¿Cuáles son las tecnologías de separación por membranas con cambio de fase?
Características
1. Alto flujo de agua y alta tasa de rechazo de sal
2. Buena estabilidad química (pH2-12);
p>3. Larga vida útil;
4. Resistente a la contaminación biológica;
5. Amplio rango de presión (20-1000 psi);
6. Amplio rango de temperatura (4 ℃ -45 ℃);
7. Buena economía
8. y agua espacial, utilizada en ingeniería biológica y médica [1].
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Ventajas técnicas
(1) A temperatura ambiente.
La pérdida de principios activos es pequeña, y está especialmente indicado para la separación y concentración de sustancias sensibles al calor, como antibióticos y otros fármacos, zumos de frutas, enzimas, proteínas, etc.
(2) Sin cambio de fase
Mantiene el sabor original, consume muy poca energía y cuesta alrededor de 1/3-1/8 de la concentración de evaporación o de la concentración de congelación.
(3) Sin cambios químicos
En el proceso típico de separación física, no se utilizan reactivos ni aditivos químicos y el producto no está contaminado.
(4) Buena selectividad
Puede separar sustancias a nivel molecular y tiene un rendimiento excelente que no puede ser reemplazado por materiales filtrantes comunes.
(5) Gran adaptabilidad
La escala de procesamiento puede ser grande o pequeña, continua o intermitente, el proceso es simple, fácil de operar y fácil de automatizar.
(6) Bajo consumo de energía
Solo requiere energía eléctrica para funcionar y el consumo de energía es extremadamente bajo. Su costo es de aproximadamente 1/3-1/8 de la concentración de evaporación. o concentración de congelación.
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Estado histórico
Breve historia de su desarrollo
Las membranas se encuentran ampliamente en la naturaleza, especialmente en organismos vivos, pero nosotros los humanos El proceso histórico desde la comprensión, utilización, simulación y síntesis artificial hasta el presente es largo y tortuoso. El desarrollo de la ciencia y la tecnología de membranas en mi país comenzó con la investigación sobre membranas de intercambio iónico en 1958. Entró en la etapa pionera en los años 1960. La exploración de la ósmosis inversa se inició en 1965 y en 1967 se inició la campaña nacional de desalinización de agua de mar, que impulsó en gran medida el desarrollo de la tecnología de membranas en nuestro país. Entró en la etapa de desarrollo en la década de 1970. Durante este período, se desarrollaron sucesivamente varias membranas y componentes como microfiltración, electrodiálisis, ósmosis inversa y ultrafiltración, que entraron en la etapa de promoción y aplicación en la década de 1980. La década de 1980 también fue un período de desarrollo de la separación de gases y otras membranas nuevas.
Estado
Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología de membranas en mi país, se han establecido los grupos académicos y técnicos correspondientes. Su establecimiento juega un papel importante en la estandarización de estándares y la promoción del desarrollo de la industria de las membranas. En el último medio siglo, la separación por membranas ha completado la transformación de una aplicación de laboratorio a una aplicación industrial a gran escala, convirtiéndose en una nueva tecnología de separación con alta eficiencia y ahorro de energía. Desde 1925, casi cada década se ha utilizado en la industria una nueva tecnología de membranas.
Debido al excelente rendimiento de la tecnología de separación por membranas, los procesos con membranas han atraído cada vez más atención de países de todo el mundo. Hoy en día, con escasez de energía, escasez de recursos y deterioro del medio ambiente ecológico, tanto los círculos industriales como científicos consideran la tecnología de membranas como una nueva tecnología extremadamente importante en la transformación de la tecnología industrial en el siglo XXI. Algunos expertos señalaron una vez: Quien domine la tecnología de membranas dominará el futuro de la industria química.
Desde la década de 1980, la tecnología de membranas de mi país ha entrado en la etapa de aplicación, que también es la etapa de desarrollo de nueva tecnología de membranas. Durante este período, la tecnología de membranas se desarrolló y se utilizó ampliamente en el procesamiento de alimentos, la desalinización de agua de mar, la preparación de agua pura y ultrapura, la medicina, la biología, la protección ambiental y otros campos. Además, durante este período, los proyectos nacionales clave de ciencia y tecnología y la Fundación de Ciencias Naturales también tuvieron temas de membrana.
En la actualidad, esta industria emergente con un enorme potencial está desafiando al mercado con gran entusiasmo, aportando importantes beneficios económicos, sociales y medioambientales a muchas empresas.
La tecnología de membranas es la abreviatura de tecnología de separación de membranas [2] y es una membrana biónica. Es una tecnología que separa diferentes medios a través de materiales artificiales (materiales de membrana). El proceso de separación depende principalmente de factores como la presión, la diferencia de concentración y la diferencia de potencial. Según la diferente precisión de separación, las membranas impulsadas por presión se pueden dividir en membranas de microfiltración (MF), membranas de ultrafiltración (UF), membranas de nanofiltración (NF) y membranas de ósmosis inversa (RO).
La tecnología de membranas se utiliza ampliamente en medio ambiente, energía, electrónica, medicina y otros campos. En las últimas dos décadas, su aplicación en el campo del tratamiento del agua ha atraído cada vez más atención de varios países porque puede eliminar contaminantes del agua que son difíciles de eliminar mediante procesos de tratamiento convencionales. Se utilizan diferentes tipos de tecnologías de membranas en diferentes subcampos, incluido el tratamiento y la regeneración de aguas residuales urbanas, el tratamiento del agua del grifo, la reutilización del agua industrial, la desalinización del agua de mar, los purificadores de agua domésticos, etc.
Atlas de tecnología de membranas
Desde la década de 1970, la tecnología de membranas de ósmosis inversa (RO) se ha utilizado con éxito para desalinizar agua salobre y de mar. Las membranas de nanofiltración derivadas de ella también se utilizan ampliamente para tratar el agua entrante con alta dureza, alto color y alto contenido orgánico. Los sistemas de RO también se pueden utilizar para eliminar contaminantes inorgánicos como radionúclidos, nitratos, arsénico y otros contaminantes como pesticidas.
En los últimos 8-10 años, para cumplir con requisitos de calidad del agua más estrictos y eliminar microorganismos y turbidez en el agua, la tecnología de filtración por membrana ha ido apareciendo gradualmente en el campo del tratamiento de agua municipal, principalmente la microfiltración (MF ) y la tecnología de filtración por membrana de ultrafiltración (UF) incluyen el tratamiento de aguas superficiales y subterráneas y la reutilización de aguas grises. La precisión de filtración de la membrana MF es de aproximadamente 0,1 a 0,2 micrones, y la precisión de filtración de algunas membranas de ultrafiltración puede alcanzar 0,005 a 0,01 micrones. Requiere presión o vacío como fuerza impulsora, y la mayoría de los sistemas tienen tasas de recuperación de agua de hasta 90-98.
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Campos de aplicación
Filtración (micro)microporosa...
A la vista de las características de separación de las membranas microporosas , microporosa El principal ámbito de aplicación de las membranas es interceptar partículas, bacterias y otros contaminantes de la fase gaseosa y líquida para lograr la purificación, separación y concentración.
Los campos específicos involucrados incluyen principalmente: industria farmacéutica, industria alimentaria (gelatina, vino, licores, zumos, leche, etc.), agua de alta pureza, aguas residuales urbanas, aguas residuales industriales, agua potable, biotecnología, fermentación biológica, etc.
Ultrafiltración
La ultrafiltración industrial temprana se utilizaba en el tratamiento de aguas residuales y cloacales. Durante los últimos 30 años, con el desarrollo de la tecnología de ultrafiltración, la tecnología de ultrafiltración ha estado involucrada en el procesamiento de alimentos, industria de bebidas, industria farmacéutica, preparaciones biológicas, preparaciones de medicina tradicional china, medicina clínica, aguas residuales de impresión y teñido, tratamiento de aguas residuales de la industria alimentaria, recursos. campos de recuperación, ingeniería ambiental, etc.
Nanofiltración
Las principales áreas de aplicación de la nanofiltración incluyen: industria alimentaria, procesamiento profundo de plantas, industria de bebidas, procesamiento profundo de productos agrícolas, biomedicina, fermentación biológica, química fina, industria de protección del medio ambiente. , etc.
Anti-ósmosis
La tecnología de separación por ósmosis inversa es ampliamente utilizada en diversos sectores de la economía nacional debido a sus características avanzadas, eficientes y de ahorro de energía. Se utiliza principalmente para el tratamiento de agua. y concentración de sustancias sensibles al calor. Las principales áreas de aplicación son: industria alimentaria, industria láctea, industria de bebidas, procesamiento profundo de plantas (productos agrícolas), biomedicina, fermentación biológica, preparación de agua potable, agua pura, agua ultrapura, agua de mar, desalinización de agua salobre, agua eléctrica, electrónica, semiconductores Agua de proceso para la industria industrial y farmacéutica, agua de preparación, agua para inyección, agua pura estéril apirógena, agua de proceso y agua de caldera en la industria de alimentos y bebidas, industria química y otras industrias.
Otros
Además de los cuatro procesos de separación por membrana comúnmente utilizados anteriormente, también existen diálisis, liberación controlada, sensores de membrana, separación de gases por membrana, separación de membranas líquidas, etc.
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Características técnicas
La membrana es un material con función de separación selectiva. Separación selectiva por membrana El proceso de separar, purificar y concentrar diferentes componentes en el líquido de alimentación se denomina separación por membrana. A diferencia de la filtración tradicional, las membranas pueden separarse en el rango molecular. Este proceso es un proceso físico sin cambios de fase ni aditivos. El tamaño de los poros de la membrana suele estar en el rango de las micras.
Dependiendo del tamaño de los poros (o límite de peso molecular) de la membrana, la membrana se puede dividir en membrana de microfiltración, membrana de ultrafiltración, membrana de nanofiltración y membrana de ósmosis inversa. Según los diferentes materiales, se puede dividir en membrana inorgánica y membrana orgánica. Las membranas inorgánicas son principalmente membranas cerámicas y membranas metálicas, con baja precisión de filtración y baja selectividad. Las membranas orgánicas están hechas de materiales poliméricos, como acetato de celulosa, poliamida aromática, polietersulfona, fluoropolímero, etc. En el proceso de membranas de flujo cruzado, el rendimiento de separación y rechazo de varias membranas se distingue por el tamaño de los poros y el peso molecular de la membrana. La siguiente figura ilustra brevemente cuatro procesos diferentes de separación por membrana: (el reflejo de la flecha indica que las sustancias no pueden atravesar la membrana y quedan atrapadas):
Microfiltración
También conocida como microfiltración, pertenece El principio básico de la filtración de precisión es el proceso de separación por pantalla. Los materiales de membranas de microfiltración se dividen en dos categorías: orgánicos e inorgánicos. Los polímeros orgánicos incluyen acetato de celulosa, polipropileno, policarbonato, polisulfona, poliamida, etc. Los materiales de membranas inorgánicas incluyen cerámicas y metales. En vista de las características de separación de las membranas microporosas, el ámbito de aplicación de las membranas microporosas es principalmente interceptar partículas, bacterias y otros contaminantes de la fase gaseosa y líquida para lograr el propósito de purificación, separación y concentración.
Para la microfiltración, las características de retención de la membrana se caracterizan por el tamaño de los poros de la membrana. El tamaño de los poros suele estar entre 0,1 ~ 1 micra, por lo que la membrana de microfiltración puede separar bacterias de gran diámetro y sólidos suspendidos. . Se puede utilizar para clarificación, filtración de seguridad y esterilización por aire de materiales líquidos en general.
Ultrafiltración
Es un proceso de membrana entre microfiltración y nanofiltración. El tamaño de poro de la membrana está entre 0,05um-1nm. La ultrafiltración es una tecnología de separación por membrana que puede purificar, separar y concentrar soluciones. El proceso de ultrafiltración generalmente puede entenderse como un proceso de detección relacionado con el tamaño de los poros de la membrana. Con la diferencia de presión en ambos lados de la membrana como fuerza impulsora y la membrana de ultrafiltración como medio de filtración, bajo una cierta presión, cuando el agua fluye a través de la superficie de la membrana, solo se permiten agua y sustancias moleculares pequeñas más pequeñas que el tamaño de los poros de la membrana. para pasar, logrando así la purificación, separación y El propósito de concentrar la solución.
Para la ultrafiltración, las características de rechazo de la membrana se caracterizan por el límite de peso molecular de las sustancias orgánicas estándar, que generalmente está entre 1.000 y 300.000. Por tanto, las membranas de ultrafiltración pueden separar materia orgánica macromolecular (como proteínas, bacterias), coloides, sólidos en suspensión, etc. Se utiliza ampliamente en la clarificación de líquidos de alimentación, separación y purificación de materia orgánica macromolecular y eliminación de calor.
Nanofiltración
Es una tecnología de separación por membranas entre ultrafiltración y ósmosis inversa. Su peso molecular de corte está en el rango de 80 ~ 1000 y el tamaño de los poros es de varios nanómetros, por lo que se denomina nanofiltración. Basada en las características superiores de la tecnología de separación por nanofiltración, muestra amplias perspectivas de aplicación en muchos campos, como la industria farmacéutica, la bioquímica y la alimentaria.
Para la nanofiltración, las características de rechazo de la membrana están representadas por la tasa de rechazo de las soluciones estándar de NaCl, MgSO4_4 y CaCl2_2, que generalmente son de 60 a 90, y el límite de peso molecular correspondiente es de 100 a 1000. Por lo tanto, las membranas de nanofiltración pueden separar la materia orgánica de moléculas pequeñas del agua y las sales inorgánicas al tiempo que logran la desalinización y la concentración.
Ósmosis Inversa
Utiliza la permeabilidad selectiva de una membrana de ósmosis inversa que sólo puede pasar a través de disolventes (normalmente agua) e interceptar sustancias iónicas o sustancias moleculares pequeñas. El lado es la fuerza impulsora para separar la mezcla líquida en el proceso de membrana. La ósmosis inversa es una parte importante de la tecnología de separación por membrana. Tiene muchas ventajas, como alta calidad del agua, bajo costo operativo, ausencia de contaminación, operación fácil, operación confiable, etc. Se ha convertido en la tecnología más simple y que ahorra energía para el agua de mar. Desalinización de agua salobre y preparación de agua pura. En la actualidad, se ha utilizado ampliamente en muchas industrias, como la medicina, la electrónica, la industria química, la alimentación, la desalinización de agua de mar, etc. La tecnología de ósmosis inversa se ha convertido en la primera opción para la tecnología moderna de tratamiento de agua industrial.
El objetivo de interceptación de la ósmosis inversa son todos los iones y sólo permite el paso del agua a través de la membrana. La tasa de rechazo de NaCl es superior a 98 y el efluente es agua desionizada. La ósmosis inversa puede eliminar sales metálicas solubles, materia orgánica, bacterias, partículas coloidales y sustancias generadoras de calor, es decir, puede interceptar todos los iones. Las membranas de ósmosis inversa se han utilizado ampliamente en la producción de agua pura, agua ablandada, agua desionizada, concentración de productos y tratamiento de aguas residuales, como el tratamiento de lixiviados de vertederos.
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Principio del proceso
Los principios técnicos básicos de la separación por membranas son relativamente simples. Durante el proceso de filtración, la bomba presuriza el material líquido y el material líquido fluye a lo largo de la superficie de la membrana del filtro a un cierto caudal.
Las moléculas de sustancias con un peso molecular mayor que el límite de peso molecular de la membrana no fluirán de regreso al tanque de alimentación a través de la membrana. Las sustancias o moléculas con un peso molecular menor que el límite de peso molecular de la membrana pasan a través de la membrana para formar dializado. . Por lo tanto, el sistema de membranas tiene dos salidas, una es la salida de reflujo (concentrado) y la otra es la salida de dializado. La cantidad de dializado (L) que fluye por unidad de tiempo (Hr) y unidad de área de membrana (m2) se denomina flujo de membrana (LMH), que es la velocidad de filtración. Los factores que afectan el flujo de la membrana incluyen: temperatura, presión, TDS, concentración de iones, viscosidad, etc.
Dado que el proceso de separación de membranas es un proceso puramente físico con las características de no cambio de fase, ahorro de energía, tamaño pequeño y desmontable, las membranas se utilizan ampliamente en fermentación, productos farmacéuticos, extracción de plantas, industria química, agua. procesos de tratamiento e industria de protección del medio ambiente. De acuerdo con el peso molecular de la materia orgánica de los diferentes componentes, se seleccionan diferentes membranas y tecnologías de membrana apropiadas para lograr el mejor flujo de membrana y tasa de rechazo, aumentando así el rendimiento de la producción y reduciendo la escala de inversión y los costos operativos.
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Aplicación del sistema
Tecnología de clarificación y purificación
-Sistema de membrana de ultrafiltración/microfiltración
Las membranas utilizadas para clarificación, purificación y separación son principalmente membranas de ultrafiltración/microfiltración. Debido a la amplia gama de distribución de sustancias atrapadas, se utilizan ampliamente en la separación sólido-líquido, separación de sustancias moleculares grandes y pequeñas, eliminación de pigmentos, purificación de productos y aceite. -Separación de agua y otros procesos.
La separación por membranas de ultrafiltración/microfiltración puede reemplazar los procesos tradicionales como la sedimentación natural, la filtración de placas y marcos, la separación en tambores de vacío, la separación centrífuga, la extracción con solventes, la purificación de resinas y la decoloración con carbón activado.
Los componentes de separación de membranas que se pueden utilizar para la tecnología de clarificación y purificación incluyen principalmente membranas cerámicas, membranas planas, membranas de acero inoxidable, membranas de fibra hueca, membranas laminadas y membranas tubulares.