Clasificarea de separare a membranei: șase lentile pentru alegerea membranei potrivite

Separarea prin membrană împarte un furaj în permeat și retentat oriunde trebuie recuperate sau îndepărtate apa, substanțele chimice, ingredientele alimentare, produsele farmaceutice sau metalele. Apare în desalinizare, reutilizarea apei, lactate, apă ultrapură, hidrometalurgie și recuperarea solvenților. Cu toate acestea, „separarea prin membrană” descrie o familie de procese, nu un singur produs. Două elemente cu carcase similare pot diferi în ceea ce privește polimerul, dimensiunea porilor, încărcarea suprafeței, forța motrice și ambalajul. De aceea, căutarea „cea mai bună membrană” rareori ajută.

Clasificarea prin separare prin membrană grupează aceste procese după întrebarea la care răspund: ce este produsul, din ce este alcătuită membrana, ce determină transportul, cât de strânsă este tăierea, cum este structurată bariera și cum este ambalată. Cele șase lentile de mai jos sunt vederi complementare ale unei specificații; folosite în succesiune, ele restrâng o piață aglomerată la o listă scurtă care merită testată.

                              ----Ce trebuie să plece și ce trebuie să rămână?

Prima lentilă este economia proceselor. Dacă produsul este permeatul, treaba este purificarea: apa trece în timp ce sărurile, coloizii sau substanțele organice sunt reținute. Osmoza inversă pentru apa ultrapură este cel mai clar exemplu. Dacă produsul este retentatul, treaba este concentrarea: apa pleacă ca permeat, în timp ce speciile valoroase sau problematice rămân în urmă. O membrană care concentrează un curent purtător de metal este o membrană de concentrare, chiar dacă polimerul și porii ei seamănă cu NF.

Dacă ambele fluxuri au valoare, munca este separarea. Dacă ținta este o fracțiune îngustă între două limite, treaba este extracția: materialul trece printr-o membrană mai slăbită, dar este reținut de una mai strânsă, astfel încât produsul este fracția dintre cele două limite. Fiecare etichetă modifică valoarea. Purificarea este evaluată în funcție de calitatea permeatului, concentrarea pe recuperare și rezistența retentatului și separarea pe ambele fluxuri.

Membranele de specialitate YIME arată cum o tehnologie își schimbă rolul. Membrana sa de metal prețios păstrează valorile de metal în concentrat, așa că funcționează ca o membrană de concentrare. Membrana sa de osmoză inversă este proiectată în jurul permeatului - apă pură - deci este o membrană de purificare. Produse diferite, valori diferite.

---- Organice, anorganice și metalice

A doua lentilă este chimia. Membranele organice folosesc polimeri precum polisulfonă (PSf), polipropilenă (PP), poliacrilonitril (PAN), fluorură de poliviniliden (PVDF), polietersulfonă (PES), acetat de celuloză (CA), poliamidă aromatică și poliamidă pe bază de piperazină. Ele domină tratarea apei, deoarece sunt ieftine, se împachetează în module cu suprafață mare și funcționează la presiuni mai mici decât ceramica.Limitele lor sunt practice: oxidanții, solvenții, pH-ul extrem sau căldura atacă polimerul; rezistența mecanică este limitată; iar geamurile de curățare sunt mai înguste.

Membranele anorganice sunt de obicei ceramice, sticlă sau silicați, cu straturi selective de alumină, zirconiu, titan sau silice. Aceștia tolerează temperaturile ridicate, curățarea agresivă și substanțele chimice dure și pot fi spălați puternic. În schimb, ele sunt mai grele, mai costisitoare, fragile sub șoc termic și au o suprafață mai mică pe unitate de volum. Membranele metalice sunt un grup mai mic: aliajele dense de paladiu separă hidrogenul, iar oțelul inoxidabil poros servește ca suport. Membranele de oxid de metal sunt de obicei grupate cu ceramica.

Familiile converg. Membranele organice obțin acoperiri încărcate, umpluturi cu matrice mixtă și straturi compozite; ceramica capătă straturi mai subțiri și o densitate mai mare de ambalare. Poliamida aromatică încă domină osmoza inversă, în timp ce NF, UF și MF oferă mai mulți polimeri și chimii de suprafață. Această varietate permite ca o membrană să fie adaptată unei sarcini, nu aleasă de dimensiunea porilor.

Linia de nanofiltrare YIME este un exemplu: pornind de la un substrat de nanofiltrare, compania folosește o strategie de coordonare interstrat multidimensională pentru a regla separarea dintre ionii metalici monovalenți și bivalenți. Niciun polimer nu este universal mai bun; chimia poate fi concepută în jurul unei probleme de separare.

---Ce împinge separarea?

Fiecare proces membranar are nevoie de un gradient de presiune, presiune parțială, presiune osmotică, concentrație, potențial electric sau temperatură. Acest gradient determină echipamentul, energia și modul de murdărie mai mult decât dimensiunea porilor.

Procesele determinate de presiune sunt familiare, dar nu întreaga familie. Electrodializa folosește membrane schimbătoare de ioni și un câmp electric pentru a îndepărta speciile încărcate fără un polimer strâns.Membranădistilarea trece vaporii de apă printr-o membrană hidrofobă, astfel încât poate trata saramură care ar murdări RO. Osmoza directă folosește un gradient osmotic în loc de o pompă, deși încă are nevoie de recuperarea soluției de extragere. O membrană care excelează sub presiune poate fi irelevantă sub alt gradient.

PentruMembrană de concentrare a ionilor de argint YIME-AgR100-8040, forța motrice este presiunea: 2,5 MPa (363 psi). Asta îl plasează la capătul de înaltă presiune al nanofiltrației, mai aproape de osmoza inversă decât de ultrafiltrarea de joasă presiune. Presiunea rezultă din tăierea strânsă de 100 Da și din necesitatea depășirii presiunii osmotice și a polarizării concentrației în fluxurile concentrate de cianură.

---Din MF la RO, Cu Ocoliri

SePrecizia parametrilor este cea mai utilizată lentilă și cea mai simplificată. Microfiltrarea (MF) îndepărtează solidele în suspensie, bacteriile și algele la 0,1-10 µm. ultrafiltrare (UF)operează la aproximativ 1–100 nm, reținând coloizi, proteine, uleiuri și macromolecule. Nanofiltrarea (NF) se află la aproximativ 0,5-2 nm, respinge mulți ioni multivalenți și organice mici și trece unii ioni monovalenți. Osmoza inversă (RO) este mai strânsă, respingând majoritatea ionilor dizolvați în timp ce trece apa. 

Aceste intervale sunt orientative. Retenția reală depinde de sarcină, hidrofilitate, morfologie, concentrația de alimentare, pH, temperatură și metoda de testare a limitei greutății moleculare (MWCO). MWCO este de obicei atribuit cu sonde neutre, deci nu poate prezice prin el însuși respingerea unui ion încărcat. Două membrane „NF” se pot comporta foarte diferit pe aceeași saramură. 

DE, EDI și MD apar în același tabel deoarece cumpărătorii le compară unul lângă altul, dar nu sunt veri de dimensiunea porilor. ED și EDI folosesc potențial electric; MD folosește un gradient termic.

---Ce dezvăluie secțiunea transversală

Structura membranei descrie modul în care este construită bariera. O membrană simetrică este aproximativ uniformă prin grosimea sa. O membrană asimetrică are o piele subțire selectivă pe un suport mai deschis al aceluiași polimer. Un compozit cu peliculă subțire (TFC) merge mai departe: un strat selectiv ultrasubțire este acoperit pe un suport poros, astfel încât chimia barierei și mecanica suportului pot fi optimizate independent. Majoritatea membranelor RO și multe NF sunt compozite din acest motiv. 

Structura acoperă, de asemenea, porozitatea și chimia suprafeței. Membranele MF și UF sunt poroase; Membranele RO sunt dense și se bazează pe soluție-difuzie, nu pe cernere. NF se află între ele, cu pori suficient de mici încât încărcarea și efectele dielectrice să conteze. Membranele încărcate, cu matrice mixtă și reglate între straturi încearcă să decupleze selectivitatea de permeabilitate. Secțiunea transversală stabilește compromisul între flux, respingere, murdărire și rezistență. Un compozit cu flux mare poate eșua dacă alimentarea conține abrazivi sau dacă agenții de curățare atacă stratul intermediar. O membrană ceramică poate fi potrivită pentru o sarcină cu conținut ridicat de solide și temperatură ridicată chiar și la un flux mai scăzut.

---Cum este ambalată membrana

Lentila finală este modulul care transformă o membrană plată într-un element. Modulele înfăşurate în spirală rulează foi plate în jurul unui tub de permeat, cu distanţiere care creează canale de curgere. Oferă densitate mare de ambalare, extindere previzibilă și costuri mai mici pe metru pătrat, motiv pentru care domină RO și NF. Modulele cu fibre goale folosesc mii de fibre fine pentru o suprafață mare pe volum, dar se murdăresc ușor și sunt adesea spălate în contra. Modulele tubulare gestionează alimente solide și vâscoase, dar împachetează o suprafață mai mică. Modulele cu placă și cadru sunt ușor de curățat și se potrivesc fluxurilor mici, murdare sau de mare valoare. Monoliții ceramici combină multe canale într-un singur bloc pentru sarcini chimice și termice dure.

YIME-AgR100-8040 utilizează un element 8040 înfăşurat în spirală, cu diametrul de 8,0 inchi, lungime de 40 inci, cu 400 ft² (37,2 m²). Acest format se potrivește unui flux curat, prefiltrat, de înaltă presiune și are o zonă de ambalare într-un vas standard. Nu este potrivit pentru furajele cu solide mari sau încărcări mari de murdărie; modelele tubulare sau cu placă și cadru pot fi mai robuste, la un cost de capital mai mare.

Structura elementului provoacă surprize în instalația pilot. O membrană care funcționează bine într-un test cu tablă plată poate pierde fluxul într-un element înfăşurat în spirală atunci când distanţierul de alimentare se defectează, căderea de presiune crește sau debitul de concentrat este prea scăzut. Prin urmare, presiunea diferențială maximă și raportul minim concentrat-permeat merită la fel de multă atenție ca și respingerea. Ele definesc anvelopa hidraulica in care datele de testare devin performante.