som ikke er særlig modstandsdygtige over for frit klor.
Den nye generation af RO-membraner er kompositmembraner, hvor det aktive lag og bundbeslaget er lavet af forskellige polymerer. Bundbeslaget er normalt en almindelig ultrafiltreringsmembran (polysulfon). Det aktive lag er lavet af polymerer som: polyimider, polybenzimidazol, polybenzimidazolat, polyamidhydrazin.
Polymeren, som membranen er lavet af, og det epidermale lag af membranen til RO, for at sikre høj selektivitet:
– skal være i glasagtig tilstand,
– den skal være mekanisk stærk,
– polymerens molære masse skal være høj nok og den molære massedispersion mindst mulig,
– skal have høj hydrolytisk modstand (dvs. hydrolysebestandighed), så membranens holdbarhed er 3-5 år, – skal ikke være biologisk nedbrydelig, – den skal være modstandsdygtig over for klor og oxidanter.dvs. hydrolysebestandighed), så membranens holdbarhed er 3-5 år,
– bør ikke være biologisk nedbrydelig, – den bør være modstandsdygtig over for klor og andre oxidanter.
Brugen af omvendt osmose
Ud af de mange muligheder for at bruge omvendt osmose er de mest relevante anvendelser specifikt defineret af udviklingen af de ovenfor specificerede retninger, bl.a:
– afsaltning af saltvand og brakvand,
– dække minevand,
– opnåelse af skyllevand i fotografering for at genvinde sølv,
– genvinding af soda fra dræningsvand fra en kulmine,
– spildevandsbehandling fra tekstilfarvningsanlæg,
– inkluderer vask af papirmasse,
– inkluderer vand fra lossepladser,
– blødgøring af vand,
– omfavner sulfitlud,
– under hensyntagen til spildevand, der bruges opløsningsmidler.
