Membran – Wikipedia
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EIN Membran ist eine selektive Barriere; es lässt einige Dinge passieren, stoppt aber andere. Solche Dinge können Moleküle, Ionen oder andere kleine Partikel sein. Biologische Membranen umfassen Zellmembranen (äußere Hüllen von Zellen oder Organellen, die den Durchgang bestimmter Bestandteile ermöglichen);[1]Kernmembranen, die einen Zellkern bedecken; und Gewebemembranen wie Schleimhäute und Serosen. Synthetische Membranen werden vom Menschen zur Verwendung in Labors und in der Industrie (z. B. in Chemiefabriken) hergestellt.
Dieses Konzept einer Membran ist seit dem 18. Jahrhundert bekannt, wurde jedoch bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs außerhalb des Labors nur wenig verwendet. Die Trinkwasserversorgung in Europa war durch den Krieg beeinträchtigt worden, und Membranfilter wurden verwendet, um die Wassersicherheit zu testen. Aufgrund der mangelnden Zuverlässigkeit, des langsamen Betriebs, der verringerten Selektivität und der erhöhten Kosten wurden Membranen jedoch nicht in großem Umfang genutzt. Die erste Verwendung von Membranen in großem Maßstab erfolgte mit Mikrofiltrations- und Ultrafiltrationstechnologien. Seit den 1980er Jahren werden diese Trennverfahren zusammen mit der Elektrodialyse in großen Anlagen eingesetzt, und heute bedienen mehrere erfahrene Unternehmen den Markt.[2]
Der Selektivitätsgrad einer Membran hängt von der Porengröße der Membran ab. Abhängig von der Porengröße können sie als Mikrofiltrations- (MF), Ultrafiltrations- (UF), Nanofiltrations- (NF) und Umkehrosmosemembranen (RO) klassifiziert werden. Membranen können auch unterschiedlich dick sein und eine homogene oder heterogene Struktur aufweisen. Membranen können neutral oder geladen sein und der Partikeltransport kann aktiv oder passiv sein. Letzteres kann durch Druck, Konzentration, chemische oder elektrische Gradienten des Membranprozesses erleichtert werden. Membranen können allgemein in synthetische Membranen und biologische Membranen eingeteilt werden.[3]
Klassifizierungen von Membranprozessen[edit]
Mikrofiltration (MF)[edit]
Die Mikrofiltration entfernt Partikel, die höher als 0,08-2 um sind, und arbeitet in einem Bereich von 7-100 kPa.[4] Die Mikrofiltration dient zur Entfernung von Schwebstoffresten (SS), zur Entfernung von Bakterien, um das Wasser für eine wirksame Desinfektion zu konditionieren, und als Vorbehandlungsschritt für die Umkehrosmose.
Relativ neuere Entwicklungen sind Membranbioreaktoren (MBR), die Mikrofiltration und einen Bioreaktor zur biologischen Behandlung kombinieren.
Ultrafiltration (UF)[edit]
Die Ultrafiltration entfernt Partikel, die höher als 0,005-2 um sind, und arbeitet in einem Bereich von 70-700 kPa.[4] Die Ultrafiltration wird für viele der gleichen Anwendungen wie die Mikrofiltration verwendet. Einige Ultrafiltrationsmembranen wurden auch verwendet, um gelöste Verbindungen mit hohem Molekulargewicht wie Proteine und Kohlenhydrate zu entfernen. Sie können auch Viren und einige Endotoxine entfernen.
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Nanofiltration (NF)[edit]
Die Nanofiltration wird auch als “lockerer” RO bezeichnet und kann Partikel mit einer Größe von weniger als 0,002 µm zurückweisen. Die Nanofiltration dient zur Entfernung ausgewählter gelöster Bestandteile aus dem Abwasser. NF wird hauptsächlich als Membranenthärtungsprozess entwickelt, der eine Alternative zur chemischen Erweichung bietet.
Ebenso kann die Nanofiltration als Vorbehandlung vor der gerichteten Umkehrosmose eingesetzt werden. Die Hauptziele der NF-Vorbehandlung sind:[5] (1). Minimieren Sie die Partikel- und mikrobielle Verschmutzung der RO-Membranen durch Entfernen von Trübung und Bakterien. (2) Verhindern Sie Ablagerungen durch Entfernen der Härteionen. (3) Verringern Sie den Betriebsdruck des RO-Prozesses, indem Sie die Gesamtmenge der gelösten Feststoffe im Speisewasser (TDS) verringern ) Konzentration.
Umkehrosmose (RO)[edit]
Umkehrosmose wird üblicherweise zur Entsalzung eingesetzt. RO wird üblicherweise auch zur Entfernung gelöster Bestandteile aus Abwasser verwendet, die nach fortgeschrittener Behandlung mit Mikrofiltration zurückbleiben. RO schließt Ionen aus, erfordert jedoch hohe Drücke, um entionisiertes Wasser (850-7000 kPa) zu erzeugen.
Nanostrukturierte Membranen[edit]
Eine aufstrebende Klasse von Membranen stützt sich auf Nanostrukturkanäle, um Materialien auf molekularer Ebene zu trennen. Dazu gehören Kohlenstoffnanoröhrenmembranen, Graphenmembranen, Membranen aus Polymeren mit intrinsischer Mikroporosität (PIMS) und Membranen mit metallorganischen Gerüsten (MOFs). Diese Membranen können für größenselektive Trennungen wie Nanofiltration und Umkehrosmose verwendet werden, aber auch für adsorptionsselektive Trennungen wie Olefine aus Paraffinen und Alkohole aus Wasser, die traditionell eine teure und energieintensive Destillation erfordern.
Membrankonfigurationen[edit]
Im Membranbereich wird der Begriff Modul verwendet, um eine vollständige Einheit zu beschreiben, die aus den Membranen, der Druckstützstruktur, dem Zufuhreinlass, den Auslasspermeat- und Retentatströmen und einer Gesamtstützstruktur besteht. Die Haupttypen von Membranmodulen sind:
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- Röhrenförmigwobei Membranen in porösen Trägerrohren angeordnet sind und diese Rohre zusammen in einer zylindrischen Hülle angeordnet sind, um das Einheitsmodul zu bilden. Rohrvorrichtungen werden hauptsächlich in Mikro- und Ultrafiltrationsanwendungen verwendet, da sie Prozessströme mit hohen Feststoffen und hohen Viskositätseigenschaften verarbeiten können und relativ leicht zu reinigen sind.
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- Hohlfasermembran besteht aus einem Bündel von Hunderten bis Tausenden von Hohlfasern. Die gesamte Baugruppe wird in einen Druckbehälter eingesetzt. Das Futter kann auf die Innenseite der Faser (Inside-Out-Flow) oder die Außenseite der Faser (Outside-In-Flow) aufgebracht werden.
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- Spiralwunde, bei der ein flexibler Permeatabstandhalter zwischen zwei flachen Membranfolien angeordnet ist. Ein flexibler Abstandshalter wird hinzugefügt und die flachen Blätter werden in eine kreisförmige Konfiguration gerollt.
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- Platte und Rahmen bestehen aus einer Reihe von flachen Membranfolien und Trägerplatten. Das zu behandelnde Wasser fließt zwischen den Membranen zweier benachbarter Membrananordnungen. Die Platte trägt die Membranen und stellt einen Kanal bereit, über den das Permeat aus dem Einheitsmodul herausfließen kann.
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- Keramik und Polymer Flachmembranen und Module. Flache Folienmembranen sind typischerweise in untergetauchte vakuumgetriebene Filtersysteme eingebaut, die aus Stapeln von Modulen mit jeweils mehreren Folien bestehen. Der Filtrationsmodus ist von außen nach innen, wo das Wasser durch die Membran fließt und in Permeatkanälen gesammelt wird. Die Reinigung kann durch Belüftung, Rückspülung und KVP erfolgen.
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Membranprozessbetrieb[edit]
Die Schlüsselelemente eines Membranprozesses beziehen sich auf den Einfluss der folgenden Parameter auf den Gesamtpermeatfluss:
- Die Membranpermeabilität (k)
- Die betriebliche treibende Kraft pro Membranflächeneinheit (Transmembrandruck, TMP)
- Die Verschmutzung und anschließende Reinigung der Membranoberfläche.
Flussmittel, Druck, Durchlässigkeit[edit]
Der Gesamtpermeatfluss aus einem Membransystem ist durch die folgende Gleichung gegeben:
Wobei Qp die Durchflussrate des Permeatstroms ist [kg·s−1], F.w ist die Wasserflussrate [kg·m−2·s−1] und A ist die Membranfläche [m2]
Die Permeabilität (k) [m·s−2·bar−1] einer Membran ist gegeben durch die nächste Gleichung:
Der Transmembrandruck (TMP) wird durch den folgenden Ausdruck angegeben:
wo P.TMP ist der Transmembrandruck [kPa], P.f der Eingangsdruck des Speisestroms [kPa];; P.c der Druck des Konzentratstroms [kPa];; P.p der Druck wenn Permeatstrom [kPa].
Die Zurückweisung (r) könnte als die Anzahl der Partikel definiert werden, die aus dem Speisewasser entfernt wurden.
Die entsprechenden Massenbilanzgleichungen sind:
Um den Betrieb eines Membranprozesses zu steuern, können zwei Modi verwendet werden, die den Fluss und den TMP (Trans Membrane Pressure) betreffen. Diese Modi sind (1) konstanter TMP und (2) konstanter Fluss.
Die Betriebsmodi werden beeinflusst, wenn sich die zurückgewiesenen Materialien und Partikel im Retentat in der Membran ansammeln. Bei einem gegebenen TMP nimmt der Wasserfluss durch die Membran ab und bei einem gegebenen Fluss nimmt der TMP zu, wodurch die Permeabilität (k) verringert wird. Dieses Phänomen ist bekannt als Verschmutzungund es ist die Haupteinschränkung für den Membranprozessbetrieb.
Dead-End- und Cross-Flow-Betriebsarten[edit]
Es können zwei Betriebsarten für Membranen verwendet werden. Diese Modi sind:
- Sackgasse Filtration wo das gesamte auf die Membran aufgebrachte Futter durch sie hindurchgeht und ein Permeat erhält. Da kein Konzentratstrom vorhanden ist, bleiben alle Partikel in der Membran erhalten. Manchmal wird rohes Speisewasser verwendet, um das angesammelte Material von der Membranoberfläche zu spülen.[6]
- Querstromfiltration wo das Speisewasser mit einem zur Membran tangentialen Querstrom gepumpt wird und Konzentrat- und Permeatströme erhalten werden. Dieses Modell impliziert, dass für einen Speisewasserfluss durch die Membran nur eine Fraktion in ein Permeatprodukt umgewandelt wird. Dieser Parameter wird als “Konvertierung” oder “Wiederherstellung” (S) bezeichnet. Die Rückgewinnung wird verringert, wenn das Permeat weiter zur Aufrechterhaltung des Prozessbetriebs verwendet wird, üblicherweise zur Membranreinigung.
Die Filtration führt zu einer Erhöhung des Strömungswiderstands. Im Falle des Sackgassenfiltrationsprozesses steigt der Widerstand entsprechend der Dicke des auf der Membran gebildeten Kuchens. Infolgedessen nehmen die Permeabilität (k) und der Fluss proportional zur Feststoffkonzentration schnell ab [1] und erfordert daher eine regelmäßige Reinigung.
Bei Querströmungsprozessen wird die Materialabscheidung fortgesetzt, bis die Kräfte des Bindungskuchens an die Membran durch die Kräfte der Flüssigkeit ausgeglichen werden. Zu diesem Zeitpunkt erreicht die Querstromfiltration einen stationären Zustand [2]und somit bleibt der Fluss mit der Zeit konstant. Daher erfordert diese Konfiguration weniger regelmäßige Reinigung.
Verschmutzung[edit]
Verschmutzung kann als mögliche Ablagerung und Ansammlung von Bestandteilen im Beschickungsstrom auf der Membran definiert werden.
Die Verschmutzung kann durch verschiedene physikalisch-chemische und biologische Mechanismen erfolgen, die mit der erhöhten Ablagerung von festem Material auf der Membranoberfläche zusammenhängen. Die Hauptmechanismen, durch die Verschmutzung auftreten kann, sind:
- Aufbau von Bestandteilen des Speisewassers auf der Membran, das einen Strömungswiderstand verursacht. Dieser Aufbau kann in verschiedene Typen unterteilt werden:
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- Porenverengung, das aus festem Material besteht, das an der Innenfläche der Poren befestigt wurde.
- Porenblockierung tritt auf, wenn die Partikel des Speisewassers in den Poren der Membran stecken bleiben.
- Gel- / Kuchenschichtbildung findet statt, wenn der Feststoff im Futter größer ist als die Porengrößen der Membran.
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- Bildung chemischer Niederschläge bekannt als schälend
- Besiedlung der Membran oder Biofouling findet statt, wenn Mikroorganismen auf der Membranoberfläche wachsen.[7]
Fouling-Kontrolle und -Minderung[edit]
Da Verschmutzungen bei der Konstruktion und dem Betrieb von Membransystemen eine wichtige Rolle spielen, da sie die Anforderungen an die Vorbehandlung, die Reinigungsanforderungen, die Betriebsbedingungen, die Kosten und die Leistung beeinflussen, sollten sie verhindert und gegebenenfalls beseitigt werden. Die Optimierung der Betriebsbedingungen ist wichtig, um Verschmutzungen zu vermeiden. Wenn jedoch bereits eine Verschmutzung aufgetreten ist, sollte diese durch physikalische oder chemische Reinigung entfernt werden.
Körperliche Reinigung Techniken für die Membran umfassen Membranrelaxation und Membranrückspülung.
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- Rückspülen oder Rückspülung besteht darin, das Permeat in umgekehrter Richtung durch die Membran zu pumpen. Durch das Rückspülen wird der größte Teil der durch Porenblockierung verursachten reversiblen Verschmutzung erfolgreich entfernt. Das Rückspülen kann auch durch Spülen der Luft durch die Membran verbessert werden.[8] Das Rückspülen erhöht die Betriebskosten, da Energie benötigt wird, um einen Druck zu erreichen, der für die Umkehrung des Permeatflusses geeignet ist.
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- Membranentspannung besteht darin, die Filtration während eines Zeitraums anzuhalten, und daher besteht keine Notwendigkeit für eine Umkehrung des Permeatflusses. Durch die Entspannung kann die Filtration vor der chemischen Reinigung der Membran über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden.
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- Zurück pulsierend Hochfrequenz-Rückpulsieren führt zu einer effizienten Entfernung der Schmutzschicht. Diese Methode wird am häufigsten für Keramikmembranen verwendet [3]
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- Jüngste Studien haben untersucht, ob Entspannung und Rückspülen kombiniert werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.[9][10]
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Chemische Reinigung. Die Entspannungs- und Rückspüleffektivität nimmt mit der Betriebszeit ab, da sich irreversibleres Fouling auf der Membranoberfläche ansammelt. Daher kann neben der physikalischen Reinigung auch eine chemische Reinigung empfohlen werden. Sie beinhalten:
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- Chemisch verbesserte RückspülungDas heißt, während der Rückspülzeit wird eine geringe Konzentration an chemischem Reinigungsmittel zugesetzt.
- Chemische Reinigung, wobei die Hauptreinigungsmittel Natriumhypochlorit (für organisches Fouling) und Zitronensäure (für anorganisches Fouling) sind. Jeder Membranlieferant schlägt seine chemischen Reinigungsrezepte vor, die sich hauptsächlich in Bezug auf Konzentration und Methoden unterscheiden.[11]
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Betriebsbedingungen optimieren. Es können verschiedene Mechanismen ausgeführt werden, um die Betriebsbedingungen der Membran zu optimieren, um ein Verschmutzen zu verhindern, zum Beispiel:
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- Fluss reduzieren. Das Flussmittel reduziert immer die Verschmutzung, wirkt sich jedoch auf die Kapitalkosten aus, da es mehr Membranfläche erfordert. Es besteht aus Arbeiten mit nachhaltigem Flussmittel, das als das Flussmittel definiert werden kann, für das der TMP allmählich mit einer akzeptablen Geschwindigkeit ansteigt, so dass keine chemische Reinigung erforderlich ist.
- Verwenden von Querstromfiltration statt Sackgasse. Bei der Querstromfiltration wird nur eine dünne Schicht auf der Membran abgeschieden, da nicht alle Partikel auf der Membran zurückgehalten werden, sondern das Konzentrat sie entfernt.
- Vorbehandlung des Speisewassers wird verwendet, um die suspendierten Feststoffe und den Bakteriengehalt des Speisewassers zu reduzieren. Es werden auch Flockungs- und Koagulationsmittel wie Eisenchlorid und Aluminiumsulfat verwendet, die, sobald sie im Wasser gelöst sind, Materialien wie suspendierte Feststoffe, Kolloide und lösliche organische Stoffe adsorbieren.[12] Metaphysische numerische Modelle wurden eingeführt, um Transportphänomene zu optimieren [13]
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Membranveränderung. Jüngste Bemühungen konzentrierten sich auf die Beseitigung von Membranverschmutzung durch Veränderung der Oberflächenchemie des Membranmaterials, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass Verschmutzungen an der Membranoberfläche haften. Die genaue chemische Strategie hängt von der Chemie der zu filternden Lösung ab. Zum Beispiel könnten Membranen, die bei der Entsalzung verwendet werden, hydrophob gemacht werden, um einer Verschmutzung durch Anreicherung von Mineralien zu widerstehen, während Membranen, die für Biologika verwendet werden, hydrophil gemacht werden könnten, um die Anreicherung von Protein / Organik zu verringern. Eine Modifikation der Oberflächenchemie durch Dünnschichtabscheidung kann dadurch die Verschmutzung stark reduzieren. Ein Nachteil bei der Verwendung von Modifikationstechniken besteht darin, dass in einigen Fällen die Flussrate und Selektivität des Membranprozesses negativ beeinflusst werden können.[14]
Anwendungen[edit]
Bestimmte Merkmale von Membranen sind verantwortlich für das Interesse, sie als zusätzlichen Einheitsbetrieb für Trennprozesse in Fluidprozessen zu verwenden. Einige der genannten Vorteile sind:[2]
- Weniger energieintensiv, da keine größeren Phasenwechsel erforderlich sind
- Fordern Sie keine Adsorbentien oder Lösungsmittel an, die teuer oder schwer zu handhaben sein können
- Einfachheit und Modularität der Ausrüstung, was den Einbau effizienterer Membranen erleichtert
Membranen werden mit Druck als Antriebsverfahren bei der Membranfiltration von gelösten Stoffen und bei der Umkehrosmose eingesetzt. Bei der Dialyse und Pervaporation ist das chemische Potential entlang eines Konzentrationsgradienten die treibende Kraft. Auch die Pertraktion als membranunterstützter Extraktionsprozess beruht auf dem Gradienten des chemischen Potentials.
Ihr überwältigender Erfolg in biologischen Systemen wird jedoch von ihrer Anwendung nicht erreicht.[15] Die Hauptgründe dafür sind genannt
- Fouling – die Abnahme der Funktion bei Verwendung
- Unzulässige Kosten pro Membranfläche
- Mangel an lösungsmittelbeständigen Materialien
- Risiken erhöhen
Verweise[edit]
- ^ Cheryan, M. (1998). Handbuch zur Ultrafiltration und Mikrofiltration. Lancaster, PA.: Echonomic Publishing Co., Inc.
- ^ ein b Membranen auf Polyolefinanlagen Vent Vent Recovery, Improvement Economics Program. Intratec. 2012. ISBN 978-0615678917. Archiviert von das Original am 2013-05-13.
- ^ Mulder, Marcel (1996). Grundprinzipien der Membrantechnologie (2. Aufl.). Kluwer Academic: Springer. ISBN 978-0-7923-4248-9.
- ^ ein b Crites und Tchobangiglous (1998). Kleine und dezentrale Abwassermanagementsysteme. New York: McGraw-Hill Book Company.
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Literaturverzeichnis[edit]
- Metcalf und Eddy. Abwassertechnik, Behandlung und Wiederverwendung. McGraw-Hill Book Company, New York. Vierte Ausgabe, 2004.
- Paula van den Brink, Frank Vergeldt, Henk Van As, Arie Zwijnenburg, Hardy Temmink, Mark CMvan Loosdrecht. “Potenzial der mechanischen Reinigung von Membranen aus einem Membranbioreaktor”. Zeitschrift für Membranwissenschaft. 429, 2013. 259-267.
- Simon Judd. Das Membran-Bioreaktor-Buch: Prinzipien und Anwendungen von Membran-Bioreaktoren für die Wasser- und Abwasserbehandlung. Elsevier, 2010.
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