Classificatie van membraanscheiding: zes lenzen voor het kiezen van het juiste membraan

Membraanscheiding splitst voer op in permeaat en retentaat, overal waar water, chemicaliën, voedselingrediënten, farmaceutische producten of metalen moeten worden teruggewonnen of verwijderd. Het komt voor bij ontzilting, hergebruik van water, zuivel, ultrapuur water, hydrometallurgie en terugwinning van oplosmiddelen. Toch beschrijft ‘membraanscheiding’ een familie van processen, en niet een enkel product. Twee elementen met vergelijkbare behuizingen kunnen verschillen qua polymeer, poriegrootte, oppervlaktelading, aandrijfkracht en verpakking. Daarom helpt het zoeken naar ‘het beste membraan’ zelden.

De classificatie voor membraanscheiding groepeert deze processen op basis van de vraag die ze beantwoorden: wat is het product, waar is het membraan van gemaakt, wat drijft het transport aan, hoe strak is de snede, hoe is de barrière gestructureerd en hoe is deze verpakt. De zes onderstaande lenzen zijn complementaire weergaven van één specificatie; Als ze achtereenvolgens worden gebruikt, beperken ze een drukke markt tot een korte lijst die het testen waard is.

                              ----Wat moet weg en wat moet blijven?

De eerste lens is proceseconomie. Als permeaat het product is, is de taak zuivering: water passeert terwijl zouten, colloïden of organische stoffen worden vastgehouden. Omgekeerde osmose voor ultrapuur water is het duidelijkste voorbeeld. Als retentaat het product is, is het de taak van concentratie: water gaat als permeaat weg terwijl waardevolle of problematische soorten achterblijven. Een membraan dat een metaalhoudende stroom concentreert, is een concentratiemembraan, ook al lijken het polymeer en de poriën op NF.

Als beide stromen waarde hebben, is het scheiden de taak. Als het doel een smalle fractie tussen twee grenswaarden is, is de taak extractie: materiaal passeert een losser membraan maar wordt vastgehouden door een strakker membraan, dus het product is de fractie tussen de twee grenzen. Elk label verandert de statistiek. De zuivering wordt beoordeeld op basis van de kwaliteit van het permeaat, de concentratie op herstel en de sterkte van het retentaat, en de scheiding van beide stromen.

De speciale membranen van YIME laten zien hoe één technologie van rol verandert. Het edelmetaalmembraan houdt de metaalwaarden in het concentraat vast en werkt dus als een concentratiemembraan. Het omgekeerde osmosemembraan is ontworpen rond het permeaat – zuiver water – en is dus een zuiveringsmembraan. Verschillende producten, verschillende statistieken.

---- Organisch, anorganisch en metaal

De tweede lens is chemie. Organische membranen gebruiken polymeren zoals polysulfon (PSf), polypropyleen (PP), polyacrylonitril (PAN), polyvinylideenfluoride (PVDF), polyethersulfon (PES), celluloseacetaat (CA), aromatisch polyamide en op piperazine gebaseerd polyamide. Ze domineren de waterbehandeling omdat ze goedkoop zijn, in modules met een groot oppervlak zijn verpakt en bij lagere drukken werken dan keramiek.Hun grenzen zijn praktisch: oxidatiemiddelen, oplosmiddelen, extreme pH-waarden of hitte tasten het polymeer aan; mechanische sterkte is beperkt; en het schoonmaken van ramen is smaller.

Anorganische membranen zijn doorgaans keramiek, glas of silicaten, met selectieve lagen aluminiumoxide, zirkoniumoxide, titaanoxide of silica. Ze tolereren hoge temperaturen, agressieve reiniging en agressieve chemicaliën, en kunnen hard worden teruggespoeld. In ruil daarvoor zijn ze zwaarder, duurder, bros onder thermische schokken en hebben ze minder oppervlakte per volume-eenheid. Metalen membranen vormen een kleinere groep: dichte palladiumlegeringen scheiden waterstof af en poreus roestvrij staal dient als drager. Metaaloxidemembranen worden meestal gegroepeerd met keramiek.

De families komen samen. Organische membranen krijgen geladen coatings, vulstoffen met gemengde matrix en composietlagen; keramiek krijgt dunnere lagen en een hogere pakdichtheid. Aromatisch polyamide domineert nog steeds de omgekeerde osmose, terwijl NF, UF en MF meer polymeren en oppervlaktechemie bieden. Door deze variëteit kan een membraan worden aangepast aan een taak, en niet worden gekozen op basis van de poriegrootte.

De nanofiltratielijn van YIME is een voorbeeld: uitgaande van een nanofiltratiesubstraat gebruikt het bedrijf een multidimensionale tussenlaagcoördinatiestrategie om de scheiding tussen monovalente en divalente metaalionen af ​​te stemmen. Geen enkel polymeer is universeel beter; chemie kan worden ontwikkeld rond een scheidingsprobleem.

---Wat veroorzaakt de scheiding?

Elk membraanproces heeft een gradiëntdruk, partiële druk, osmotische druk, concentratie, elektrisch potentieel of temperatuur nodig. Die gradiënt bepaalt meer de uitrusting, de energie en de vervuilingsmodus dan de poriegrootte.

Drukgedreven processen zijn bekend, maar niet de hele familie. Elektrodialyse maakt gebruik van ionenuitwisselingsmembranen en een elektrisch veld om geladen soorten te verwijderen zonder een strak polymeer.Membraandestillatie voert waterdamp door een hydrofoob membraan, zodat pekelwater kan worden behandeld dat RO zou vervuilen. Voorwaartse osmose maakt gebruik van een osmotische gradiënt in plaats van een pomp, hoewel er nog steeds herstel van de zuigoplossing nodig is. Een membraan dat uitblinkt onder druk kan onder een andere gradiënt irrelevant zijn.

Voor deYIME-AgR100-8040 Zilverionenconcentratiemembraan, de drijvende kracht is druk: 2,5 MPa (363 psi). Dat plaatst het aan de hogedrukkant van nanofiltratie, dichter bij omgekeerde osmose dan bij lagedrukultrafiltratie. De druk vloeit voort uit de krappe grens van 100 Da en de noodzaak om de osmotische druk en concentratiepolarisatie in geconcentreerde cyanidestromen te overwinnen.

---Van MF naar RO, met omwegen

Separatieprecisie is de meest gebruikte lens en de meest versimpelde lens. Microfiltratie (MF) verwijdert zwevende deeltjes, bacteriën en algen op 0,1–10 µm. Ultrafiltratie (UF)werkt bij ongeveer 1–100 nm en houdt colloïden, eiwitten, oliën en macromoleculen vast. Nanofiltratie (NF) bevindt zich op ongeveer 0,5–2 nm, wijst veel meerwaardige ionen en kleine organische stoffen af, en laat enkele eenwaardige ionen door. Omgekeerde osmose (RO) is strakker en stoot de meeste opgeloste ionen af ​​tijdens het passeren van water. 

Deze bereiken zijn indicatief. De werkelijke retentie hangt af van de lading, hydrofiliteit, morfologie, voedingsconcentratie, pH, temperatuur en de testmethode voor de grenswaarde van het molecuulgewicht (MWCO). MWCO wordt meestal toegewezen met neutrale sondes, dus het kan op zichzelf de afstoting van een geladen ion niet voorspellen. Twee "NF"-membranen kunnen zich heel verschillend gedragen op dezelfde pekel. 

ED, EDI en MD verschijnen in dezelfde tabel omdat kopers ze naast elkaar vergelijken, maar ze zijn geen neven op poriegrootte. ED en EDI gebruiken elektrisch potentieel; MD maakt gebruik van een thermische gradiënt.

---Wat de dwarsdoorsnede onthult

Membraanstructuur beschrijft hoe de barrière wordt gebouwd. Een symmetrisch membraan is ruwweg uniform door zijn dikte. Een asymmetrisch membraan heeft een dunne selectieve huid op een meer open drager van hetzelfde polymeer. Een dunnefilmcomposiet (TFC) gaat nog verder: een ultradunne selectieve laag wordt op een poreuze drager aangebracht, zodat de barrièrechemie en de ondersteuningsmechanica onafhankelijk van elkaar kunnen worden geoptimaliseerd. De meeste RO- en veel NF-membranen zijn om deze reden composieten. 

Structuur omvat ook porositeit en oppervlaktechemie. MF- en UF-membranen zijn poreus; RO-membranen zijn compact en afhankelijk van oplossingsdiffusie, niet van zeven. NF zit ertussen, met poriën die zo klein zijn dat lading en diëlektrische effecten ertoe doen. Geladen, gemengde matrix en op de tussenlagen afgestemde membranen proberen selectiviteit los te koppelen van permeabiliteit. De doorsnede bepaalt de afweging tussen vloei, afstoting, vervuiling en sterkte. Een composiet met een hoge flux kan falen als de voeding schuurmiddelen bevat of als schoonmaakmiddelen de tussenlaag aantasten. Een keramisch membraan kan geschikt zijn voor gebruik bij hoge vaste stoffen en hoge temperaturen, zelfs bij een lagere flux.

---Hoe het membraan is verpakt

De laatste lens is de module die van een plat membraan een element maakt. Spiraalgewonden modules rollen vlakke platen rond een permeaatbuis, waarbij afstandhouders stromingskanalen creëren. Ze bieden een hoge pakkingsdichtheid, voorspelbare opschaling en lagere kosten per vierkante meter. Daarom domineren ze RO en NF. Hollevezelmodules gebruiken duizenden fijne vezels voor een groot oppervlak per volume, maar vervuilen gemakkelijk en worden vaak teruggespoeld. Buisvormige modules kunnen voer met een hoog vastestofgehalte en viskeuze voeding verwerken, maar nemen minder oppervlakte in beslag. Plaat-en-framemodules zijn eenvoudig schoon te maken en geschikt voor kleine, vuile of hoogwaardige stromen. Keramische monolieten combineren vele kanalen in één blok voor zware chemische en thermische toepassingen.

De YIME-AgR100-8040 maakt gebruik van een spiraalgewonden 8040-element met een diameter van 8,0 inch, een lengte van 40 inch en een oppervlakte van 37,2 m². Dat formaat past bij een schone, voorgefilterde hogedrukstroom en verpakt gebied in een standaardvat. Het is niet geschikt voor voer met veel vaste stoffen of veel vervuiling; buisvormige of plaat-en-frame-ontwerpen kunnen robuuster zijn, tegen hogere kapitaalkosten.

De structuur van de elementen zorgt voor verrassingen in de proeffabriek. Een membraan dat goed presteert in een vlakke-plaattest kan flux verliezen in een spiraalgewonden element wanneer de voedingsafstandhouder vervuild raakt, de drukval stijgt of de concentraatstroom te laag is. Het maximale drukverschil en de minimale concentraat-permeaatverhouding verdienen daarom evenveel aandacht als afwijzing. Ze definiëren het hydraulische bereik waarin testgegevens prestaties worden.