Mikrofiltrace - Microfiltration

Mikrofiltrace je typ fyzikálního procesu filtrace, kdy kontaminovaná tekutina prochází speciální membránou o velikosti pórů k oddělení mikroorganismů a suspendovaných částic od procesní kapaliny . Běžně se používá ve spojení s různými dalšími separačními procesy, jako je ultrafiltrace a reverzní osmóza, za vzniku proudu produktu, který je bez nežádoucích nečistot .

Obecné zásady

Mikrofiltrace obvykle slouží jako předúprava pro další separační procesy, jako je ultrafiltrace , a následná úprava pro filtraci granulovaného média . Typická velikost částic použitých pro mikrofiltraci se pohybuje od asi 0,1 do 10 um . Pokud jde o přibližnou molekulovou hmotnost, mohou tyto membrány oddělit makromolekuly o molekulové hmotnosti obecně nižší než 100 000 g / mol. Filtry používané v procesu mikrofiltrace jsou speciálně navrženy tak, aby zabránily průchodu částic, jako jsou sedimenty , řasy , prvoky nebo velké bakterie, prostřednictvím speciálně navrženého filtru. Další mikroskopické, atomové nebo iontové materiály, jako je voda (H 2 O), monovalentní druhy, jako je například sodík (Na + ) nebo chlorid (Cl - ) ionty, který je rozpuštěn nebo přírodní organické hmoty , a malé koloidy a virů , budou moci projít přes filtr.

Suspendovaná kapalina prochází při relativně vysoké rychlosti kolem 1–3 m / s a ​​při nízkých až středních tlacích (kolem 100–400 kPa ) rovnoběžných nebo tangenciálních k polopropustné membráně ve formě listu nebo trubice. Na zpracovatelské zařízení je obvykle namontováno čerpadlo, které umožňuje kapalině procházet membránovým filtrem. K dispozici jsou také dvě konfigurace čerpadel, buď tlakově poháněné nebo vakuové . K měření poklesu tlaku mezi výstupním a vstupním proudem se běžně připojuje diferenciální nebo běžný tlakoměr . Obecné nastavení najdete na obrázku 1.

Obrázek 1: Celkové nastavení pro mikrofiltrační systém

Nejhojnější využití mikrofiltračních membrán je ve vodním , nápojovém a biologickém průmyslu (viz níže). Proud výstupního procesu po zpracování za použití mikrofiltru má míru zotavení, která se obecně pohybuje v rozmezí přibližně 90-98%.

Rozsah použití

Úprava vody

Hlavní článek: Úprava vody

Snad nejvýznamnější použití mikrofiltračních membrán se týká úpravy zásob pitné vody. Membrány jsou klíčovým krokem v primární dezinfekci nasávaného proudu vody. Takový proud může obsahovat patogeny , jako jsou prvoky Cryptosporidium a Giardia lamblia, které jsou odpovědné za četná ohniska nemoci. Oba druhy vykazují postupnou odolnost vůči tradičním dezinfekčním prostředkům (tj. Chlóru ). Použití membrán MF představuje fyzikální prostředek separace (bariéru) na rozdíl od chemické alternativy. V tomto smyslu probíhá filtrace i dezinfekce v jediném kroku, čímž se eliminují dodatečné náklady na dávkování chemikálií a odpovídající vybavení (potřebné pro manipulaci a skladování).

Podobně se membrány MF používají v druhotných odpadních vodách k odstranění zákalu, ale také k zajištění dezinfekce. V této fázi lze potenciálně přidat koagulanty ( železo nebo hliník ), aby se vysrážely druhy, jako je fosfor a arsen, které by jinak byly rozpustné.

Sterilizace

Hlavní článek: Sterilizace (mikrobiologie)

Další zásadní použití membrán MF spočívá ve studené sterilizaci nápojů a léčiv . Historicky se ke sterilizaci občerstvení, jako je džus, víno a pivo, používalo teplo, nicméně po zahřátí byla jasně patrná chutná ztráta chuti. Podobně bylo prokázáno, že léčiva ztrácejí účinnost po přidání tepla. Membrány MF se v těchto průmyslových odvětvích používají jako metoda odstraňování bakterií a jiných nežádoucích suspenzí z kapalin, což je postup označovaný jako „studená sterilizace“, která vylučuje použití tepla.

Rafinace ropy

Hlavní článek: Procesy rafinace ropy

Kromě toho nacházejí mikrofiltrační membrány stále větší využití v oblastech, jako je rafinace ropy, ve kterých je obzvláště důležité odstraňování částic ze spalin . Klíčovými výzvami / požadavky pro tuto technologii jsou schopnost membránových modulů odolat vysokým teplotám (tj. Udržovat stabilitu), ale také konstrukce musí být taková, aby poskytovala velmi tenký povlak (tloušťka <2 000 angstromů ) pro usnadnění zvýšení toku . Kromě toho musí mít moduly nízký profil znečištění a co je nejdůležitější, musí být dostupné za nízkou cenu, aby byl systém finančně životaschopný.

Zpracování mléka a mléčných výrobků

Hlavní článek: Mléčné výrobky

Kromě výše uvedených aplikací našly membrány MF dynamické použití v hlavních oblastech mléčného průmyslu, zejména při zpracování mléka a syrovátky. Membrány MF pomáhají při odstraňování bakterií a souvisejících spór z mléka tím, že brání průchodu škodlivých druhů. Toto je také předchůdce pasterizace , což umožňuje prodlouženou trvanlivost produktu. Nejslibnější technika pro membrány MF v této oblasti však spočívá v separaci kaseinu od syrovátkových proteinů (tj. Bílkovin séra mléka). Výsledkem jsou dva produktové toky, na které se zákazníci velmi spoléhají; proud koncentrátu obohaceného o kasein používaný pro výrobu sýrů a proud syrovátkového / sérového proteinu, který se dále zpracovává (pomocí ultrafiltrace ) za vzniku koncentrátu syrovátkového proteinu. Proud syrovátkové bílkoviny prochází další filtrací, aby se odstranil tuk, aby se dosáhlo vyššího obsahu bílkovin v konečném prášku WPC (Whey Protein Concentrate) a WPI (Whey Protein Isolate).

Další aplikace

Mezi další běžné aplikace využívající mikrofiltraci jako hlavní separační proces patří

  • Vyjasnění a čištění buněčných bujónů, kde mají být makromolekuly odděleny od jiných velkých molekul, proteinů nebo buněčných zbytků.
  • Další biochemické a biologické aplikace, jako je čiření dextrózy .
  • Výroba barev a lepidel.

Charakteristika hlavního procesu

Procesy membránové filtrace lze odlišit třemi hlavními charakteristikami: hnací silou, retentovaným proudem a permeátovými proudy. Proces mikrofiltrace je řízen tlakem se suspendovanými částicemi a vodou jako retentátem a rozpuštěnými látkami plus vodou jako permeátem. Použití hydraulického tlaku urychluje proces separace zvýšením průtoku ( toku ) proudu kapaliny, ale neovlivňuje chemické složení druhů v proudech retentátu a produktu.

Hlavní charakteristikou, která omezuje výkon mikrofiltrace nebo jakékoli membránové technologie, je proces známý jako zanášení . Znečištění popisuje usazování a akumulaci složek krmiva, jako jsou suspendované částice, nepropustné rozpuštěné rozpuštěné látky nebo dokonce propustné rozpuštěné látky, na povrchu membrány a uvnitř pórů membrány. Zanesení membrány během filtračních procesů snižuje tok a tím celkovou účinnost provozu. To je indikováno, když pokles tlaku vzroste do určitého bodu. Vyskytuje se, i když jsou provozní parametry konstantní (tlak, průtok, teplota a koncentrace) Zanášení je většinou nevratné, i když část znečištěné vrstvy lze na krátkou dobu vyčistit.

Mikrofiltrační membrány mohou obecně pracovat v jedné ze dvou konfigurací.

Obrázek 2: Geometrie příčného toku
Obrázek 3: Geometrie slepého konce

Filtrace s příčným tokem : kde tekutina prochází tangenciálně vzhledem k membráně. Část napájecího proudu obsahujícího upravenou kapalinu se shromažďuje pod filtrem, zatímco části vody procházejí nezpracovanou membránou. Filtrací s příčným tokem se rozumí spíše jednotková operace než proces. Na obrázku 2 je obecné schéma procesu.

Slepá filtrace ; všechny proudy procesní tekutiny a všechny částice větší než velikost pórů membrány jsou zastaveny na jejím povrchu. Veškerá napájecí voda je ošetřena najednou, přičemž se vytvoří koláč. Tento proces se většinou používá pro dávkovou nebo polokontinuální filtraci nízko koncentrovaných roztoků, obecné schéma tohoto procesu je uvedeno na obrázku 3.

Návrh procesu a zařízení

Mezi hlavní problémy, které ovlivňují výběr membrány, patří

Problémy specifické pro web

Specifické problémy s membránami

  • Náklady na pořízení a výrobu materiálu
  • Provozní teplota
  • Tlak přes membránu
  • Membránový tok
  • Vlastnosti manipulační kapaliny (viskozita, zákal, hustota)
  • Monitorování a údržba systému
  • Čištění a ošetření
  • Likvidace zbytků z procesu

Proměnné návrhu procesu

  • Provoz a řízení všech procesů v systému
  • Konstrukční materiály
  • Zařízení a vybavení ( ovladače , senzory ) a jejich náklady.

Základní heuristika designu

Níže uvádíme několik důležitých heuristik designu a jejich posouzení:

  • Při zpracování surových kontaminovaných tekutin mohou tvrdé ostré materiály opotřebovat porézní dutiny v mikrofiltru, což je činí neúčinnými. Před průchodem mikrofiltrem musí být kapaliny podrobeny předběžnému ošetření. Toho lze dosáhnout variací procesů makro separace, jako je třídění nebo filtrace granulovaného média.
  • Při provádění režimů čištění nesmí membrána po kontaktu procesním proudem vyschnout. Důkladné propláchnutí membránových modulů, potrubí, čerpadel a dalších připojení jednotky by mělo být prováděno, dokud nebude koncová voda čistá.
  • Mikrofiltrační moduly jsou typicky nastaveny tak, aby pracovaly při tlacích 100 až 400 kPa. Takové tlaky umožňují odstraňování materiálů, jako je písek, štěrbiny a jíly, a také bakterií a prvoků.
  • Při prvním použití membránových modulů, tj. Při spouštění zařízení, je třeba dobře navrhnout podmínky. Obecně je vyžadován pomalý start, když je přívod zaveden do modulů, protože i nepatrná odchylka nad kritickým tokem bude mít za následek nevratné znečištění.

Stejně jako jakékoli jiné membrány jsou mikrofiltrační membrány náchylné k znečištění. (Viz obrázek 4 níže) Je proto nutné provádět pravidelnou údržbu, aby se prodloužila životnost membránového modulu.

  • K dosažení tohoto cíle se používá běžné „ zpětné proplachování “. V závislosti na konkrétní aplikaci membrány se zpětné proplachování provádí v krátkých dobách (obvykle 3 až 180 s) a ve středně častých intervalech (5 minut až několik hodin). Podmínky turbulentního toku s Reynoldsovými čísly vyššími než 2100, ideálně mezi 3000 - 5000 by měly být použity. To by však nemělo být zaměňováno s „zpětným proplachováním“, přísnější a důkladnější technikou čištění, běžně používanou v případech znečištění částicemi a koloidy.
  • Pokud je k odstranění stržených částic zapotřebí většího čištění , použije se technika CIP (Clean In Place). Obvykle se k tomu používají čisticí prostředky / detergenty , jako je chlornan sodný , kyselina citrónová , hydroxid sodný nebo dokonce speciální enzymy. Koncentrace těchto chemikálií závisí na typu membrány (její citlivost na silné chemikálie), ale také na druhu látky (např. Usazování vodního kamene v důsledku přítomnosti iontů vápníku), které mají být odstraněny.
  • Další metoda pro zvýšení životnosti membrány může být proveditelná pro návrh dvou mikrofiltračních membrán v sérii . První filtr by se používal k předúpravě kapaliny procházející membránou, kde jsou na patroně zachycovány větší částice a usazeniny. Druhý filtr by fungoval jako zvláštní „kontrola“ částic, které jsou schopny projít první membránou, a také by zajišťovala screening částic na spodním spektru rozsahu.

Ekonomika designu

Náklady na návrh a výrobu membrány na jednotku plochy jsou ve srovnání s počátkem 90. let zhruba o 20% nižší a v obecném smyslu neustále klesají. Mikrofiltrační membrány jsou výhodnější ve srovnání s konvenčními systémy. Mikrofiltrační systémy nevyžadují nákladné cizí zařízení, jako jsou vločkovače, přidávání chemikálií, mísiče, usazovací a filtrační nádrže. Náklady na výměnu investičních nákladů na zařízení (membránové filtrační filtry atd.) Však mohou být stále relativně vysoké, protože zařízení může být vyrobeno pro konkrétní aplikaci. Pomocí heuristiky návrhu a obecných principů návrhu zařízení (zmíněných výše) lze prodloužit životnost membrány, aby se tyto náklady snížily.

Níže jsou uvedeny některé obecné tipy, jak snížit provozní náklady, prostřednictvím návrhu inteligentnějších systémů řízení procesů a efektivních návrhů zařízení

  • Provozování rostlin při sníženém toku nebo tlaku při nízké zátěži (zima)
  • Při extrémních podmínkách krmení odstavení rostlinných systémů na krátkou dobu z provozu.
  • Krátká odstávka (přibližně 1 hodina) během prvního spláchnutí řeky po dešti (v aplikacích na úpravu vody), aby se snížily náklady na čištění v počátečním období.
  • Použití nákladově efektivnějších čisticích chemikálií, kde je to vhodné (kyselina sírová místo kyseliny citrónové / fosforečné.)
  • Použití flexibilního systému návrhu řízení. Operátoři jsou schopni manipulovat s proměnnými a požadovanými hodnotami, aby dosáhli maximální úspory nákladů.

Tabulka 1 (níže) vyjadřuje orientační vodítko pro membránovou filtraci a provozní náklady na jednotku průtoku.

Parametr Množství Množství Množství Množství Množství
Návrhový průtok (mg / d) 0,01 0,1 1.0 10 100
Průměrný průtok (mg / d) 0,005 0,03 0,35 4.4 50
Kapitálové náklady ($ / gal) 18,00 $ 4,30 $ 1,60 $ 1,10 $ 0,85 $
Roční provozní a správní náklady ($ / kg) 4,25 $ 1,10 $ 0,60 $ 0,30 $ 0,25 $

Tabulka 1 Přibližné náklady na membránovou filtraci na jednotku průtoku

Poznámka:

  • Kapitálové náklady vycházejí z dolarů na galon kapacity čistírny
  • Návrhový tok se měří v milionech galonů za den.
  • Pouze náklady na membránu (v této tabulce není uvažováno žádné zařízení pro předúpravu nebo následnou úpravu)
  • Provozní a roční náklady vycházejí z ošetřených dolarů na tisíc galonů.
  • Všechny ceny jsou v amerických dolarech aktuální z roku 2009 a nejsou upraveny o inflaci.

Procesní zařízení

Membránové materiály

Materiály, které tvoří membrány používané v mikrofiltračních systémech, mohou být buď organické nebo anorganické v závislosti na kontaminujících látkách, které mají být odstraněny, nebo na typu aplikace.

Membránové vybavení

Obecné membránové struktury pro mikrofiltraci zahrnují

  • Filtry na obrazovce (Částice a látky, které jsou stejné velikosti nebo větší než otvory obrazovky, jsou zadrženy procesem a jsou shromažďovány na povrchu obrazovky)
  • Hloubkové filtry (Hmota a částice jsou vloženy do zúžení ve filtračním médiu, povrch filtru obsahuje větší částice, menší částice jsou zachyceny v užší a hlubší části filtračního média.)
Mikrofiltrační membránové moduly

Deska a rám (plochý list)

Membránové moduly pro mikrofiltraci slepých toků jsou hlavně konfigurace desek a rámů. Mají plochý a tenkovrstvý kompozitní list, kde je deska asymetrická. Tenká selektivní kůže je podporována na silnější vrstvě, která má větší póry. Tyto systémy jsou kompaktní a mají robustní design. Ve srovnání s filtrací s příčným tokem mají deskové a rámové konfigurace snížené investiční výdaje; provozní náklady však budou vyšší. Použití deskových a rámových modulů je nejvhodnější pro aplikace v menším a jednodušším měřítku (laboratorní), které filtrují zředěné roztoky.

Spirálovitě vinutý

Tento konkrétní design se používá pro křížovou filtraci. Konstrukce zahrnuje skládanou membránu, která je složena kolem perforovaného permeátového jádra, podobného spirále, která je obvykle umístěna v tlakové nádobě. Tento konkrétní design je preferován, když jsou zpracovávané roztoky silně koncentrované a v podmínkách vysokých teplot a extrémního pH . Tato konkrétní konfigurace se obecně používá ve větších průmyslových aplikacích mikrofiltrace.

Základní návrhové rovnice

Protože se separace dosahuje proséváním, je hlavním mechanismem přenosu pro mikrofiltraci přes mikroporézní membrány objemový tok.

Obecně lze říci, že vzhledem k malému průměru pórů je průtok v procesu laminární ( Reynoldsovo číslo <2100). Rychlost proudění tekutiny pohybující se póry lze tedy určit ( Hagen-Poiseuilleovou rovnicí), nejjednodušší z který za předpokladu parabolického rychlostního profilu .

Transmembránový tlak (TMP)

Transmembránový tlak (TMP) je definován jako průměr aplikovaného tlaku z přívodu na stranu koncentrátu membrány odečteného tlakem permeátu. To se týká hlavně filtrace slepých uliček a je to indikátorem toho, zda je systém dostatečně znečištěný, aby byla nutná výměna.

Kde

  • je tlak na straně podávání
  • je tlak koncentrátu
  • je tlak permeátu

Prostupovat tokem

Tok permeátu v mikrofiltraci je dán následujícím vztahem na základě Darcyho zákona

Kde

  • = Průtokový odpor membrány permeátu ( )
  • = Odolnost koláče permeátu ( )
  • μ = viskozita permeátu (kg m-1 s-1)
  • ∆P = tlaková ztráta mezi koláčem a membránou

Odolnost koláče je dána:

Kde

  • r = specifický odpor koláče (m-2)
  • Vs = objem koláče (m3)
  • AM = plocha membrány (m2)

U částic o velikosti mikronů je specifická odolnost proti koláči zhruba.

Kde

  • ε = Pórovitost dortu (bez jednotky)
  • d_s = střední průměr částic (m)

Přísné návrhové rovnice

Pro lepší indikaci přesného určení rozsahu tvorby koláče byly formulovány jednorozměrné kvantitativní modely k určení faktorů, jako je

  • Kompletní blokování (póry s počátečním poloměrem menším než poloměr póru)
  • Standardní blokování
  • Formace podvrstvy
  • Formace dortu

Další podrobnosti viz Externí odkazy

Otázky životního prostředí, bezpečnost a regulace

Ačkoli se dopady procesů membránové filtrace na životní prostředí liší podle aplikace, obecnou metodou hodnocení je hodnocení životního cyklu (LCA), nástroj pro analýzu zátěže procesů membránové filtrace ve všech fázích a odpovídá za všechny typy dopady na životní prostředí, včetně emisí do půdy, vody a ovzduší.

Pokud jde o mikrofiltrační procesy, je třeba vzít v úvahu řadu potenciálních dopadů na životní prostředí. Patří mezi ně potenciál globálního oteplování , foto-oxidační tvorby potenciál, eutrofizace potenciál, potenciál toxicity na lidech, sladkovodní ekotoxicity potenciál, námořní ekotoxicity potenciál a pozemní ekotoxicity potenciál. Obecně je potenciální dopad procesu na životní prostředí do značné míry závislý na toku a maximálním transmembránovém tlaku, nicméně je třeba vzít v úvahu další provozní parametry. Nelze učinit konkrétní poznámku, která přesná kombinace provozních podmínek přinese nejnižší zátěž pro životní prostředí, protože každá aplikace bude vyžadovat různé optimalizace.

V obecném smyslu jsou procesy membránové filtrace relativně „nízkorizikové“ operace, to znamená, že potenciál nebezpečných nebezpečí je malý. Je však třeba mít na paměti několik aspektů. Všechny filtrační procesy řízené tlakem, včetně mikrofiltrace, vyžadují určitý stupeň tlaku, který se má aplikovat na proud přiváděné kapaliny, jakož i vynucené elektrické problémy. Další faktory přispívající k bezpečnosti závisí na parametrech procesu. Například zpracování mléčných výrobků povede k tvorbě bakterií, které musí být kontrolovány, aby vyhovovaly bezpečnostním a regulačním normám.

Srovnání s podobnými procesy

Membránová mikrofiltrace je v zásadě stejná jako jiné filtrační techniky využívající distribuci velikosti pórů k fyzickému oddělení částic. Je to analogické s jinými technologiemi, jako je ultra / nanofiltrace a reverzní osmóza, existuje však jediný rozdíl ve velikosti zadržovaných částic a také osmotickém tlaku. Hlavní z nich jsou obecně popsány níže:

Ultrafiltrace

Hlavní článek: Ultrafiltrace

Ultrafiltrační membrány mají velikosti pórů v rozmezí od 0,1 μm do 0,01 μm a jsou schopné zadržovat proteiny, endotoxiny, viry a oxid křemičitý. UF má různé aplikace, které sahají od čištění odpadních vod až po farmaceutické aplikace.

Nanofiltrace

Hlavní článek: Nanofiltrace

Nanofiltrační membrány mají póry o velikosti od 0,001 μm do 0,01 μm a filtrují multivalentní ionty, syntetická barviva, cukry a specifické soli. Jak velikost pórů klesá z MF na NF, zvyšuje se potřeba osmotického tlaku.

Reverzní osmóza

Hlavní článek: Reverzní osmóza

Reverzní osmóza (RO) je nejjemnější dostupný proces separační membrány, velikosti pórů se pohybují od 0,0001 μm do 0,001 μm. Reverzní osmóza je schopna zadržet téměř všechny molekuly kromě vody a vzhledem k velikosti pórů je požadovaný osmotický tlak výrazně vyšší než u mikrofiltrace. Jak reverzní osmóza, tak nanofiltrace se zásadně liší od mikrofiltrace, protože průtok je v rozporu s koncentračním gradientem, protože tyto systémy používají tlak jako prostředek, který nutí vodu přecházet z nízkého osmotického tlaku na vysoký osmotický tlak.

Nedávný vývoj

Nedávné pokroky v oblasti MF se zaměřily na výrobní procesy pro konstrukci membrán a přísad, které podporují srážení a tím snižují znečištění membrány. Vzhledem k tomu, že MF, UF, NF a RO spolu úzce souvisejí, jsou tyto zálohy použitelné pro více procesů a nikoli pouze pro MF.

Nedávné studie ukázaly, že zředěný preoxidační KMnO4 kombinovaný FeCl3 je schopen podporovat koagulaci, což vede ke snížení znečištění, konkrétně preoxidace KMnO4 vykazovala účinek, který snížil nevratné znečištění membrány.

Podobný výzkum byl proveden v oblasti konstrukcí vysokofrekvenčních poly (trimethylen tereftalátových) nanovlákenných membrán se zaměřením na zvýšenou propustnost. Specializované tepelné zpracování a výrobní procesy vnitřní struktury membrány vykazovaly výsledky indikující 99,6% míru odmítnutí částic TiO2 při vysokém toku. Výsledky naznačují, že tuto technologii lze použít na stávající aplikace ke zvýšení jejich účinnosti pomocí membrán s vysokým tokem.

Viz také

Reference

externí odkazy