Мембранная фильтрация - это процесс, основанный на давлении, в котором мембрана действует как избирательный барьер для ограничения пропуска таких загрязнителей, как органические вещества, питательные вещества, мутность, микроорганизмы, неорганические ионы металлов и другие загрязнители, истощающие кислород, и позволяет относительно чистой воде проходить через нее.
С развитием технологий и все более строгими критериями качества воды мембранные процессы становятся все более привлекательным решением проблемы качества воды и повторного использования воды.
Мембранный процесс был классифицирован на четыре широкие категории в зависимости от диаметра пор:
- микрофильтрация (MF),
- ультрафильтрация (UF),
- нанофильтрация (NF),
- обратный осмос (RO).
Основы мембранного процесса
Мембрана обратного осмоса преимущественно не пористая, она пропускает жидкость и удерживает большую часть растворителей, включая ионы. RO характеризуется высоким рабочим давлением (от 20 до 100 бар). NF имеет поры диаметром 1-5 нм и может удерживать ионы и органические вещества с низким молекулярным весом. Она обладает значительно большей водопроницаемостью, чем мембрана обратного осмоса, и работает при более низком давлении (обычно от 7 до 30 бар).
Аналогичным образом, UF мембрана имеет диаметр пор обычно от 5 до 20 нм и сохраняет мелкие коллоиды, макромолекулы и микроорганизмы. UF работает в диапазоне давлений от 1 до 10 бар. Другими мембранными процессами, которые используются в процессе разделения жидкостей, являются микрофильтрация (MF), электродиализ (ED), жидкая мембрана (LM), первапорация (PV), паропроницаемость (VP) и газовая проницаемость (GP).
Нанофильтрация NF - это новейший разработанный под давлением мембранный процесс для разграничения жидких фаз. NF во многих случаях заменил обратный осмос (RO) из-за более низкого энергопотребления и более высоких скоростей потока.
Свойства NF мембран лежат между теми, что из не пористых RO мембран (где транспортировка регулируется механизмом растворения-диффузии) и пористых ультрафильтрации (UF) (где обычно предполагается, что разделение происходит из-за исключения размера и, в некоторых случаях, эффекта заряда).
Коммерческие NF мембраны обладают фиксированным зарядом, образующимся при диссоциации поверхностных групп, таких как сульфатированная или карбоновая кислоты. Поэтому свойства мембран NF позволяют разделить ионы путем сочетания размера и электрических эффектов UF и механизмов ионного взаимодействия обратного осмоса.
Мембрана NF является относительно новой технологией в системе очистки сточных вод. Диаметр пор в мембранах NF (номинально ∼ 1 нм) таков, что даже небольшие незаряженные растворители сильно отвергаются, а поверхностные электростатические свойства позволяют достаточно хорошо передавать моновалентные ионы с преимущественно сохраненными поливалентными ионами. Эти характеристики делают мембраны NF чрезвычайно полезными при фракционировании и селективном удалении растворов из сложных технологических потоков.
Развитие технологии NF как жизнеспособного процесса в последние годы привело к значительному увеличению ее применения в ряде отраслей, таких как очистка отбеливающих сточных вод текстильной промышленности, отделение фармацевтических препаратов от бродильных бульонов, деминерализация в молочной промышленности и восстановление металлов из сточных вод и удаление вирусов.
Водный поток является одной из перспективных технологий очистки природных органических веществ и неорганических загрязнителей в поверхностных водах. Поскольку поверхностные воды имеют низкое осмотическое давление, возможна работа NF под низким давлением. Органические вещества, такие как прекурсоры побочных продуктов дезинфекции, в значительной степени отвергаются в процессе NF.
В NF поверхностных вод природные органические соединения, имеющие относительно большие молекулы по сравнению с размером пор мембраны, могут быть удалены с помощью механизма просеивания, в то время как неорганические соли - под действием заряда мембран и ионов.
Механизмы разделения в NF
Поскольку мембрана NF обладает свойствами ультрафильтрации UF и обратного осмоса RO, заряд и размер частиц играют важную роль в механизме отторжения NF.
NF имеет преимущества более низкого рабочего давления по сравнению с RO и более высокого органического отторжения по сравнению с UF. Для коллоидов и больших молекул доминирующим механизмом отторжения будет физическое просеивание, в то время как для ионов и веществ с низким молекулярным весом большую роль в процессе разделения играет механизм диффузии раствора и зарядный эффект мембраны.
Механизм отказа NF состоящий из пяти этапов.
- Увлажненная поверхность - вода, связанная с мембраной через водородные связи и молекулы, образующие водородные связи с мембраной, могут транспортироваться.
- Преференциальная сорбция/отторжение капилляров - мембрана неоднородна и микропористая, электростатическое отталкивание происходит за счет различных электростатических констант раствора и мембраны.
- Диффузия раствора - мембрана однородна и не пористая, и растворитель и растворитель растворяются в активном слое мембраны, а перенос растворителя происходит за счет диффузии через слой.
- Заряженный капилляр - двойной электрический слой в порах определяет отторжение. Привлекаются ионы с тем же зарядом, что и мембрана, и ионы отвергаются из-за потенциала потока.
- Мелкопористая мембрана представляет собой плотный материал, проткнутый порами. Транспортировка определяется разделением на объем и поровую жидкость.
Характеристики NF мембран находятся между не поршневыми мембранами обратного осмоса (где отказ обусловлен механизмом растворения-диффузии) и пористыми UF мембранами (где отказ обусловлен исключением размеров и электростатическим зарядом).
Таким образом, в отторжении незаряженных молекул доминирует исключение по размеру, в то время как на отторжение незаряженных молекул влияют как исключение по размеру, так и электростатические взаимодействия ионов. Электростатические характеристики мембран NF, как известно, играют важную роль в отторжении анионов, а именно, отрицательный потенциал дзета-потенциала на поверхности мембраны изменяется в зависимости от различных pH и концентрации раствора электролита.
Как и любой другой мембранный процесс, NF также чувствителен к мембранному загрязнению. Мембранное загрязнение является одной из серьезных проблем в любом мембранном процессе, поэтому понимание механизма загрязнения и определение подходящего варианта контроля является одним из важнейших компонентов мембранных приложений. Решение проблем загрязнения требует многостороннего подхода, включающего свойства мембраны, условия эксплуатации, характеристики питания и т.д.
Мембранное обрастание может быть вызвано неорганическими осадками или отложениями, коллоидным обрастанием, органической адсорбцией или биообрастанием. Хотя биообрастание имеет важное значение в долгосрочной перспективе, скорее всего, биообрастание происходит только после органического, неорганического или коллоидного обрастания.
Поскольку взаимодействие растворителей и мембран плохо изучено, возможно, что такие эффекты, как зарядные взаимодействия, мостовые взаимодействия и гидрофобные взаимодействия, могут играть важную роль в обрастании FN.
Обычно мембраны с большими порами имеют большее снижение потока, чем мембраны с большими порами, поскольку фильтрация происходит из-за внутреннего засорения. Однако снижение флюса не обязательно связано с загрязнением. Другие явления, такие как концентрационная поляризация, осмотическое давление или уплотнение мембраны, могут проявляться как засорение в процессе.
NF, который является широко используемым методом и, в дополнение к другим приложениям, таким как опреснение, где его применение увеличивается, играет важную роль для частичной замены обратного осмоса.