Навигация по миру мембранных фильтров: Типы, применение и преимущества (Ⅰ)

Введение

Технология мембранной фильтрации - это физический метод, в котором используются тонкие или пористые мембраны для отделения, фильтрации и очистки мельчайших частиц от жидкостей или газов. Эти мембраны, обычно изготовленные из синтетических материалов (например, полиэстера, полиамида, поликарбоната и т.д.), блокируют твердые частицы, микроорганизмы, растворители или растворенные вещества, эффективно очищая жидкость. В зависимости от поставленной цели фильтрации они могут иметь размер пор от нанометров до микронов. В отличие от традиционных технологий разделения, таких как осаждение, адсорбция, ионный обмен и т.д., технология мембранной фильтрации проста в эксплуатации, обладает высокой эффективностью и точностью фильтрации, а также низким энергопотреблением. В этой статье, начиная с типов материалов, используемых для изготовления фильтрующих мембран, представлены свойства, процесс подготовки и область применения различных типов мембранных фильтров, чтобы предоставить вам справочную информацию для выбора.

2 Что такое мембранные фильтры

Мембранные фильтры широко используются в лабораториях, промышленном производстве, водоподготовке, пищевой промышленности, фармацевтике и различных других областях для разделения, очистки и обеззараживания жидкостей или газов. Они фильтруют жидкости, используя мембраны с определенными размерами пор или спецификациями для отделения частиц определенного размера или типа.

Мембранные фильтры работают на основе эффекта исключения размера, когда частицы избирательно блокируются в зависимости от их размера и размера пор мембраны. Таким образом, они могут быть разделены на различные типы в зависимости от размера пор мембраны. Например, микропористые мембраны отфильтровывают большинство микроорганизмов, бактерий и макромолекулярных растворителей, а ультрафильтрационные мембраны отфильтровывают более крупные частицы, такие как белки и коллоиды.

Мембранные фильтры также можно разделить по типу материала, из которого изготовлена мембрана。 Наиболее широко используемые мембраны обычно состоят из полимеров (представленных полиэфирсульфоном (PES), поливинилиденфторидом (PVDF) и т.д.), керамики (представленной оксидом циркония и керамикой на основе глинозема и др.), наноструктуры (представленные нанотрубками диоксида титана, оксидом графена (GO) и углеродными нанотрубками (CNT)), металлоорганические каркасы (MOFs) и т.д. Эти фильтрационные мембраны обладают различными свойствами и широко используются в различных областях производственной жизни и научных исследований.

В связи с ограниченным пространством, в данной статье мы подробно остановимся на полимерных и керамических мембранах. Для получения более полной информации следите за нашим сайтом и читайте следующую часть II статьи, в которой будут рассмотрены передовые применения и характеристики наноструктурированных мембран и металлоорганических каркасов.

Рис. 1 Мембранные фильтры для очистки воды

3 Полимерные мембраны

3.1 Полиэфирсульфон (PES)

3.1.1 Введение полиэфирсульфона

Полиэфирсульфон (PES) - это важный инженерный пластик, обладающий многими превосходными химическими и физическими свойствами. Его химическая структура в основном состоит из повторяющихся единиц фенилиденового эфира, образующих линейную или разветвленную полимерную структуру. Наличие бензольных колец и эфирных связей придает полиэфирсульфону хорошую термическую стабильность и механическую прочность. Полиэфирсульфон также содержит сульфатные группы, которые повышают термостойкость и химическую стабильность полимера. Его температура стеклования может достигать 225 ℃ и может использоваться при 180 ℃ в течение длительного времени. Материалы PES также обладают хорошей устойчивостью к окислению, коррозии, огнестойкостью, совместимостью с кровью и отличными общими характеристиками.

3.1.2 Как получить полиэфирсульфон

1. Метод фазового превращения: Метод фазового превращения прост, недорог, удобен в эксплуатации, широко используется и является одним из наиболее распространенных методов в технологии получения мембран. Процесс формирования мембраны заключается в том, чтобы сформулировать хороший однородный полимерный раствор с определенным составом, с помощью определенных физических методов сделать раствор в окружающей среде для массопереноса и обмена растворителя и нерастворителя, изменить термодинамическое состояние раствора, так что он отделяется от однородного полимерного раствора, превращается в трехмерную макромолекулярную сеть гелевой структуры, и в конечном итоге отверждается в мембрану. Методы формирования пленки можно разделить на методы фазового разделения без растворения, также известные как мокрые (NIPS), термически индуцированное фазовое разделение (TIPS) и фазовое разделение, индуцированное паром (VIPS).

2. Метод электростатического прядения: Волокнистая мембрана, приготовленная по технологии электростатического прядения, обладает большой удельной поверхностью, высокой пористостью, хорошей связностью, малым диаметром волокон, контролируемой толщиной мембраны и т.д. Принцип заключается в том, что настроенная прядильная жидкость помещается в высоковольтное электрическое поле, и под действием высоковольтного электрического поля капли капиллярного конуса Тейлора ускоряются, преодолевая поверхностное натяжение, и образуют струю тонких потоков. В процессе струйной подачи растворитель в струе испаряется, застывает и попадает на приемное устройство, образуя волокнистую пленку, похожую на нетканое полотно. По сравнению с методом фазового превращения процесс производства пленки электростатическим прядением проще, легче в эксплуатации, эффективность производства относительно выше, а регулируемость выше, и он лучше отвечает потребностям различных сценариев применения.

3. Метод нанесения покрытия: В отличие от двух предыдущих методов, метод нанесения покрытия покрывает базовую пленку (например, PSF, PES пленку) разделительным слоем, который в основном играет роль в разделении композитной пленки для получения композитной пленки с лучшими характеристиками. Метод нанесения покрытия - это простой процесс, но в процессе подготовки необходимо учитывать однородность и прочность покрытия, чтобы обеспечить стабильность и надежность работы фильтрующей мембраны в процессе использования.

3.1.3 Как используется полиэфирсульфон

1. Биомедицинская область: Материал PES обладает хорошей биосовместимостью и является биомедицинским материалом с большим потенциалом развития, в настоящее время мембрана PES может быть использована для приготовления материалов для очистки крови, повязок для ран, биологических скаффолдов в области биомедицинских приложений и т.д. Мембрана PES обычно используется для приготовления гемодиализных мембран, которые обладают отличными противообрастающими, антибактериальными, антикоагулянтными и биосовместимыми свойствами.

2. Очистка воды: Мембраны PES широко используются в области водоподготовки для получения чистой воды, разделения нефти и воды, опреснения морской воды и различных видов очистки сточных вод. Например, для очистки воды можно использовать полидопамин (PDA) и полиэтиленимин (PEI), нагруженные частицами катализатора с изолированными видами железа (4A-Fe).

(PDA) и полиэтиленимин (PEI), нагруженные частицами катализатора с изолированными видами железа (4A-Fe), могут быть нанесены на поверхность PES-мембраны для эффективного разделения неэмульгированных водонефтяных смесей, а эффективность разделения может быть

Эффективность разделения может достигать 99,8%, и может одновременно разлагать фенольные загрязнители в сточных водах. 3.

3. Батарейное поле: Благодаря отличным механическим свойствам и термостойкости PES мембраны, использование PES мембраны в качестве сепаратора батареи могут быть использованы в литий-ионных батарей, метанол топливных элементов микробных топливных элементов и т.д. Мембрана PES может быть использована в производстве литий-ионных батарей, метаноловых топливных элементов и микробных топливных элементов. Перед электростатическим прядением PES добавляется в прядильный раствор поливинилиденфторида (PVDF) для получения более термостойкой мембраны из композитного волокна PES/PVDF для мембраны литий-ионных батарей, композитная мембрана также обладает высокой ионной проводимостью 1,69 × 10-3 S/cm.

Рис. 2 Сложенный картридж с полиэфирсульфоновой мембраной

3.2 Поливинилиденфторид (ПВДФ)

3.2.1 Понятие о поливинилиденфториде (ПВДФ)

Поливинилиденфторид (ПВДФ) является важным синтетическим полимером, который производится путем полимеризации мономера винилиденфторида (ВДФ). ПВДФ - это прозрачный, бесцветный термопласт, обладающий множеством превосходных свойств, поэтому он широко используется во многих областях.

Отличная химическая стойкость: Он может выдерживать воздействие кислоты, щелочи, органических растворителей и других химических веществ, обладает хорошей термостойкостью, может сохранять стабильность при высоких температурах, обычно выдерживает высокие температуры до 150 °С.

Хорошая погодоустойчивость: PVDF может использоваться в наружной среде в течение длительного периода без ультрафиолетовых лучей, окисления и влаги и других факторов.

Высокая прозрачность: ПВДФ прозрачен, бесцветен и термопластичен. Он может пропускать видимый свет и ультрафиолетовое излучение,

Биосовместимость: Как и PES, ПВДФ также биосовместим и широко используется в медицине.

Рис. 3 Мембранные фильтры из поливинилиденфторида

3.2.2 Методы синтеза поливинилиденфторида (ПВДФ)

1. Сухая полимеризация: Одним из методов сухой полимеризации является газофазная полимеризация. В этом методе газообразный винилиденфторид (ВДФ) реагирует с катализатором для получения полимера ПВДФ. Типичными катализаторами являются фторид железа, хлорид железа и т.д. Преимущество этого метода заключается в том, что в процессе реакции не используется растворитель, что сокращает этап удаления растворителя на последующих этапах обработки. После завершения реакции полимеризации обычно требуется термическая обработка продукта для обеспечения полной кристаллизации полимера и удаления остатков катализатора. Процесс термообработки может включать такие стадии, как нагрев, охлаждение и кристаллизация. Затем полимерный продукт подвергается дальнейшей обработке путем экструзии или каландрирования для получения пленки ПВДФ.

2. Мокрая полимеризация: Мономер винилиденфторид (ВДФ) растворяется в подходящем растворителе. Обычно используются такие растворители, как фтористый водород, трихлорэтилен, хлористый метилен и т.д. В растворе молекулы мономера подвергаются свободнорадикальной или анионной полимеризации. Инициатор (например, соединение на основе пероксида) добавляется в раствор для запуска реакции полимеризации мономера. Инициатор генерирует свободные радикалы в подходящих условиях и способствует образованию химических связей между молекулами мономера, что приводит к постепенному формированию полимерных цепей. Под действием инициатора молекулы мономера постепенно полимеризуются в полимеры поливинилиденфторида. Реакцию обычно проводят при определенной температуре и давлении, чтобы обеспечить образование полимера и контроль молекулярной массы. После образования полимера растворитель удаляют из раствора. Обычно это делается путем выпаривания растворителя или удаления растворителя путем помещения раствора под вакуум. После удаления растворителя полимер ПВДФ получается в виде твердого вещества, которое затем перерабатывается в пленку.

Рис. 4 Схема производственной линии мембранных фильтров из ПВДФ

3.2.3 Поливинилиденфторид (ПВДФ) в применении

1. Удаление микроорганизмов: Микропористая структура фильтрующих мембран из ПВДФ может эффективно фильтровать микроорганизмы и бактерии, и используется в таких областях, как очистка питьевой воды и удаление микроорганизмов при производстве продуктов питания и напитков. Размер и распределение микропор можно регулировать, точно контролируя параметры процесса и добавляя соответствующие порообразователи при приготовлении фильтрующих мембран из ПВДФ. Это позволяет фильтрующим мембранам из ПВДФ иметь более однородную и контролируемую микропористую структуру. Фильтрующие мембраны из ПВДФ обычно имеют диапазон размеров от нанометров до микронов. Это позволяет фильтрующим мембранам из ПВДФ иметь более равномерную и контролируемую микропористую структуру. Микропоры фильтрующих мембран из ПВДФ обычно находятся в диапазоне размеров от нанометров до микрометров. Этот диапазон размеров эффективно блокирует большинство микроорганизмов и бактерий, включая бактерии, вирусы, яйца паразитов и т.д., обеспечивая тем самым эффективную фильтрацию и удаление микроорганизмов из воды. Он подходит для очистки питьевой воды, а также для процессов производства продуктов питания и напитков, требующих строгого контроля микроорганизмов.

2. Разделение и очистка химических веществ: Фильтрационные мембраны PVDF также широко используются в химической промышленности для разделения и очистки химических веществ.Мембраны PVDF обладают отличной химической стойкостью и стойкостью к растворителям и могут быть использованы для восстановления и повторного использования органических растворителей. При фильтрации реакционной жидкости через фильтрационную мембрану PVDF, растворитель и продукты реакции могут быть эффективно разделены, таким образом, реализуя восстановление и повторное использование органических растворителей и уменьшая стоимость и трату ресурсов.

Поскольку фильтрационная мембрана из ПВДФ имеет микропористую структуру, она может эффективно блокировать крупные молекулы и твердые частицы, позволяя при этом пропускать мелкие молекулы растворителей. Поэтому ее можно использовать для очистки химических веществ, например, для удаления примесей из растворителей и разделения химических веществ. Благодаря фильтрационному эффекту фильтрующей мембраны PVDF, примеси и твердые частицы в растворе сырья могут быть удалены, и получены чистые химические продукты.

Кроме того, в процессе химического синтеза часто необходимо отделить и очистить реакционную жидкость для получения целевого продукта. Мембраны для фильтрации PVDF могут использоваться для отделения твердых частиц, осадков или суспензий в реакционной жидкости, чтобы сделать раствор более чистым и прозрачным. Это важно для последующих этапов очистки или последующих процессов.

3. Электронная промышленность: Фильтрационные мембраны PVDF также широко используются в электронной промышленности, например, для удаления частиц в процессе производства электронных устройств и фильтрации фоторезиста. В процессе производства электронных устройств, особенно в полупроводниковой промышленности, контроль частиц очень важен, PVDF фильтрационная мембрана имеет микропористую структуру, может эффективно отфильтровывать воздух, а также растворители и технологическую воду или другие технологические жидкости в мельчайших частицах, таких как пыль, бактерии, пыль и т.д., чтобы обеспечить чистоту производственной среды, снизить уровень дефектов продукции.

В процессе производства полупроводников литография является ключевым этапом. В процессе фотолитографии фоторезист необходим для определения и переноса рисунка. Фильтрующая мембрана PVDF может быть использована для фильтрации примесей и частиц в растворе фоторезиста, чтобы обеспечить чистоту фоторезиста и избежать нечетких или дефектных рисунков фотолитографии, вызванных примесями.

Таблица 1 Сравнение свойств PES и PVDF

4 Керамические мембраны

4.1 Обзор керамических мембран

Керамические фильтрующие мембраны - это тонкие пленки, изготовленные из керамических материалов для фильтрации, разделения и очистки жидкостей или газов. Эти фильтрационные мембраны обычно состоят из керамических материалов, таких как цирконий (ZrO2), глинозем (Al2O3) и т. д., и имеют микропористую структуру. Размер и распределение этих микропор можно регулировать по мере необходимости для достижения селективной фильтрации частиц или молекул различных размеров.

Пленка из керамического материала обладает превосходной устойчивостью к высоким температурам и может стабильно работать в высокотемпературных средах. В то же время, многие химические вещества имеют хорошую химическую стабильность, не легко подвергаются химической коррозии. Керамическая фильтрационная мембрана также обладает определенной степенью механической прочности и устойчивости к истиранию, может выдерживать определенное давление и напряжение. Благодаря этим свойствам керамический материал, из которого изготовлена фильтрующая мембрана, широко используется в производстве в процессе научных исследований.

4.2 Конструкция керамических мембран

1. Подложка: Керамические пленки обычно требуют поддерживающего слоя подложки для обеспечения механической стабильности и адгезии пленки. Слой подложки может быть металлическим, керамическим или другим, а распространенные материалы подложки включают глинозем, кремний, титан и так далее. При выборе базового слоя следует учитывать совместимость и адгезию с материалом пленки.

2. Функциональный слой: Это основная часть керамической пленки, которая обычно состоит из керамических материалов, таких как диоксид циркония (ZrO2) или оксид алюминия (Al2O3). Толщина функционального слоя обычно составляет от нескольких микрометров до десятков микрометров, в зависимости от требований к применению. Микропористая структура в функциональном слое является ключом к достижению фильтрационной функции, а размер и распределение микропор можно регулировать, контролируя процесс подготовки.

3. Модификация поверхности: Иногда для улучшения характеристик керамической пленки или для адаптации к конкретным условиям применения на поверхности функционального слоя может проводиться поверхностная обработка. Обработка поверхности может включать химическую модификацию, нанесение покрытия, функциональную модификацию и т. д. для повышения селективности, стабильности или биосовместимости пленки.

4. Структура пор: Функциональность керамических пленок в основном зависит от их структуры пор. Эти поры могут быть микропористыми, мезопористыми или макропористыми, а их размер и распределение определяют фильтрационные свойства пленки. Микропористые структуры обычно используются для разделения небольших молекул или частиц, а макропористые - для высокопроизводительной фильтрации.

4.3 Процессы, участвующие в синтезе керамических мембран

В качестве примера возьмем керамическую пленку на основе диоксида циркония: в раствор неорганической соли циркония добавляют диспергатор полиэтиленгликоль или азотную кислоту, проводят реакцию при нагревании и добавляют щавелевую кислоту для получения раствора оксо-циркония в щавелевой кислоте; раствор оксо-циркония в щавелевой кислоте подвергают гидротермической реакции для получения нанорастворов оксида циркония; к нанорастворам оксида циркония добавляют пластификаторы, связующие вещества для получения раствора покрытия; покрытие, прокаливание, охлаждение, т.е, получение описанной циркониево-оксидной керамической ультрафильтрационной мембраны. Способ приготовления циркониевой керамической ультрафильтрационной мембраны настоящего изобретения позволяет получить наночастицы с однородным размером частиц, слой мембраны не легко сокращается и трескается, и получить бездефектную циркониевую керамическую ультрафильтрационную мембрану, а сам процесс является простым и малозатратным.

4.4 Использование возможностей керамических мембран в приложениях

1. Пищевая промышленность и производство напитков: В пищевой промышленности и производстве напитков керамические фильтрационные мембраны используются для осветления и фильтрации фруктовых соков, вин, пива, молочных продуктов и т.д., чтобы удалить взвешенные вещества, микроорганизмы и примеси и улучшить качество продукции. Керамические фильтрующие мембраны могут использоваться для осветления фруктовых соков путем удаления твердых частиц, таких как мякоть, кожура и ядра, а также микроорганизмов и других примесей. Это помогает улучшить прозрачность и вкус сока и продлить срок его хранения. Керамические фильтрующие мембраны также используются для осветления вина в процессе виноделия, удаляя взвешенные частицы, такие как дрожжи, белки и осадок, а также микроорганизмы и посторонние примеси, которые могут присутствовать. Это помогает улучшить внешний вид, вкус и стабильность вина и обеспечивает его качество. В молочном производстве керамические фильтрующие мембраны используются для осветления эмульсий, удаляя взвешенные вещества, такие как белки, молочные жиры и бактерии, а также посторонние примеси и микроорганизмы, которые могут присутствовать. Это помогает улучшить чистоту, вкус и срок хранения молочных продуктов, а также обеспечивает безопасность и гигиену продукции.

Связанное чтение: Керамические мембраны и их применение в производстве продуктов питания и напитков

Рис. 5 Оборудование для очистки напитков с применением керамических фильтрующих мембран

2. Очистка воды: Керамические фильтрационные мембраны используются при очистке питьевой воды для удаления из нее взвешенных частиц, микроорганизмов, органических веществ и других примесей. Эти мембраны обеспечивают эффективную фильтрацию частиц, тем самым улучшая качество воды, чтобы она соответствовала стандартам питьевой воды. При очистке сточных вод керамические фильтрующие мембраны используются для разделения твердых и жидких частиц и удаления загрязнений и микроорганизмов. Они могут эффективно фильтровать взвешенные твердые частицы, частицы, бактерии и вирусы из сточных вод, очищая их до соответствия стандартам сброса или для повторного использования. Керамические фильтрующие мембраны могут использоваться для предварительной обработки, опреснения и последующей обработки в процессе опреснения, удаляя соли и другие примеси из морской воды путем эффективной фильтрации для осуществления опреснения и очистки морской воды. Помимо вышеперечисленных областей применения, керамические фильтрующие мембраны также могут использоваться для очистки промышленных сточных вод, рециркуляции водных ресурсов и улучшения качества воды в реках и озерах. Благодаря высокой фильтрующей способности и стабильности они играют важную роль в различных процессах очистки воды, помогая улучшить ее качество, защитить окружающую среду и обеспечить чистую воду.

Что ожидать во второй части

Завершив обсуждение традиционных мембранных фильтров, таких как полимерные и керамические, в первой части этой серии, мы переходим к изучению более сложных мембранных технологий во второй части. В следующих разделах мы рассмотрим структуру, синтез и различные области применения наноструктурированных мембран, композитных фильтрующих мембран и многое другое. Следите за новостями Stanford Advanced Materials (SAM), чтобы узнать больше о развивающемся мире мембранной фильтрации.