Выбор системы мембранной фильтрации
Правильное проектирование и scaleup мембраны системы фильтрации требует понимания того, наличие мембранного материала, размер пор и модуль конфигурации. Это практическое руководство поможет в процессе отбора.
Растущая необходимость для тонкой фильтрации в пищевой промышленности и напитков производства, биотехнологической и очистки воды поставила мембранной фильтрации на переднем крае технологий разделения применяется в химическом процессе и смежных отраслей. Тем не менее, мембран большее распространение в разлуке заявок не уменьшается пользователи сталкиваются с проблемами при попытке разработать оптимальную систему мембран.
По сути, один должен быть знаком с наличием мембранных материалов, размеры пор мембран и мембранных модулей конфигураций (например, спиральной намотки против плоский лист). Необходимо также рассмотреть ряд важнейших эксплуатационных параметров во время оценки и мембраны на стадии проектирования, в том числе модуль геометрии, картины течения, Расходы, приведенные (например, из поперечного потока), скорости сдвига, трансмембранного давления и очистки стратегий. Кроме того, экспериментальные испытания должны быть проведены с использованием мембранных конфигурации, которые сходны с полномасштабной системы, с тем чтобы свести к минимуму проблемы при scaleup. Любые попытки разработать мембранной системы фильтрации на основе опубликованных данных или небольших лабораторных испытаний один, скорее всего, приведет к повреждению.
Мембранные классификации
Традиционные средства массовой информации, таких как фильтрация фильтровальной ткани, сетки или спеченного металла были использованы для удаления частиц измерения до 1 мм. Но, из-за отсутствия технологий в производство этих средств массовой информации, они не были успешными в фильтрации более мелких частиц. Достижения в области полимерных технологий привели к рыночной многие мембраны с размерами пор до нескольких ангстрем (10 ^ 10 ^ SUP м), открытие двери к тому, что теперь называется мембранной фильтрации.
В зависимости от размеров частиц должны быть разделены, мембранной фильтрации могут быть классифицированы как микрофильтрации (MF), ультрафильтрации (UF) или обратного осмоса (RO). Есть нет четкой границы между этими категориями. Как правило, М. Ф. относится к фильтрации частиц размером примерно 0.05-1 мкм. UF мембраны отклонения частиц измерения вплоть до 30 нм (10 ^ -9 SUP мкм). RO мембраны используются для удаления даже более мелкие частицы, например, ионы натрия, из канала поток. Нанофильтрации (NF), относительно новый термин, был использован для приложений, которые входят в пределах UF и RO.
ПВ мембран оцениваются размер пор, который измеряется в микронах. Эти оценки, однако, не всегда являются абсолютными. Мембраны, которые имеют одинаковые рейтинг не может проявлять одинаковый поведения отказ из-за различий в мембранный материал, мембранные микроструктуры частиц характеристики и мембранные методы испытаний.
UF и Н. Ф. мембран рассчитаны на срок использования называемой молекулярной массой отсечения (MWCO). Единица измерения для MWCO это Далтон (D). Если оболочка не позволяет молекул с молекулярной массой 100 г / моль или больше, чтобы пройти, то это мембраны, как считается, MWCO из 100 D. MWCO часто выражается в кД, где 1 = 1000 кДа Далтона. UF мембраны доступны в диапазоне 1-1,000 кДа MWCOs. Как и в случае МП, и по тем же причинам, UF и Н. Ф. мембран с одинаковыми рейтингами не может вести себя так же. Производители и Н. Ф. UF мембраны использовать полимеры с определяется молекулярно-массовым распределением, например, полиэтиленгликоля или декстрина, для оценки мембранного отказ характеристик. Важно помнить, что гидродинамические радиусы этих расширенных полимеров могут отличаться от тех молекул 1 намерен отдельно. Например, белки, как правило, шаровых и компактно. Таким образом, для полного отказа от белка, необходимо использовать мембраны мощностью по 1-пятых молекулярный вес, что белок (например, 10-кДа мембраны следует отказаться от 50kD белка полностью) ..
Для RO мембраны, рейтинг обычно перечисленных в процентах (%) соли хранения. Как и в ОФ и Н.Ф., процент удаления зависит от типа соли и условий эксплуатации. Как пор уменьшается размер, необходимый движущей силой (DP) для фильтрации возрастает. Резюме размеры пор мембран и перепада давления для ПВ, UF, Н. Ф. и Р. О. представлены в таблице 1.
Мембранные материалы и методы фильтрации
Хотя многие материалы мембраны обсуждаются в литературе, лишь немногие из них коммерчески доступны для крупномасштабных приложений. В настоящее время наиболее доступными материалы мембраны для полномасштабного развертывания полиэфирсульфон (PES), полисульфона (PS), ацетата целлюлозы (CA), регенерированной целлюлозы (RC), керамических материалов и спеченных металлов. Менее широко доступны материалы нейлон, полипропилен, политетрафторэтилен (PTFE), поливинилиденфторида (PVDF), polyacrylonitriles (PAN) и композитов. Многие другие материалы, возможно, были разработаны, но еще не стали коммерчески доступными. В связи с трудностями в поддержании широкого спектра товаров, поставщиков мембраны обычно предлагают ограниченный выбор мембранных материалов (табл. 2).
Мембранные фильтры предназначены для фильтрации мельчайших частиц, которые стремятся сформировать пирожные с высоким сопротивлением потоку. Это может привести к быстрому снижению скорости фильтрации с традиционными тупик фильтрации. Снижение скорости фильтрации особенно тяжелыми для сжимаемых торты образованных некоторых биологических системах (например, бактериальных клеток в процессе брожения, разбитых клеток после ячейки гомогенизации клеток млекопитающих после клеточной культуре). Таким образом, с мембранами, переток фильтрации обычно используется, чтобы улучшить скорость фильтрации (рис. 1).
В поперечном фильтрации, приостановка потоков на большой скорости в направлении, которое параллельно поверхности фильтра. Этот высокий расход обеспечивает большую сдвига на поверхности мембраны, тем самым предотвращая твердых частиц от формирования торт, который позволяет высокий уровень фильтрации в течение более длительного периода времени.
Оборудование параметры
В мембранной фильтрации, пронизывать (или фильтрат) проходит через мембрану (в поперечном фильтрации, этот поток перпендикулярно к поверхности мембраны), а раствор (или удерживаемым) остается по другую сторону мембраны. Скорость фильтрации на единицу мембраны область называется пронизывают потока, обычно выражается в л / м ^ 2 ^ SUP ч.
Из-за мембран малые размеры пор и высокой средней сопротивления потока жидкости, как правило, меньше, чем посещение обычных процессов фильтрации. Большей площадью фильтрации Поэтому, необходимых для достижения требуемой производительности фильтрации. Одним из ключевых вопросов при проектировании мембранных фильтров является максимизация зоны фильтрации, избегая при изготовлении очень большого оборудования.
Мембранная система фильтрации состоит из фильтра судов, в которых количество мембранных модулей жильем. Четыре популярных конфигураций модуля мембраны спирального типа фильтра (рис. 2), в котором мембрана spiralwound и размещены в цилиндрическом корпусе. Удерживаемым потоков в направлении, параллельном оси цилиндра и пронизывают потоки по спирали в центральной камере сбора мембранного модуля. Сегодня, спирального типа фильтров являются наиболее распространенными и экономичный тип мембран конфигурации, так как они предлагают самый высокий в области мембранных след (пространства, потребляемого в растениеводстве). Однако эти мембраны, как правило, не подходит для систем с высокой концентрацией взвешенных веществ.
Еще один модуль конфигурации, которая часто используется в промышленных условиях сегодняшнего полых волокон типа (рис. 2, b). В этой конфигурации, пучок полых волокон (с каждого волокна измерения 0.1-2 мм, внутренний диаметр) заключен в оболочку. Удерживаемым потоков внутри полые волокна, а пронизывают собирается на стороне корпуса. Мембраны из полых волокон, как спиральной намотки мембран, считаются экономические вариант. Тем не менее, они не рекомендуются при твердых частиц присутствуют.
Плоский лист мембранных систем, таких, как показано на рисунке 2, c, составляют плоские листы мембраны, которые связаны с пластиковых пластин, которые обеспечивают механическую поддержку. Многие плиты могут быть уложены вместе для достижения системы с большой площадью фильтрации.
В этой конфигурации, удерживаемым течет по поверхности мембраны, а пронизывают потоки через мембрану в коллекцию каналов расположены по краям пластин. Практически любой вид плоских листов мембраны могут быть использованы. Некоторые производители моде плоские листы в кассеты, которые легко заменить и проверить. Однако в этом случае, пользователи будут ограничены мембранных материалов, предлагаемых поставщиками кассету.
И последнее, но не менее важное, это трубчатый договоренности (рис. 2, d), который используется для полимерной, керамической или фильтров спеченного металла оболочки. Преимущества керамической или sinteredmetal фильтры высших потоков, больше допусков на широкий диапазон рабочих условий (рН, температура, растворители, давление), легкость чистки и более мембраны жизни. Керамические мембраны модули, как правило, дороже, но доступны в самых разнообразных размеров пор. Кроме того, их длительным жизненным циклом может снизить долгосрочные издержки замены. Спеченного металла мембраны являются менее дорогостоящими, чем их коллеги керамической, но предлагают ограниченный выбор размеров пор.
Мембранные фильтры операции
Тангенциальная скорость и транс-мембранного давления (TMP) являются два ключевых параметров при проектировании и эксплуатации системы фильтрации мембраны поперечно. Достаточный уровень переток требуется для предотвращения накопления градиента концентрации вблизи мембраны стены.
Типичные скорости поперечного на кассету, полые волокна, трубчатые и спиральные конфигурации, соответственно, -1-3 м / с, 1-5 м / с, ~ 5 м / с и -3-8 л / мин (для 2,5 дюйма диаметр TMP контроль потока пермеата. В этой связи следующим правилом применяется: высшее TMP, тем выше потока. Следует отметить, что скорость поперечного и TMP тесно связаны между собой. Высокие темпы переток обычно приносит высокую СКДШ, если обратное давление на пронизывают стороны надлежащим образом контролироваться. Кроме того, в данный переток случае, TMP не может быть уменьшена после достижения определенного значения (которое диктуется перепад давления на удерживаемым сторона) не приводит к обратным потоком (от проникают к удерживаемым сторона) в части модуля. Обратный поток особенно нежелательно в спираль и некоторых плоских листов модулей. Параметров, таких как рН, температуры и ионной силы среды также может играть важную роль в некоторых системах.
Цель мембранной фильтрации, должна быть четко определена, прежде чем пытаться оптимизировать процесс фильтрации. Часто рабочие параметры (переток, TMP, рН, температуры, ионной силы), в результате которых лучшие фильтрации потока не может разрешить оптимального прохождения продукта. Эти параметры должны быть тщательно протестирован на экспериментальной основе для обеспечения успешного процесса проектирования.
Загрязнение является основной проблемой в мембранной фильтрации. Это может быть вызвано блокирование пор на поверхности мембраны или внутри мембраны, сужение пор по адсорбции частиц или химических реакций, протекающих на поверхности мембраны. Следующие методы широко используются для смягчения загрязнения:
* Обеспечение высокого сдвига на поверхности мембраны
* Выбора гидрофобные или гидрофильные мембраны на основе свойств суспензий
* Операционная мембрану под переменным условиям (низкое давление, различных значениях рН, температуры и т.д.)
* Покрытие мембраны загрязнения из жаропрочного материала.
Если процесс потока значительно снижается, мембранный фильтр (и системы) должны быть очищены. Частота уборки-на-месте (CIP) основывается на приемлемых капля в мембранном исполнении, требуемый мембраны жизни (частые CIP может уменьшить мембраны жизни) и нормативно-правовые аспекты. Обычно используются химикаты для CIP включать фильтрованной воды (при комнатной температуре или горячей), базы решений (как правило, гидроокись натрия), кислоты (фосфорная, азотная), моющие (ионных, неионных) и хлора (обычно для приложений, в щелочной среде). Несколько шагов с помощью различных реагентов часто необходимы для обеспечения эффективной очистки. Можно получить чистки продуктов, разработанных специально для мембран из Ecolab, Alconox и Fibercorp, но всегда консультироваться с производителем мембран очистки перед написанием протоколов для обеспечения химических веществ, которые совместимы с мембранных материалов.
Мембранные санитарной обработки может также потребоваться при фильтрации продуктов, предназначенных для производства продуктов питания и фармацевтической промышленности. Санитарно реагентов включать гидроксид натрия, азотная кислота, уксусная кислота и хлор.
Выбор системы фильтрации
Как только общее представление о мембранных фильтров в плен, процесс отбора мембранной системы фильтрации может начаться.
1. Определите цель разделения. Поскольку системы мембранной фильтрации, как правило, дороже, чем традиционные фильтры, убедиться в том, мембранной фильтрации на самом деле необходимо. Знать характеристики частиц и жидкости, а также условий технологического процесса, таких как температура, давление и требуемой производительности.
2. Выберите размер пор мембраны. Одно важное правило заключается в выборе мембраны с размером пор 1 на порядок меньше, чем диаметр частиц должны быть разделены. Однако это правило не может быть верно для всех приложений. Тестирование связи с этим необходимо.
3. Обеспечение химической совместимости. Подвески не должны атаковать мембрану и мембранного материала не должна быть подвержена обрастания в суспензии. Небольшие изменения в рабочих условиях (рН, температура), может улучшить химические / мембранной системы совместимости.
4. Выполните опытно-промышленные испытания. Проведение экспериментов с использованием мембранных материалов, размер пор, конфигурации и т.д., который предназначен для использования в производственной единицы. Было показано, снова и снова, что мембраны производительность фильтра могут быть совершенно разными - даже для того же типа мембраны (например, оболочка ПВХ), что соответствует другой модуль конфигурации (например, плоский лист против спирали) или физические размеры (диаметр , длина, высота). Тестирование должно установить оптимальные рабочие параметры, процесс воспроизводимость, чистоты и санитарии методов, а также предполагаемого срока мембраны при повторных циклов использования и чистки.
Мембраны фильтрующий элемент, как правило, спроектированы и построены компаниями, которые специализируются на мембранных систем. Большинство поставщиков мембраны не строить целые системы. Желательно работать в тесном контакте с мембраной поставщиков и разработчиков систем в процессе оценки на этапе проектирования, как показывает опыт по-прежнему играет важную роль в этой технологии.
У ЧЭНЬ
FRANK PARMA
Anant PATKAR
Adrienne Елкин И
SUBRATASEN,
ХИМИЧЕСКИЙ Dow Ко
WU Чэнь старший специалист по Dow Chemical ° (8-1402, 2301 Н. Бразоспорт бул. Фрипорт, Техас 77541, телефон: (979) 238-9943, факс: (979) 238-0969, E-почты : <a href="mailto:wuchen@dow.com"> wuchen@dow.com </ A>). Он установил жидкости / сепарации частиц лаборатория "Дау" в порту для практического применения жидкости / технологии сепарации частиц и имеет многочисленные публикации о практических аспектах жидкости / сепарации частиц в журналах, выступления и книги. Chen получил докторскую степень в области химического машиностроения Univ. Хьюстон (Техас) и является активным членом Американской фильтрации и разделения общества (AFS), выступающей в качестве председателя общества, член правления, а также в качестве докладчика на многочисленных совещаниях. В настоящее время кафедрой АФН Комитета по образованию и твердой и жидкой преподаватель курса разделения ASME-Аиш программе непрерывного образования (<A HREF = "http://www.asme.org/education/shortco/aiche.htm" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.asme.org / образование / shortco / aiche.htm </ A>).
FRANK PARIHA является научно-исследовательским специалист Ко Dow Chemical, где он специализируется в твердой и жидкой увольнений. В течение последних 15 лет, он оказывает техническую поддержку для многих сайтов Доу, не только в США и за рубежом. последние внимание Парма была о применении твердой и жидкой технологии сепарации для очистки воды, особенно в области водоснабжения и очистки сточных вод химических веществ. Парма получил степень бакалавра наук в области морской биологии из Техаса
Anant PATKAR является старшим специалистом по биопереработки R
Adrienne Элькин, в прошлом инженер-исследователь в биопереработки R
Субрата SEN является R