Membran

Den här artikeln handlar om selektiva barriärmembran. För annan användning, se Membrane (disambiguation) .

Schematisk över storleksbaserad membranuteslutning

Ett membran är en selektiv barriär; det låter vissa saker passera men stoppar andra. Sådana saker kan vara molekyler , joner eller andra små partiklar. Membran kan generellt delas in i syntetiska membran och biologiska membran . Biologiska membran inkluderar cellmembran (yttre höljen av celler eller organeller som tillåter passage av vissa beståndsdelar); kärnmembran , som täcker en cellkärna; och vävnadsmembran, såsom slemhinnor och serosae . Syntetiska membran tillverkas av människor för användning i laboratorier och industri (som kemiska anläggningar) .

Detta koncept med ett membran har varit känt sedan sjuttonhundratalet men användes lite utanför laboratoriet fram till slutet av andra världskriget. Dricksvattenförsörjningen i Europa hade äventyrats av kriget och membranfilter användes för att testa vattensäkerheten. Men på grund av bristen på tillförlitlighet, långsam drift, minskad selektivitet och förhöjda kostnader, utnyttjades membran inte i stor utsträckning. Den första användningen av membran i stor skala var med mikrofiltrerings- och ultrafiltreringsteknologier . Sedan 1980-talet har dessa separationsprocesser, tillsammans med elektrodialys , använts i stora anläggningar och idag betjänar flera erfarna företag marknaden.

Graden av selektivitet hos ett membran beror på membranets porstorlek. Beroende på porstorleken kan de klassificeras som membran för mikrofiltrering (MF), ultrafiltrering (UF), nanofiltrering (NF) och omvänd osmos (RO). Membran kan också vara av olika tjocklek, med homogen eller heterogen struktur. Membran kan vara neutrala eller laddade, och partikeltransport kan vara aktiv eller passiv . Det senare kan underlättas av tryck , koncentration , kemiska eller elektriska gradienter i membranprocessen.

Membran bearbetar klassificeringar

Mikrofiltrering (MF)

Huvudartikel: Mikrofiltrering

Mikrofiltrering tar bort partiklar högre än 0,08-2 µm och arbetar inom intervallet 7-100 kPa. Mikrofiltrering används för att avlägsna rester av suspenderade ämnen (SS), för att avlägsna bakterier för att konditionera vattnet för effektiv desinfektion och som ett förbehandlingssteg för omvänd osmos.

Relativt ny utveckling är membranbioreaktorer (MBR) som kombinerar mikrofiltrering och en bioreaktor för biologisk behandling.

Ultrafiltrering (UF)

Huvudartikel: Ultrafiltrering

Ultrafiltrering tar bort partiklar högre än 0,005-2 µm och arbetar inom intervallet 70-700 kPa. Ultrafiltrering används för många av samma applikationer som mikrofiltrering. Vissa ultrafiltreringsmembran har också använts för att avlägsna lösta föreningar med hög molekylvikt, såsom proteiner och kolhydrater. Dessutom kan de ta bort virus och vissa endotoxiner.

Väggen av ett ultrafiltreringshålfibermembran , med karakteristiska yttre (översta) och inre (botten) lager av porer.

Nanofiltrering (NF)

Huvudartikel: Nanofiltrering

Nanofiltrering är också känd som "lös" RO och kan stöta bort partiklar mindre än 0,002 µm. Nanofiltrering används för att avlägsna utvalda lösta beståndsdelar från avloppsvatten. NF är i första hand utvecklad som en membranmjukningsprocess som erbjuder ett alternativ till kemisk mjukning.

Likaså kan nanofiltrering användas som en förbehandling före riktad omvänd osmos. Huvudsyftet med NF-förbehandling är: (1). minimera partikelformig och mikrobiell nedsmutsning av RO-membranen genom att ta bort grumlighet och bakterier, (2) förhindra avlagring genom att ta bort hårdhetsjonerna, (3) sänka driftstrycket för RO-processen genom att minska matarvattnets totala lösta fasta ämnen (TDS) ) koncentration.

Omvänd osmos (RO)

Huvudartikel: Omvänd osmos

Omvänd osmos används vanligtvis för avsaltning. Dessutom används RO vanligtvis för att avlägsna lösta beståndsdelar från avloppsvatten som finns kvar efter avancerad behandling med mikrofiltrering. RO utesluter joner men kräver höga tryck för att producera avjoniserat vatten (850–7000 kPa). RO är den mest använda avsaltningstekniken på grund av dess enkelhet att använda och relativt låga energikostnader jämfört med destillation, som använder teknik baserad på termiska processer. Observera att RO-membran tar bort vattenbeståndsdelar på jonnivå. För att göra det använder de flesta nuvarande RO-system en tunnfilmskomposit (TFC), huvudsakligen bestående av tre skikt: ett polyamidskikt, ett polysulfonskikt och ett polyesterskikt.

Nanostrukturerade membran

En framväxande klass av membran förlitar sig på nanostrukturkanaler för att separera material i molekylär skala. Dessa inkluderar kolnanorörsmembran , grafenmembran , membran gjorda av polymerer med inneboende mikroporositet (PIMS) och membran som innehåller metall-organiska ramverk (MOF). Dessa membran kan användas för storleksselektiva separationer som nanofiltrering och omvänd osmos, men även adsorptionsselektiva separationer som olefiner från paraffiner och alkoholer från vatten som traditionellt har krävt dyr och energikrävande destillation .

Membrankonfigurationer

Inom membranområdet används termen modul för att beskriva en komplett enhet som består av membranen, den tryckbärande strukturen, matningsinloppet, utloppets permeat- och retentatströmmar och en övergripande stödstruktur. De huvudsakliga typerna av membranmoduler är:

• Rörformiga , där membran är placerade inuti ett stöd porösa rör, och dessa rör placeras tillsammans i ett cylindriskt skal för att bilda enhetsmodulen. Rörformade anordningar används främst i mikro- och ultrafiltreringsapplikationer på grund av deras förmåga att hantera processströmmar med höga fasta ämnen och höga viskositetsegenskaper, samt för deras relativa lätthet att rengöra.

• Hålfibermembran , består av ett knippe av hundratals till tusentals ihåliga fibrer. Hela enheten sätts in i ett tryckkärl . Matningen kan appliceras på insidan av fibern (flöde inifrån och ut) eller på utsidan av fibern (flöde utanför insidan).

• Spirallindning, där en flexibel permeatdistans placeras mellan två plana membranark. En flexibel matningsdistans läggs till och de platta arken rullas till en cirkulär konfiguration.

• Plåt och ram består av en serie platta membranplåtar och stödplattor. Vattnet som ska behandlas passerar mellan membranen i två intilliggande membranenheter. Plattan stöder membranen och ger en kanal för permeatet att strömma ut ur enhetsmodulen.

• Keramiska och polymera platta membran och moduler. Platta arkmembran är vanligtvis inbyggda i nedsänkta vakuumdrivna filtreringssystem som består av staplar av moduler var och en med flera ark. Filtreringsläge är utanför-in där vattnet passerar genom membranet och samlas upp i permeatkanaler. Rengöring kan utföras genom luftning, backspolning och CIP.

Membranprocessdrift

Nyckelelementen i varje membranprocess relaterar till påverkan av följande parametrar på det totala permeatflödet är:

• Membranpermeabiliteten (k)
• Den operativa drivkraften per enhet membranarea (Trans Membrane Pressure, TMP)
• Nedsmutsning och efterföljande rengöring av membranytan.

Flux, tryck, permeabilitet

Det totala permeatflödet från ett membransystem ges av följande ekvation:

$Q_{p}=F_{w}\cdot A$

Där Qp är permeatströmmens flödeshastighet [kg·s ⁻¹ ], F _w är vattenflödeshastigheten [kg·m ⁻² ·s ⁻¹ ] och A är membranarean [m ² ]

Permeabiliteten (k) [m·s ⁻² ·bar ⁻¹ ] för ett membran ges av följande ekvation:

$k={F_{w} \över P_{TMP}}$

Transmembrantrycket (TMP) ges av följande uttryck:

$P_{TMP}={(P_{f}+P_{c}) \över 2}-P_{p}$

där P _TMP är transmembrantrycket [kPa], P _f inloppstrycket för matningsströmmen [kPa]; P _c trycket för koncentratströmmen [kPa]; P _p trycket om permeatströmmen [kPa].

Avstötningen (r) skulle kunna definieras som antalet partiklar som har avlägsnats från matarvattnet.

$r={(C_{f}-C_{p}) \över C_{f}}\cdot 100$

Motsvarande massbalansekvationer är:

$Q_{f}=Q_{p}+Q_{c}$

$Q_{f} \cdot C_{f}=Q_{p}\cdot C_{p}+Q_{c}\cdot C_{c}$

För att styra driften av en membranprocess kan två moder, beträffande flödet och TMP, användas. Dessa moder är (1) konstant TMP och (2) konstant flöde.

Driftssätten kommer att påverkas när de kasserade materialen och partiklarna i retentatet tenderar att ackumuleras i membranet. Vid en given TMP kommer flödet av vatten genom membranet att minska och vid ett givet flöde kommer TMP att öka, vilket minskar permeabiliteten (k). Detta fenomen är känt som nedsmutsning , och det är den huvudsakliga begränsningen för membranprocessen.

Återvändsläge och tvärflödesdriftlägen

Två driftlägen för membran kan användas. Dessa lägen är:

• Återvändsfiltrering där allt foder som appliceras på membranet passerar genom det och erhåller ett permeat. Eftersom det inte finns någon koncentratström hålls alla partiklar kvar i membranet. Råmatningsvatten används ibland för att spola det ackumulerade materialet från membranytan.
• Korsflödesfiltrering där matarvattnet pumpas med ett tvärflöde tangentiellt mot membranet och koncentrat- och permeatströmmar erhålls. Denna modell innebär att för ett flöde av matarvatten över membranet omvandlas endast en del till permeatprodukt. Denna parameter kallas "konvertering" eller "återställning" (S). Återvinningen kommer att minska om permeatet används ytterligare för att upprätthålla processdrift, vanligtvis för membranrengöring.

$S={Q_{permeate} \over Q_{ feed}}=1-{Q_{koncentrat} \över Q_{feed}}$

Filtrering leder till att motståndet mot flödet ökar. I fallet med återvändsgrändfiltreringsprocessen ökar motståndet i enlighet med tjockleken på kakan som bildas på membranet. Som en konsekvens minskar permeabiliteten (k) och flödet snabbt, proportionellt mot koncentrationen av fasta ämnen [1] och kräver därför periodisk rengöring.

För korsflödesprocesser kommer avsättningen av material att fortsätta tills krafterna från bindningskakan till membranet kommer att balanseras av vätskans krafter. Vid denna tidpunkt kommer tvärflödesfiltrering att nå ett stabilt tillstånd [2] och flödet kommer därför att förbli konstant med tiden. Därför kommer denna konfiguration att kräva mindre periodisk rengöring.

Nedsmutsning

Huvudartikel: Membranpåväxt

Nedsmutsning kan definieras som potentiell avsättning och ackumulering av beståndsdelar i matarströmmen på membranet. Förlusten av RO-prestanda kan bero på irreversibel organisk och/eller oorganisk nedsmutsning och kemisk nedbrytning av det aktiva membranskiktet. Mikrobiologisk nedsmutsning, generellt definierad som konsekvensen av irreversibel fästning och tillväxt av bakterieceller på membranet, är också en vanlig orsak till att gamla membran kasseras. En mängd olika oxidativa lösningar, rengöringsmedel och antifouling-medel används i stor utsträckning i avsaltningsanläggningar, och deras upprepade och tillfälliga exponering kan negativt påverka membranen, i allmänhet genom att minska deras avstötningseffektivitet.

Nedsmutsning kan ske genom flera fysikalisk-kemiska och biologiska mekanismer som är relaterade till den ökade avsättningen av fast material på membranytan. De huvudsakliga mekanismerna genom vilka nedsmutsning kan uppstå är:

• Ansamling av beståndsdelar i matarvattnet på membranet som orsakar ett flödesmotstånd. Denna uppbyggnad kan delas in i olika typer:

Porförträngning , som består av fast material som det har fästs på porernas insida.

Porblockering uppstår när matarvattnets partiklar fastnar i membranets porer.

Gel/kakskiktsbildning sker när det fasta materialet i fodret är större än membranets porstorlekar.

• Bildning av kemiska fällningar som kallas fjällning
• Kolonisering av membranet eller biofouling sker när mikroorganismer växer på membranytan.

Nedsmutsningskontroll och begränsning

Eftersom nedsmutsning är en viktig faktor vid design och drift av membransystem, eftersom det påverkar förbehandlingsbehov, rengöringskrav, driftsförhållanden, kostnad och prestanda, bör det förhindra och vid behov avlägsnas. Att optimera driftsförhållandena är viktigt för att förhindra nedsmutsning. Men om nedsmutsning redan har skett, bör den avlägsnas genom att använda fysisk eller kemisk rengöring.

Fysiska rengöringstekniker för membran inkluderar membranavslappning och membranbackwashing .

• Backspolning eller backspolning består av att permeatet pumpas i motsatt riktning genom membranet. Back-washing tar bort framgångsrikt det mesta av den reversibla nedsmutsningen som orsakas av porblockering. Backspolning kan också förbättras genom att luft spolas genom membranet. Backspolning ökar driftskostnaderna eftersom energi krävs för att uppnå ett tryck som är lämpligt för permeatflödesreversion.

• Membranavslappning består av att pausa filtreringen under en period, och därför finns det inget behov av permeatflödesreversion. Avslappning gör att filtreringen kan bibehållas under en längre period innan den kemiska rengöringen av membranet.

• Tillbakapulserande högfrekvent tillbakapulsering vilket resulterar i effektiv borttagning av smutsskikt. Denna metod används oftast för keramiska membran [3]

Nyligen genomförda studier har bedömt att kombinera avslappning och backwashing för optimala resultat.

Kemisk rengöring . Effektiviteten för avslappning och bakspolning minskar med driftstiden eftersom mer irreversibel nedsmutsning ackumuleras på membranytan. Därför kan, förutom den fysiska rengöringen, även kemisk rengöring rekommenderas. Det inkluderar:

• Kemiskt förbättrad backspolning , det vill säga en låg koncentration av kemiskt rengöringsmedel tillsätts under backspolningsperioden.
• Kemisk rengöring , där de huvudsakliga rengöringsmedlen är natriumhypoklorit (för organisk beväxning) och citronsyra (för oorganisk beväxning). Varje membranleverantör föreslår sina kemiska rengöringsrecept, som huvudsakligen skiljer sig åt vad gäller koncentration och metoder.

Optimera drifttillståndet . Flera mekanismer kan utföras för att optimera driftsförhållandena för membranet för att förhindra nedsmutsning, till exempel:

• Minska flödet . Fluxet minskar alltid nedsmutsning men det påverkar kapitalkostnaden eftersom det kräver mer membranyta. Det består av att arbeta med hållbart flöde vilket kan definieras som det flöde för vilket TMP ökar gradvis i en acceptabel hastighet, så att kemisk rengöring inte är nödvändig.
• Använder korsflödesfiltrering istället för återvändsgränd. Vid tvärflödesfiltrering avsätts endast ett tunt skikt på membranet eftersom inte alla partiklar hålls kvar på membranet, utan koncentratet tar bort dem.
• Förbehandling av matarvattnet används för att minska matarvattnets suspenderade fasta ämnen och bakterieinnehåll. Flockningsmedel och koaguleringsmedel används också, som järnklorid och aluminiumsulfat som, när de väl är upplösta i vattnet, adsorberar material som suspenderade fasta ämnen, kolloider och lösliga organiska ämnen. Metafysiska numeriska modeller har introducerats för att optimera transportfenomen

Membranförändring . Nyligen genomförda ansträngningar har fokuserat på att eliminera membrannedsmutsning genom att ändra ytkemin hos membranmaterialet för att minska sannolikheten för att föroreningar kommer att fästa vid membranytan. Den exakta kemiska strategin som används beror på kemin i lösningen som filtreras. Till exempel kan membran som används vid avsaltning göras hydrofoba för att motstå nedsmutsning via ansamling av mineraler, medan membran som används för biologiska läkemedel kan göras hydrofila för att minska protein/organisk ackumulering. Modifiering av ytkemin via tunnfilmsavsättning kan därigenom i hög grad minska nedsmutsning. En nackdel med att använda modifieringstekniker är att i vissa fall kan flödeshastigheten och selektiviteten hos membranprocessen påverkas negativt.

Återvinning av RO-membran

Avfallsförebyggande

Huvudartikel: Avfallsförebyggande

När membranet når en betydande prestandaförsämring kasseras det. Kasserade RO-membranmoduler klassas för närvarande över hela världen som inert fast avfall och slängs ofta på deponier; även om de också kan återhämtas energiskt. Olika ansträngningar har dock gjorts under de senaste decennierna för att undvika detta, såsom förebyggande av avfall, direkt återanvändning och sätt att återvinna. I detta avseende följer membran även avfallshanteringshierarkin. Detta innebär att den mest föredragna åtgärden är att uppgradera designen av membranet vilket leder till en minskning av användningen vid samma applikation och den minst föredragna åtgärden är bortskaffande och deponering

RO-membran har vissa miljöutmaningar som måste lösas för att följa principerna för cirkulär ekonomi. Främst har de en kort livslängd på 5–10 år. Under de senaste två decennierna har antalet RO-avsaltningsanläggningar ökat med 70 %. Storleken på dessa RO-anläggningar har också ökat avsevärt, och vissa når en produktionskapacitet på över 600 000 m3 vatten per dag. Det innebär en generering av 14 000 ton membranavfall som deponeras varje år. För att öka livslängden på ett membran utvecklas olika förebyggande metoder: kombinera RO-processen med förbehandlingsprocessen för att förbättra effektiviteten; utveckla antifouling-tekniker; och utveckla lämpliga procedurer för rengöring av membranen. Förbehandlingsprocesser sänker driftskostnaderna på grund av mindre mängder kemiska tillsatser i saltvatteninmatningen och det lägre driftsunderhåll som krävs för RO-systemet.

Fyra typer av nedsmutsning finns på RO-membran: (i) Oorganisk (saltutfällning), (ii) Organisk, (iii) Kolloidal (partikelavsättning i suspensionen) (iv) Mikrobiologisk (bakterier och svampar). Därmed bör en lämplig kombination av förbehandlingsprocedurer och kemikaliedosering, samt en effektiv rengöringsplan som tar itu med dessa typer av nedsmutsning, möjliggöra utvecklingen av en effektiv antifouling-teknik.

De flesta växter rengör sina membran varje vecka (CEB – Chemically Enhanced Backwash). Utöver denna underhållsrengöring rekommenderas en intensivrengöring (CIP), från två till fyra gånger per år.

Återanvändning

Huvudartikel: Återanvändning

Återanvändning av RO-membran inkluderar direkt återanvändning av moduler i andra separationsprocesser med mindre stränga specifikationer. Omvandlingen från RO TFC-membranet till ett poröst membran är möjlig genom att bryta ned det täta skiktet av polyamid. Konvertering av RO-membran genom kemisk behandling med olika oxiderande lösningar syftar till att ta bort det aktiva skiktet av polyamidmembranet, avsett för återanvändning i applikationer som MF eller UF. Detta ger en förlängd livslängd på cirka två år. Ett mycket begränsat antal rapporter har nämnt potentialen för direkt återanvändning av RO. Studier visar att hydraulisk permeabilitet, saltavstötning, morfologiska och topografiska egenskaper och fältemissionsskanningselektron- och atomkraftmikroskopi användes i en obduktionsundersökning. Det gamla RO-elementets prestanda liknade det för nanofiltreringsmembran (NF), så det var inte överraskande att se permeabilitetsökningen från 1,0 till 2,1 L m-2 h-1 bar-1 och minskningen av NaCl-avstötning från >90 % till 35 -50 %.

Å andra sidan, för att maximera den totala effektiviteten av processen, har det på senare tid varit vanligt att kombinera RO-element med varierande prestanda inom samma tryckkärl, vilket kallas multimembrankärlsdesign. I princip rekommenderar detta innovativa hybridsystem användning av membran med hög avstötning och låg produktivitet i uppströmssegmentet av filtreringståget, följt av membran med hög produktivitet och låg energi i nedströmssektionen. Det finns två sätt på vilka denna design kan hjälpa: antingen genom att minska energianvändningen på grund av minskat tryckbehov eller genom att öka produktionen. Eftersom detta koncept skulle minska antalet moduler och tryckkärl som behövs för en given applikation, har det potential att avsevärt minska initiala investeringskostnader. Det föreslås att anpassa detta ursprungliga koncept, genom att internt återanvända äldre RO-membran i samma tryckkärl.

Återvinna

Huvudartikel: Återvinning

Återvinning av material är en allmän term som innebär att materialet eller dess komponenter fysiskt omvandlas så att de kan återskapas till andra användbara produkter. Membranmodulerna är komplexa strukturer, bestående av ett antal olika polymera komponenter och potentiellt kan de enskilda komponenterna återvinnas för andra ändamål. Behandling och återvinning av fast plastavfall kan delas upp i mekanisk återvinning, kemisk återvinning och energiåtervinning.

Mekaniska återvinningsegenskaper:

• En första separation av komponenterna av intresse behövs.
• Tidigare tvätt för att undvika att egenskapen försämras under processen.
• Slipning av polymermaterialen till lämplig storlek (förlust av 5% av materialet).
• Eventuell bakre tvätt.
• Smält- och extruderingsprocess (förlust av 10 % material).
• Membrankomponenter som kan återvinnas (termoplaster): PP, polyester, etc.
• Membranskivor: tillverkade av ett antal olika polymerer och tillsatser och därför i sig svåra att exakt och effektivt separera.
• Främsta fördelen: det tränger undan jungfrulig plastproduktion. • Huvudsakliga nackdelar: behovet av att separera alla komponenter, tillräckligt stor mängd komponenter för att vara livskraftig.

Kemisk återvinningsegenskaper:

• Bryt ner polymererna till mindre molekyler med hjälp av depolymerisations- och nedbrytningstekniker.
• Kan inte användas med förorenade material.
• Kemiska återvinningsprocesser är skräddarsydda för specifika material.
• Fördel: att heterogena polymerer med begränsad användning av förbehandling kan bearbetas.
• Nackdel: dyrare och mer komplex än mekanisk återvinning.
• Polyestermaterial (såsom i permeatdistansen och komponenterna i membranarket) är lämpliga för kemiska återvinningsprocesser, och hydrolys används för att vända polykondensationsreaktionen som används för att tillverka polymeren, med tillsats av vatten för att orsaka sönderdelning.

Energetisk återhämtning:

• Volymminskning med 90–99 %, vilket minskar belastningen på deponi.
• Avfallsförbränningsugnar kan i allmänhet arbeta från 760 °C till 1100 °C och skulle därför kunna ta bort allt brännbart material, med undantag för det resterande oorganiska fyllmedlet i glasfiberhöljet.
• Värmeenergi kan återvinnas och användas för elproduktion eller andra värmerelaterade processer och kan även kompensera för växthusgasutsläppen från traditionell energi.
• Om den inte kontrolleras ordentligt kan den avge växthusgaser såväl som andra skadliga produkter.

Ansökningar

Distinkta egenskaper hos membran är ansvariga för intresset att använda dem som ytterligare enhetsdrift för separationsprocesser i vätskeprocesser. Några fördelar som noteras inkluderar:

• Mindre energikrävande, eftersom de inte kräver större fasförändringar
• Kräv inte adsorbenter eller lösningsmedel, som kan vara dyra eller svåra att hantera
• Utrustningens enkelhet och modularitet, vilket underlättar införandet av effektivare membran

Membran används med tryck som drivprocesser vid membranfiltrering av lösta ämnen och vid omvänd osmos . Vid dialys och pervaporation är den kemiska potentialen längs en koncentrationsgradient drivkraften. Även perstraktion som en membranassisterad extraktionsprocess är beroende av gradienten i kemisk potential.

Men deras överväldigande framgång i biologiska system matchas inte av deras tillämpning. De främsta anledningarna till detta är:

• Nedsmutsning – minskad funktion vid användning
• Oöverkomlig kostnad per membranarea
• Brist på lösningsmedelsbeständiga material
• Uppskalningsrisker

Se även

• Collodion väska

Bibliografi

• Metcalf och Eddy. Avloppsvattenteknik, rening och återanvändning . McGraw-Hill Book Company, New York. Fjärde upplagan, 2004.
• Paula van den Brink, Frank Vergeldt, Henk Van As, Arie Zwijnenburg, Hardy Temmink, Mark CMvan Loosdrecht . "Potential för mekanisk rengöring av membran från en membranbioreaktor". Journal of membrane science . 429 , 2013. 259-267.
• Simon Judd. The Membrane Bioreactor Book: Principer and Applications of Membrane Bioreactors for Water and Wastewater Treatment . Elsevier, 2010.