
Нанофильтрационные мембраны появились в конце 1980-х годов как новая технология разделения. Их молекулярный вес находится между мембранами обратного осмоса и ультрафильтрации, обычно в диапазоне от 100 до 2000 Да.
Нанофильтрационная мембрана: размер пор превышает 1 нанометр, обычно составляет от 1 до 2 нанометров. Эта функциональная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы растворителя, некоторые низкомолекулярные растворенные вещества или низковалентные ионы. Она представляет собой специализированную и очень перспективную технологию мембранного разделения, названную так за ее способность удерживать вещества в нанометровом масштабе. Области применения включают удаление органических соединений и окраски из поверхностных вод, умягчение грунтовых вод, частичное удаление растворенных солей, концентрирование соков и выделение ценных веществ из фармацевтических препаратов.
Нанофильтрационные мембраны появились в конце 1980-х годов как новая технология разделения. Их молекулярный вес находится между мембранами обратного осмоса и ультрафильтрации, обычно в диапазоне от 100 до 2000 Да. Это говорит о том, что нанофильтрационные мембраны обладают микропористой структурой размером примерно 1 нм, отсюда и название «нанофильтрация». Большинство нанофильтрационных мембран являются композитными мембранами, имеющими поверхностный сепарационный слой, состоящий из полиэлектролитов, благодаря чему они демонстрируют определенную степень удержания неорганических солей. Коммерчески доступные за рубежом нанофильтрационные мембраны в основном производятся путем нанесения ультратонкого сепарационного слоя с наноразмерными порами на микропористую базовую мембрану с помощью методов межфазной поликонденсации и конденсации.
Нанофильтрационные мембраны могут задерживать вещества в нанометровом масштабе (0,001 микрометра). Работая между ультрафильтрацией и обратным осмосом, мембраны для нанофильтрации демонстрируют степень отклонения солей на уровне 20–98 %. Они демонстрируют более низкую эффективность удаления растворимых одновалентных ионов по сравнению с многовалентными ионами. Обычно используемая для удаления органических веществ и красителей из поверхностных вод, жесткости и радия из подземных вод, а также для частичного удаления растворенных солей, нанофильтрация также используется в пищевом и фармацевтическом производстве для извлечения и концентрирования ценных веществ. Рабочее давление мембран для нанофильтрации обычно составляет от 3,5 до 30 бар.
Ключ к процессу нанофильтрации заключается в нанофильтрационной мембране. Требования к материалу мембраны включают: отличные пленкообразующие свойства, термическую стабильность, химическую стабильность, высокую механическую прочность, устойчивость к кислотно-щелочной и микробной коррозии, устойчивость к хлору и другим окисляющим веществам, высокий водный поток и высокую степень отклонения солей, устойчивость к загрязнению коллоидными и взвешенными твердыми частицами, а также доступность по цене. Используемые нанофильтрационные мембраны в основном представляют собой ароматические и поликислотные композитные нанофильтрационные мембраны. Композитные мембраны представляют собой асимметричные структуры, состоящие из двух отдельных компонентов: пористого опорного слоя, действующего как каркас и работающего по принципу просеивания, и тонкого плотного разделительного слоя, механизм действия которого можно объяснить теорией растворения-диффузии. В случае композитных мембран оптимизация как активного поверхностного слоя, так и несущего слоя с точки зрения материала и структуры позволяет производить высокоэффективные мембраны. Конфигурации мембранных модулей включают полые волокна, спирально намотанные, пластинчато-рамные и трубчатые типы. Модули с полыми волокнами и спирально намотанные модули обеспечивают высокую плотность упаковки, более низкую стоимость и благоприятные внутренние гидродинамические условия; Однако эти два типа мембранных модулей требуют высокой точности изготовления, создают проблемы с герметизацией, демонстрируют низкую устойчивость к загрязнению во время эксплуатации и требуют строгой предварительной очистки подаваемой жидкости. Пластинчато-рамные и трубчатые мембранные модули, хотя и обеспечивают более легкую очистку и лучшую устойчивость к загрязнению, характеризуются более низкой плотностью упаковки мембран и более высокой стоимостью. В результате в системах нанофильтрации преимущественно используются полые волокнистые или спирально-навитые мембранные модули.
В Китае теоретические исследования процесса нанофильтрации начались относительно рано, хотя разработка нанофильтрационных мембран все еще находится на ранней стадии. В таких странах, как США и Япония, достигнут значительный прогресс в разработке нанофильтрационных мембран, которые уже достигли уровня коммерциализации. Примерами могут служить нанофильтрационные мембраны серии NF от Filmtec (США), нанофильтрационные мембраны серии NTR-7400 от Nitto Denko (Япония) и нанофильтрационные мембраны серии UTC от Toray Industries, которые широко применяются в качестве коммерческих композитных нанофильтрационных мембран в секторе водоочистки.
Для обычных мембран обратного осмоса коэффициент отклонения соли служит важным показателем эффективности мембранного разделения. Однако для мембран нанофильтрации коэффициент отклонения соли сам по себе не позволяет адекватно охарактеризовать их сепарационные способности. Иногда мембраны нанофильтрации демонстрируют более низкие коэффициенты удержания веществ с большей молекулярной массой по сравнению с веществами с меньшей молекулярной массой. Механизм фильтрации мембран нанофильтрации является весьма сложным. Поскольку технология нанофильтрации остается новой областью, исследования ее механизмов все еще находятся в экспериментальной фазе, а доступная литература по этому вопросу ограничена. Тем не менее, учитывая, что нанофильтрация является разновидностью обратного осмоса, многие явления можно объяснить с помощью моделей механизма обратного осмоса. Что касается теории проникновения через мембраны обратного осмоса [2], то среди наиболее известных моделей можно выделить: теорию растворения-диффузии, предложенную Лэнгсдейлом и Мертоном; теорию водородных связей, предложенную Ридом и Бретоном; теорию диффузионного потока через поры, предложенную Шервудом; теорию селективной адсорбции и потока через поры, предложенную Лоб и Сорлакином; и теорию пор, предложенную Глюковым.
На эффективность фильтрации нанофильтрационных мембран также влияют зарядные свойства мембраны и процесс производства. Различные нанофильтрационные мембраны демонстрируют разную селективную проницаемость в отношении растворенных веществ; например, традиционные мембраны обычно демонстрируют более высокие коэффициенты удержания двухвалентных ионов, чем одновалентных, а в многокомпонентных смесях коэффициенты удержания одновалентных ионов могут даже снижаться. На практическую эффективность разделения нанофильтрационных мембран также влияют условия эксплуатации, такие как давление, концентрация раствора и температура. Например, пропускная способность увеличивается с ростом рабочего давления, а степень удержания уменьшается с увеличением концентрации раствора.
1. Процесс концентрирования и очистки проводится при комнатной температуре, без фазовых переходов и химических реакций. Он не вносит дополнительных примесей и не вызывает разложения или денатурации продукта, что делает его особенно подходящим для термочувствительных веществ.
2. Он позволяет удалять соли из продуктов, снижать содержание золы и повышать чистоту продукта. По сравнению с обессоливанием с помощью растворителей этот метод не только обеспечивает более высокое качество продукта, но и повышает общий выход.
3. Высокая производительность процесса с минимальными потерями 4. Восстановление ценных веществ, таких как кислоты, щелочи и спирты, из растворов, что позволяет повторно использовать ресурсы
4. Оборудование отличается компактной конструкцией, занимает мало места и имеет низкое энергопотребление.
5. Простота в эксплуатации, возможность автоматического управления, отличная стабильность и легкость в обслуживании.
Нанофильтрационные мембраны имеют широкий спектр применения, в первую очередь в следующих областях
1. Деминерализация подземных вод
2. Удаление органических веществ и окраски из поверхностных вод
3. Разделение нефти и воды
4. Регенерация этиленгликоля
5. Извлечение сульфата меди
6. Разделение и концентрирование органических и неорганических жидкостей
7. Очистка, концентрирование и обессоливание красителей
8. Очистка, концентрирование и обессоливание красителей
9. Концентрация ферментационного бульона
Бытовой диспенсер для воды
Мембранная технология. В сельских районах Китая водоочистные станции небольших городов часто страдают от неэффективного управления, что может приводить к бактериальному загрязнению сточных вод, требующему дополнительной очистки.